轉輪式車刀高度調節裝置的結構設計

王景磊，趙成功，賈石瑀，王虎，曹先釗，楊琦

內蒙古工業大學 內蒙古呼和浩特 010051

1 序言

在車削加工中，車刀的刀尖要與被加工工件的中心軸線等高，這樣可以保證在車削過程中刀尖始終與工件外表面的最高點接觸。如果刀尖高于或低于工件中心軸線，既容易損壞車刀，也會造成較大的加工誤差，影響產品的加工質量。因此，車刀高度調節裝置是保證車床加工精度系列裝置中的一個重要組成部分，也是工程技術人員要重點研發的一種車床附件。

2 相關產品的特點

為了調節車刀的高度，工程技術人員設計研發出各種類型的調高裝置并成功應用于普通車床和數控車床上，部分產品獲得了較好的使用效果。按照此類產品研發和使用的時間順序，車刀調高裝置可以分為傳統型和改進創新型兩大類，其特點分析如下。

傳統型車刀高度調節裝置為墊刀片，調高方法為墊刀片疊加法。使用墊刀片調節車刀高度的優缺點均十分明顯，其優點是墊刀片易制備，制造和使用成本低，墊刀片的適用性較強，一直被大量使用；其缺點是墊刀片無固定的規格，使用時互換性差，使用墊刀片調節車刀高度時需要消耗大量的準備和調節時間，極大地影響工作效率；另外，如果墊刀片的疊加層數較多，就會直接影響車刀的穩定性，在加工中易出現車刀的滑移和振動，嚴重影響加工精度，甚至會引發安全事故。

改進創新型車刀高度調節裝置主要是通過設計簡單巧妙的機械結構來實現調高的功能，目前較為成熟的結構有螺釘式和推進式兩大類。

螺釘式車刀高度調節裝置是對墊刀片調高的一種結構改造，原理是在固定的單一墊刀片下方設計兩個對稱的并可安裝螺釘的固定塊，通過轉動螺釘使墊刀片的高度發生上下變化，實現車刀調高的功能[1，2]。其優點是調節精度遠高于傳統的墊刀片疊加。調節高度的變量可以通過計算螺釘的旋轉角度獲得，而無需使用多層墊刀片進行疊加。其缺點是裝置穩定性不高。因為調高時必須保證兩側的螺釘高度一致，為了確保兩側螺釘的高度誤差不超過規定范圍，需要對螺釘進行校正，否則就會導致車刀的振動和偏移。

推進式車刀高度調節裝置采用兩個以斜面相配合的楔形滑塊來實現高度調節，上方滑塊承載車刀，下方滑塊可以在螺釘的推動下實現滑動，上下兩滑塊的配合斜面接觸位置不同，對應的車刀高度也不同[3-5]。其優點是調節精度高，可以實現車刀高度的連續變化，穩定性比螺釘式調高裝置更好，調高精度可以通過設計合理的斜面傾角來獲得。其缺點是滑塊行程不能很長，兩滑塊的斜面接觸面積越小，裝置的整體穩定性就越差，因此裝置的外形尺寸會受到極大限制，適用性不高。

綜上所述，通過設計機械結構來實現車刀高度調節，此結構具有靈活性強、調節精度和工作效率高等顯著特點，是此類裝置研發的主流方向。

3 結構設計

本設計為一種轉輪式車刀高度調節裝置，由連桿、支架、主動輪、凸輪臺、墊刀塊、刀架殼體和緊固螺釘等組成，其結構如圖1、圖2所示。刀架殼體上設計有內螺紋孔，用于緊固車刀和墊刀塊；刀架殼體右側的壁板與凸輪臺緊密貼合，用于對凸輪臺實現定位和支撐。凸輪臺上設計有外凸型的圓弧輪廓，用于與墊刀塊上的內凹型圓弧輪廓形成精密配合。墊刀塊用于承載車刀，其圓弧段設計有1個小圓孔，用于與連桿配合。主動輪用于輸出轉矩，主動輪依靠輪軸由支架支撐，主動輪上同樣設計有1個小圓孔，用于與連桿配合。連桿將主動輪和墊刀塊連接起來，用于傳遞轉矩。

圖1 整體裝配結構

圖2 部件拆分結構

4 工作原理

主動輪、凸輪臺和墊刀塊上的圓弧被設計為同心圓結構。主動輪在支架上轉動，其輸出的轉矩經由連桿傳遞給墊刀塊，此時墊刀塊將環繞凸輪臺上的外圓弧轉動，由于主動輪、凸輪臺和墊刀塊三者為同心圓結構，所以墊刀塊轉動的角度與主動輪相同。車刀安裝于墊刀塊上，隨著墊刀塊的轉動，車刀刀尖的高度將發生變化。當調節車刀刀尖與工件中心軸線等高后，將墊刀塊緊固螺釘擰緊以固定墊刀塊的角度和位置。兩個車刀緊固螺釘的軸線關于主動輪的圓心對稱，在擰緊墊刀塊緊固螺釘后，再擰緊兩個車刀緊固螺釘，以固定車刀，并實現車刀的力矩平衡。

車刀刀尖的高度值與主動輪的轉動角度值服從的數學關系為：

式中，y是車刀刀尖的高度值（mm）；r是主動輪的半徑（mm）；θ是主動輪轉過的角度；A是y與rsinθ間的關聯系數。

實際使用時只需要調節主動輪的轉動角度，就可以計算出車刀刀尖的準確高度。

5 結束語

本裝置的結構完全不同于之前的同類產品，可以實現對車刀高度的連續調節，具有使用簡單靈活，調節精度和效率高、適用性強以及維修保養成本低等優點。使用本裝置需要設計與其相配套的刀架，另外考慮到使用穩定性的要求，此裝置不適宜承受較大的切削力和沖擊。在未來的優化中，如何實現此裝置的小型化和進一步提高其穩定性是值得重點研究的。