激光原理在车床上快速安装刀具时的应用

陆晓东

（无锡机电高等职业学校，江苏 无锡 214028）

激光原理在车床上快速安装刀具时的应用

陆晓东

（无锡机电高等职业学校，江苏 无锡 214028）

在车削加工实训过程中，车刀的正确装夹是一项不容忽视的基本功。车刀刀尖位置的高低将直接影响到加工的质量和效率，也影响到刀具的使用寿命。本文试图寻找一种全新的尾架顶尖，以助于在车床上快速正确地安装刀具。

激光；车刀刀尖；主轴中心线；尾架顶尖

职业院校的学生在进行车工实训时，均要首先掌握机床的基本结构、刀具的刃磨与安装、切削参数的选择等，其中刀具安装的正确与否，将直接影响到零件加工的质量，特别是刀尖位置的正确性，是切削加工过程中减少产生不良现象的重要一环。因此，创新出一种在车床上有助于快速正确安装刀具的方法，能够提高技能实训效率，在生产实际中也有广泛的应用价值。

1 车刀刀尖高度对切削质量的影响

在车削加工实训中，对车刀的正确装夹虽然是基本要求，但在实际操作时往往被忽视，实习指导老师更注重讲授诸如刃磨刀具、选择切削参数、确定加工工艺等的正确方法，学生对装夹刀具也是随心所欲，敷衍了事。以致于在刚进入车削加工的初始阶段就频频出现刀尖崩裂、扎刀、啃刀等现象而大大缩短刀具的使用寿命；同时零件的加工精度始终不稳定，因不知其所以然而找不出合理地解决办法。下面从车削外圆、车外沟槽和切断、车外圆锥面时的工件状态分析车刀刀尖高度对切削质量带来的影响。

1.1 刀尖装夹高低对车削外圆的影响

在一般情况下，刀具都磨有前角γ和后角α。车刀的后角有主后角α和副后角α’，后角的作用，就是减少刀具后刀面或副后刀面与工件的干涉与摩擦，与车刀前角共同形成锋利刀刃，以便切入工件。当车刀刀尖装夹高于工件中心线时[图1（a）]，其实际前角变大，实际后角变小。造成后刀面与工件挤压，摩擦增大，影响加工质量。车削力大时，会出现刀具崩裂，使加工不能继续进行。当车刀刀尖装夹低于工件中心线时[图1（c）]，其实际前角变小，造成排屑困难，刀刃易受磨损、挤压而崩裂，降低了刀具使用寿命。虽然此时实际后角变大，但因实际前角变小，切削阻力增大，相当于降低了刀头强度，严重时同样会发生崩刀（或崩刃）。刀尖不对中心，在车削外端面或盲孔底面至工件中心时还会留有凸台[图1（d）（e）]。

图1

1.2 刀尖装夹高低对车外沟槽和切断的影响

通过计算和分析可以得出这样的结论：车刀前、后角的变化还与工件半径有着密切关系。若车刀安装高度变高，工件半径相对变大，车刀的前、后角也会发生相应变化。在车削外沟槽时，随着工件半径越来越小，车刀的后角也变得越小，甚至变为负值，此时，刀刃后面就会和已加工表面发生接触，出现重叠切削现象，沟槽表面易出现折褶，通常还会伴有咯、咯声的异响及强烈的振动，导致崩刃使切削无法继续。若车刀安装高度低于工件中心线，就会出现割不断的情况。

1.3 刀尖装夹高低对车削圆锥面的影响

在车削圆锥面时，若车刀安装过高或过低，加工出来的圆锥母线不再是直线，而很容易出现“双曲线”的现象。

除了以上几种影响之外，在加工内孔、螺纹、滚花、蜗杆等零件时，也均要求车刀刀尖高度严格与工件中心高保持一致，以减少刀具装夹误差给车削带来的不利影响。

2 几种常用的车刀安装及刀尖高度调整方法

图3 用尾座顶尖

图4 用钢直尺

图5 用定高尺

2.1 对尾座顶尖法

将车刀刀尖对准尾座顶尖后夹紧刀具（如图3）。用此方法装刀时，需移动车床大拖板使刀架接近尾座，小刀架处于可转动状态，以便于调整刀尖方向对准顶尖。常因用力不当，刀尖与顶尖碰撞而使双尖受损。

2.2 测高法

根据车床主轴的中心高，用钢直尺测量后装刀（如图4）。用此方法装刀时，需知道不同车床的主轴中心高，并且测量误差大。

2.3 试切削法

将车刀靠近工件端面，用目测估计车刀高度后夹紧刀具，试车削端面，再根据端面的中心调整刀尖高度。通常只有经验丰富的熟练操作工才使用这种装刀方法。

2.4 定高尺法

使用专门设计的定高尺，测量出刀尖高度与车床中心高的差值，即为刀具需垫高的高度（如图5）。用此方法安装车刀，需要配备专用定高尺，参见实用新型专利“车刀安装中心高度测量定高尺”，专利号200920061730。

