金屬構件加工用車床刀架結構的改進研究

李惠亮，藍詩玉，黃佳銳

（廣東省南方技師學院，廣東 韶關 512200）

作為制造業全面實現現代化的基礎性裝備，數控車床在實際生產過程中的應用極為廣泛，而車削中心是數控機床的應用數量更是處于絕對領先的位置。目前，我國數控車床及車削中心在精度、速度、等方面均有了較為顯著的發展與提升，但可靠性水平較世界水平仍舊較低[1]。提高數控車床及車削中心的可靠性的前提，就是對其關鍵功能部件進行可靠性研究[2]。通過對數控車床及車削中心研究可知，其關鍵功能部件為動力刀架。在工作過程中，動力刀架性能的提升直接關系到數控車床及車削中心的可靠性[3]。因此，對于數控機床刀架的結構和性能研究就成為了提高生產效率和精度的重要節點。

基于此，本文進行了金屬構件加工用車床刀架結構的改進研究，針對其存在的問題進行有針對性的設計，提出一種具有鉆頭夾具的車床刀架設計方案，以滿足在金屬構件加工過程中對車床刀架的應用需求。

1 設計方案

在實際金屬構件加工過程中，車床刀架一般都是在加工后對鉆頭進行更換，但在此過程中存在一個實際問題，那就是中心鉆和鉆頭的裝拆十分繁瑣，操作時間較長，直接影響車床的工作效率；而且，對于大部分數控機床而言，都存在一個共同的問題，車床刀架對中心鉆和鉆頭固定不夠穩定，這就直接導致在加工過程中，鉆頭產生抖動，影響加工效果，針對該問題，本文提出一種具有鉆頭夾具的車床刀架。

1.1 刀架主體設計

針對上述問題，本文設計了一種具有可拆卸鉆頭夾具刀架。本文通過對原刀進行改裝設計，在結構上做出新的調整，增加固定裝置和外力緩沖裝置來提高其對在鉆頭固定的可靠性，并增加鉆頭固定卡槽，實現雙鉆頭同時搭載，降低工作對鉆頭拆卸調換的次數，減少無功耗時。

設計的刀架主體主要包括刀架本體、套筒、加強塊三部分，通過螺絲固定孔和螺栓的設置，實現整個刀架的搭建。在刀架本體前端設置螺絲固定孔和可拆卸連接有固定夾具，夾具外側有固定連接的安裝條，安裝條內部可拆卸，同樣連接有固定螺絲，夾具通過固定螺絲與螺絲固定孔實現與刀架本體的可拆卸連接。

夾具前端焊接連接一個套筒，在套筒外側焊接加強塊，內部設置套孔，在套筒上下端和左右兩端分別設置橫向定位螺孔，在套孔內部套合，用于連接鉆頭。

鉆頭內部設置內定向螺絲固定孔，對應在縱向定位螺孔內部，連接有可拆卸的縱向定位螺栓，并與內定向螺孔相互卡合，在對應的橫向定位螺孔內部，同樣連接有可拆卸橫向定位螺栓，同樣可以與內定向螺孔相互卡合，并設計橫向定位螺孔釘身前端與縱向定位螺栓外側相互貼合，這樣就形成了一個更加穩定的鉆頭固定裝置，所設計刀架的拆分結構示意圖如圖1所示。

圖1 設計刀架拆分結構示意圖

1.2 刀架細節設計

在上述刀架主體設計方案的基礎上，對其內部細節進行搭建，其具體如下：

（1）夾具3設置為兩組，且與刀架本體1關于垂直中心線對稱分布，在夾具3內部，固定螺絲5與螺絲固定孔2對應分布，根據實際生產過程中的需要，對兩組夾具3上鉆頭的安裝可以進行自由搭配，安裝不同的鉆頭11和中心鉆，這樣就可以在一定程度上避免車床在加工結束后必須立刻換刀，才能再次進行加工的情況，減少換刀所消耗的時間，提高設備有效工作時長，從而促進實現設備產能的最大化。

（2）為了提高連接的穩定性，增加了套筒6，且加強塊7與套筒6均為圓柱體結構，且二者圓心重疊，加強塊7對套筒6有固定作用，避免出現套筒6因受力過大而損壞的情況，這也在一定程度上降低了設備維護的頻率，減少維修帶來的時間損失和效益損失。

（3）橫向定位螺孔10與縱向定位螺孔9的大小相等，且二者等間距分布在套筒6外側，二者通過共同作用實現從四端固定鉆頭11的作用，同時為提高鉆頭11穩定性，將其固定在套筒6內部，以此實現更高強度的穩定性保障。

（4）內定向螺孔12為相互連通的十字型孔槽結構，且其形狀和直徑與10與9的完全一致，并相互連通，可以通過縱向定位螺栓13和橫向定位螺栓14將三者進行連接，實現對于不同直徑的鉆頭的固定，這也是對于刀架應用效率的提升設計，通過減少拆卸、調換鉆頭的次數提高工作效率。

（5）縱向定位螺栓13釘身長度大于套筒6直徑，且與橫向定位螺孔10與內定向螺孔12、橫向定位螺孔10和縱向定位螺孔9均適配，可以實現與縱向定位螺孔9進行固定，以此進一步確保對鉆頭縱向固定的穩定性。

