經濟型數控車床刀位改裝高精工藝研究

張 祝 童成前

(①蘇州薩伯工業設計有限公司，江蘇 蘇州 215131；②北京汽車集團越野車有限公司，北京 101399；③南京薩伯工業設計研究院有限公司，江蘇 南京 211399)

經濟型數控車床因其較低的成本，當前依然被大多數企業普遍使用，并在我國制造業中發揮著極其重要的作用[1]。而四工位自動回轉刀架結構簡單、動作靈活、重復定位精度高[2]，一直被應用于經濟型數控車床上，但受到自身刀位數量影響嚴重限制了其加工能力[1]。四工位自動回轉刀架正常情況下只能安裝4把刀——粗車刀、精車刀、螺紋刀及槽刀或切斷刀用來對零部件的外部輪廓加工，缺乏對內部輪廓的加工能力，如打中心定位孔、鉆孔、擴孔、鉸孔及車削內部各種輪廓等[3]。在車床上打中心孔、鉆孔、擴孔和鉸孔需要保證刀具自身回轉中心與機床主軸回轉中心的同軸度，否則不僅會影響加工精度，兩者同軸精度誤差較大時，還會直接損壞刀具。

基于實際制造的需要，制造企業對經濟型數控車床進行了刀位的改裝。直接在滑板上安裝有T型槽的刀架[2]，利用T型槽安裝刀架，再在刀架上安裝刀具，調刀時，在y軸高度方向通過更換墊片來調節[4]。這樣的改裝一般用來安裝車削刀具，x軸、z軸方向無需機械調刀。但用這樣的改裝來打中心定位孔、鉆孔、擴孔及鉸孔時，需要在x軸、y軸和z軸同時調刀，調刀難度極大，且每次加工新零件或中途更換刀具都需要重新調刀，工作量大、效率低、技術要求高，調刀誤差稍大就會直接折損刀具。基于此，通過對經濟型數控車床加工特點的研究，設計加裝排刀架的結構，并分析對應的高精度加裝工藝，使改裝后的排刀架安裝刀具無需調刀，且刀具安裝位置精度由機床自身精度保證。

1 數控車孔加工特點分析

車床加工的主運動為工件的回轉運動，刀具只做平動而不轉動[5]。如圖1所示，工件安裝于車床卡盤上，隨主軸做回轉運動，定心鉆和麻花鉆的安裝調刀都會產生偏差，會出現類似定心鉆中心與回轉中心平行但不同軸的現象，或者類似麻花鉆中心與回轉中心空間交叉的現象，當調刀誤差較大時。定心鉆與回轉運動中的工件接觸的瞬間就會被切向力折斷，隨著麻花鉆的軸向進給，當副切削刃進入工件時，麻花鉆會被折彎甚至折斷，后道加工若車削則會產生較大的誤差復印[5]，若鉸孔則會失去原有的尺寸和形狀精度。

通過分析可知，采用車床鉆、擴、鉸加工內孔與鉆床加工有較大區別，鉆床的主運動為刀具，即便刀具中心與工件中心產生空間交叉，麻花鉆或定心鉆依然能夠沿著自身中心完成孔加工，但車床不行，刀具會因偏心交叉而被折斷。采用車床增加刀位來鉆、擴、鉸加工內孔，須保證刀具回轉中心與車床主軸的同軸度。

2 排刀架加裝結構設計

排刀架的主體結構設計主要考慮兩個方面的因素：一是便于快速換刀，避免復雜的調刀；二是充分依據機床自身精度，最大限度地獲得加工時刀具與主軸的相對位置精度。如圖2所示，排刀架整體呈長方形，置于車床的滑板上，延長度方向間隔設置有排刀孔，對應排刀孔上方分別垂直設置有螺孔，位于排刀架底部沿長度方向間隔均布開設有槽，刀架主體對角豎直設置有緊固螺栓孔[6-7]。