3 激光尾架顶尖的原理

3.1 激光的特性

激光的原理早在1916年就由著名的美国物理学家爱因斯坦发现，至1960年被首次成功制造。它一经问世，不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。如今激光已被广泛地应用在各行各业，如激光加工、激光通讯、激光测量、激光器、激光元部件、激光医疗等。激光之所以能成为20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后人类的又一重大发明，是与之具有良好的综合特性分不开的。

（1）定向性：与普通光源向四面八方发光相反，激光源只向一个方向发射光线，即光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。由于普通车床的最大长度一般不会超过3米，故在此短小距离内，激光几乎平行发射，无发散现象。

（2）高亮度性：正因为是定向发光，大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度极高，激光的亮度一般是普通阳光亮度的百万倍。激光光束虽然在白天不可见，但即使功率极低的激光束也可在光屏上留下亮度极高的光斑。

（3）集中性：激光是相干光，其特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”。激光具有高度的集中性，它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象，因此可以方便地控制其在光屏上所形成的光斑点的直径。

3.2 激光尾架顶尖的结构

利用激光的原理和特性，可以将固定尾架顶尖改制成激光尾架顶尖。激光尾架顶尖由激光座套、激光发生器和激光成像屏三部份组成（如图6），激光座套一端加工有与固定顶尖同锥度的莫氏锥体，可直接装入尾座孔内。顶尖座套另一端内腔安装激光发生器。接通电源时，产生功率为3mW、直径约为0.05mm的红色或绿色激光线，可在成像屏上形成一极小的激光斑点。

图6

3.3 激光尾架顶尖的工作原理

安装车刀前，将激光尾架顶尖安装在尾座上，按下按钮接通电源，发出的激光光线与车床中心轴线重合。将车刀刀尖对准成像屏上的激光斑点，以刀尖刚好触及亮斑中心为宜，此时，车刀刀尖与车床中心轴线等高。垫上合适的垫刀片，拧紧刀架螺钉即可。

3.4 优点

使用激光尾架顶尖发出的激光线，相当于把尾座顶尖虚拟移至车床纵向的任意位置，在安装刀具时具有以下优点：

（1）刀架在车床纵向任意位置时就可安装刀具，不必移动大拖板，快速、方便；

（2）对于初学车削操作的学生来说，用试切削法装刀，往往不能一次试切削成功，要多次增减垫刀片厚度才能达到要求，费时费料，许多同学甚至在试车削过程中就出现了崩刀现象。利用激光尾座顶尖，可一次调整刀尖高度到位，大大节约了辅助工时，提高了效率。

（3）安装车槽刀另一要求是：主切削刃和工件回转轴线严格平行，否则车成的沟槽槽底呈竹节形。将车槽刀主切削刃对准激光点并保持刀杆与主轴线垂直后夹紧，即完成了车槽刀的正确安装。

（4）激光尾架顶尖结构简单，制作方便。激光发生器只需用市场上廉价的激光笔或激光电筒改制，用半透明的胶片制成激光成像屏，成本低廉。激光束功率≤3mW，不会对人眼产生伤害。

（5）具有辅助找正功能。当用三爪自定心卡盘装夹轴类工件时，有时需要找正，即使工件加工表面的回转轴线与车床主轴轴线重合。通常先轻轻夹紧工件，用手扳动卡盘，检查刀架与卡盘无碰撞，然后低速开车，观察工件歪斜偏摆的方向，当工件旋转至最高点时用木锤轻敲工件，反复多次直至工件无偏摆，停车，夹紧工件。常见初学者因夹紧力不足又用力不当而将工件敲落，具有一定危险性。利用激光尾架顶尖发出的激光线，先在工件端面用划线找正法打上中心记号，然后装上三爪卡盘轻轻夹紧，用手转动卡盘，观察并调整工件中心点位置，使其始终对准光点，最后夹紧工件。用此方法时，无需开动机床，简便易学，工件调整快，无危险性。尤其是在四爪单动卡盘上装夹外形复杂的工件时，找正是件非常困难的事。若预先能用划线法找到被加工表面的回转中心并做上记号，同上原理，调节四只卡爪伸出的位置使手动旋转卡盘时工件中心始终对准激光点，然后夹紧即能实现快速找正。

4 注意事项

（1）安装激光发生器时可通过调整螺栓调整激光线与莫氏锥体同轴线。

（2）改变激光孔的直径可将激光成像亮斑的直径控制在0.05mm以内，以减小刀尖高度误差。

（3）为保护眼睛，激光功率不宜过大，一般控制在3mW以内即可。