（6）橫向定位螺栓14同樣有2組，并關于套筒6垂直中心線對稱分布，且橫向定位螺栓14釘身長度同樣大于套筒6的半徑，可以與縱向定位螺栓13相互貼合，從而保證了對鉆頭橫向固定的穩定性。

通過上述設計，對刀架的固定強度和對外界沖擊緩沖能力進行提升，降低鉆頭工作過程中的抖動強度，提高加工精度，并降低由于鉆頭拆卸帶來的時間損耗，提高有效工作時間。

2 工作原理

將所設計刀架應用到實際生產中，其使用戶和工作原理都相對簡單，對于操作人員友好，簡單快捷，無需另外專門進行學習，即可掌握。其基本工作原理為，首先通過固定螺絲5和螺絲固定孔2將夾具3安裝在刀架1前端，將所需鉆頭和中心鉆安裝在夾具3中，并通過套筒6，將鉆頭后端插入套孔8中，將鉆頭內部的內定向螺孔12對準套筒6外側的橫向定位螺孔10和縱向定位螺孔9，接著將縱向定位螺栓13擰進固定夾具3上端縱向定位螺孔9并與鉆頭11或中心鉆內部的內定向螺孔12進行卡合，直到縱向定位螺栓13出現在固定夾具3下端的縱向定位螺孔9中，接著用兩組橫向定位螺栓14穿過橫向定位螺孔10并與內定向螺孔12進行卡合，接著根據實際需求使用相應的鉆頭11或中心鉆，加工結束后，移動刀架1，實現更換鉆頭的目的，減少多次的換刀操作，提高加工效率。

3 應用價值分析

作為改造后的數控機床刀架，與現有技術相比，該具有鉆頭夾具的車床刀架，通過在車架前端增加兩組相同的夾具，使車架可以同時安裝不同種類鉆頭的夾具，使用時更加方便，減少裝拆次數，降低換刀的時間，提高了車床的效率；其次鉆頭通過定位螺孔和定位螺栓進行固定，實現對鉆頭的穩定連接，防止加工時出現抖動，影響對物件加工產生，提高工件的成型效果；同時，在刀架的鉆頭固定裝置內加設套筒，在一定程度上緩解了外界沖擊對鉆頭穩定性的影響，同時減少沖對沖擊的響應強度，降低影響，提高鉆頭工作時的運轉精度。

因此在時間成本和穩定性控制上均有一定研究價值，且使加工效果上都具有一定價值，具有實用性。

4 試驗測試

為對設計刀架的性能進行測試，本文進行了試驗測試。試驗所用設備包括電容位移傳感器、精密隔振平臺、驅動電源、計算機；同時為了隔離外界振動，降低環境噪聲對試驗產生干擾，將所設計刀架和電容位移傳感器一同固定到精密隔振平臺上。在此基礎上，為了更加清晰地對所設計刀架的性能進行驗證，本文試驗選擇原刀架和斜面刀架作為對比，同時進行測試。

對所設計的帶有鉆頭夾具刀架的分辨率，沖擊響應時間和進給精度進行了試驗研究，并對試驗結果進行記錄，將所設計刀架與原刀架和斜面式刀架進行對比，對比結果如表1所示。

表1 不同刀架性能測試對比表

從表1中可以看出，所提方法的分辨率僅為0.12μm，面對沖擊響應，其所需衰減時間無論是在給進方向上，還是切向，用時較對比方法有明顯優勢，在固有頻率下，徑向與給進方向差異最小，具有良好的性能表現。對其性能進行總結，可以得到如下結論。

（1）所設計的具有鉆頭夾具刀架通過加強固定穩定性，提高了原刀架的進給分辨率。雖然受試驗條件所限，目前可測得的具有鉆頭夾具刀架進給分辨率僅為0.12μm，與另外兩種刀架相比，具有明顯優勢。

（2）所設計刀架通過安裝套筒緩沖裝置和螺絲固定裝置，對于沖擊響應的衰減比另外兩種耗時更短，表明其面對沖擊的應對能力更強，而另外兩種更為明顯，在給進方向上的沖擊衰減耗時均在40ms以上。

（3）所設計刀架基本保持了原刀架在徑向工件進給方向上的固有頻率。而在微進給方向上，設計刀架固有頻率相對于另外兩種方法，變化幅度更小，表明其固定裝置提高鉆頭穩定性方面具有良好作用效果。

綜合以上幾方面因素，所設計刀架在不引入附加輔助設備的情況下，進給分辨率提高到了0.12μm，滿足了目前加工工藝需要，具有一定實際應用價值。

5 結語

本文針對由于刀架性能引起的鉆頭抖動，影響生產效率和質量的問題，進行了金屬構件加工用車床刀架結構的改進研究，設計的具有鉆頭夾具的車床刀架實現了對鉆頭的穩定連接，并可以有效緩沖外界沖擊對鉆頭運行精度帶來的影響，同時減少了車床加工時換刀的時間，提高了工作效率，對于實際生產具有一定的應用價值。