排刀桿設置于排刀孔內，兩者小間隙配合并通過設置于螺孔內的螺釘緊固。與滑板上設置有限位塊，限位塊與排刀架長度方向一端側面接觸限位。排刀孔的回轉中心分別與排刀架的底平面及限位側平面平行。滑板限制x軸的轉動、y軸的平動和z軸的轉動，限位塊限制x軸的平動和y軸的轉動，排刀架通過螺栓緊固于滑板上后z軸平動也被相對限制。排刀桿在排刀孔中只可在z軸方向平動和轉動，其余自由度均被限制，在排刀桿被螺釘緊固后限制了所有自由度[4,6]，定心鉆、麻花鉆、鉸刀和車刀等通過高精彈性夾頭安裝于排刀桿上。

3 排刀架加裝工藝分析

3.1 排刀架材料選型及預加工

排刀架需要較高的強度、硬度及耐磨、耐蝕特性，適宜采用軟氮化處理，且變形量小[8]。材料優選合金結構鋼，如42CrMo、31CrMoV9等。首先對原材料調質處理，調質硬度28～32 HRC，對調質后的基體材料機加工形成各幾何要素，保留螺孔和排刀孔暫不予加工[9]，并保證長方體6個平面之間的相互位置精度，精度等級要求IT8。隨后對排刀架基體的6個平面磨削，磨削相互位置精度等級要求IT6。磨削后手工去除飛邊毛刺，并防蝕處理后備用。

3.2 車床預調整

在車床卡盤上安裝軟爪，并精車削軟爪夾持內輪廓徑向尺寸至安裝刀桿的外圓尺寸，軟爪完成車削后夾持刀桿，并用千分表測量被夾持刀桿靠近軟爪處的徑向跳動[7]，調節該徑向跳動量至車床主軸自身定心軸徑的徑向跳動范圍內，定心鉆、麻花鉆、鉸刀和車刀等通過高精彈性夾頭安裝于軟爪刀桿上做相應加工[8,10]。拆卸滑板，加工緊固限位塊和排刀架的螺釘孔；復位滑板并檢測精度，使滑板的基準槽或基準側面橫向運動相對x軸的平行度符合車床自身的精度要求。安裝并調節限位塊，調整精度可參照床鞍在z軸方向運動相對主軸軸線的平行度精度要求[7]。

3.3 排刀架安裝加工

將預加工的排刀架限位緊固安裝于滑板上，定心鉆安裝于軟爪刀桿上，按照x軸向設計的排刀孔所在位置范圍，通過機床數控系統手動調節滑板沿x軸運動至相應位置，并記錄下此時主軸中心相對原點O在x軸的坐標值。確定x軸坐標后，操縱機床沿z軸進給打定心孔，完成定心孔后沿z軸退刀，重復調整排刀架在x軸的位置至下一個排刀孔所在位置范圍，并記錄下此時主軸中心相對原點O在x軸的坐標值，重復上述打該定心孔。按上述方法打各個增加刀位的定心孔，并記錄相應的x軸坐標值。完成定心孔加工后，更換刀具為麻花鉆，并再次用千分表檢測控制刀桿靠近軟爪處的徑向跳動[7]，按照前述記錄的定心孔x軸坐標值，逐次調節排刀架至相應位置，在定心孔的基礎上逐一鉆通孔，重復操作直至加工完所有通孔。依次更換擴孔鉆、鉸刀或鏜刀，重復上述麻花鉆的操作，完成對各個通孔的精加工，對各通孔的最后精加工可以采用精鉸也可以采用精鏜。實際測量排刀桿的外圓直徑，并對其標定編號，以各排刀桿的實測值為參照，對應通孔留有加工余量0.03～0.045 mm。

3.4 排刀架后續加工及調節

拆卸已完成通孔加工的排刀架，完成螺孔的加工，重點去除螺孔與通孔交接處的翻邊毛刺。珩磨各通孔，修整通孔圓柱度至2 μm以內，通孔修整磨削量不得超過0.015 mm，修整完成后測量各通孔至安裝底平面的距離，并測量距離限位側平面最近的通孔與側平面的距離，編號各孔記錄測量數據。

對完成以上加工的排刀架軟氮化處理，層深0.3～0.4 mm，硬度HR15N：90.3～92.5。根據上述編號測得的排刀桿外圓尺寸，精珩各通孔，最終獲得的排刀孔與對應排刀桿的間隙配合值≤2 μm。受軟氮化處理的影響，最終獲得的排刀孔與底平面和側平面之間的距離均會有微小增大，底平面和側平面也會產生微小變形。重新測量各排刀孔與底平面之間的距離，并測量距離限位側平面最近的排刀孔與側平面的距離，與之前測得值進行對比，根據對比差異值分別對底平面和側平面進行研磨，修正距離尺寸的同時提高自身的平面度，且在研磨時距離尺寸選取上偏差值。

對于定心軸徑的徑向跳動為0.012 mm的車床，修整后的排刀架按前述的限位方式裝回車床滑板上即可使用，各式刀具通過刀桿安裝于排刀孔內，定心鉆、麻花鉆、擴孔鉆、鉸刀等刀具在x軸的位置根據前述加工通孔時的記錄數值設定。對于定心軸徑的徑向跳動為5 μm的車床，可進一步提高排刀孔與車床主軸對中時的跳動量精度。首先用千分表打定心軸徑的徑向跳動，分別記錄在x軸和y軸方向的最大跳動量及跳動方向；將限位安裝好的排刀架在x軸方向調節至加工通孔時的x軸坐標位置，將杠桿千分表安裝于主軸上，旋轉主軸打排刀孔的跳動量，分別記錄在x軸和y軸方向的最大跳動量及跳動方向[7]；將表針置于排刀孔的最低位置，操作床鞍沿z軸移動，打排刀孔相對zx面的平行度，記錄長度100 mm的平行度差值及偏差方向；將表針置于排刀孔的最大側向位置，操作床鞍沿z軸移動，打排刀孔相對zy面的的平行度，記錄長度100 mm的平行度差值及偏差方向。根據上述測得值分析排刀孔相對主軸的偏差狀態并對應調整，若與z軸兩個方向的平行度在車床自身精度范圍內，此時根據主軸自身及排刀孔在x軸的跳動量及方向，計算修正對中時排刀孔的x軸坐標值，并根據主軸自身及排刀孔在y軸的跳動量和方向，計算得底平面的研磨量，通過對底平面的進一步研磨修正y軸跳動量；若與z軸兩個方向的平行度超差量較大，則先調節平行度至允許精度范圍內，再檢測x軸和y軸的最大跳動量；松開緊固螺栓即可調節相對zy面的平行度，調節相對zx面的平行度，可通過研磨底平面來修正。

4 結語

通過對車床孔加工特點的分析，得增加鉆、擴、鉸刀位對同軸度的要求，根據車床自身精度及結構特點，設計相應的排刀架結構及改裝工藝，解決了經濟型數控車床刀位改裝的精度和快速換刀問題。

(1) 在滑板上加裝排刀架，利用機床自身精度加工排刀孔，保證排刀孔相對主軸的同軸度；軟氮化處理提高了表面硬度、增強耐磨性，軟氮化后的精珩和研磨消除了熱處理微變形帶來的位置公差變化；鉆、擴、鉸刀具通過排刀桿安裝于排刀孔內，保證刀具自身軸線與主軸同軸度，同軸度由機床自身精度保證，且無需在x軸和y軸調刀，提高調機效率；對于精度等級較高的機床，可通過調節修正進一步提高同軸精度。

(2) 改裝后的刀位可直接在車床上對零件進行鉆、擴、鉸工藝加工，無需預制底孔；根據工藝改裝的刀位進行鉆、擴、粗鉸、精鉸工藝試制直徑8 mm的內孔，樣件材料為調質料，硬度25 HRC，孔深為60 mm，所加工孔實測值范圍為8.011 2 ～8.015 5 mm，且加工過程無異響，刀具無異常磨損；試制樣件尺寸落在鉸孔的公差范圍內，符合精度要求。