关于车刀安装位置的探讨
关于车刀安装位置的探讨
摘要：在车削加工中，工件的形状误差与机床、刀具、夹具、工件组成的工艺系统的多种原始误差有关。对此，人们已有比较深刻的认识。但对于车刀安装位置所引起的刀具工作角度变化 、车刀安装位置不正确引起被加工工件的形状误差等问题，人们对其还不够重视或分析不够彻底。
关键词：安装位置 角度 形状误差
引言：
在车削加工中，车刀的安装往往影响零件的尺寸精度、形状精度、表面粗糙度等；并且影响车刀在加工过程中的工作角度。在车刀安装时，若刀具安装歪斜，会使车刀工作时的主偏角、副偏角都有所变化：①主偏角增大，副偏角减小会时车刀工作时参与切削的刃口过大，而使零件尺寸减小、表面粗糙度值降低；②主偏角减小，副偏角增大会影响车刀排屑流向，切屑会拉伤已加工表面，若主偏角小于90°，则无法加工台阶类零件，使零件的台阶处端面不平。若刀具安装不对中心，使刀具安装高于或低于零件中心，会使加工零件的形状产生误差：加工内外圆锥时，产生形状误差，使内外圆锥无法完全配合，接触面积达不到配合要求。以上都是车刀安装位置不正确产生的影响，本文主要介绍了车刀安装位置对刀具工作角度的影响，以及车刀安装位置不正确造成被加工工件的形状误差。
一、车刀安装位置对刀具工作角度的影响
在车削加工中，一般应将车刀刀尖对准工件中心。但在某些特殊情况下也可有意将刀尖安装得高于或低于工件中心，通过改变刀具工作角度来解决一些实际加工问题。例如，在车削细长轴时，为了消除振动，可将刀尖适当抬高。
1、车刀相对工件中心变化后，刀具工作角度的变化情况。
如图a所示，若刀尖A高于工件中心h时引起刀具工作前后角的变化。不论是因安装高低还是由于刀具刃倾角的影响，只要选定点A不在工件中心线高度上，则 A点切削速度方向就不与刀杆底面垂直。相当于刀具工作坐标系绕zm轴转动一个u角。因此在切深剖面中有如下关系式：
rpe=rp+u
ape=ap-u
式中: tgu=h/ (dw/2) 2-h2
(或 sinu=h/r)
换算到主剖面中,则有如下关系式:
roe=ro+uo
aoe=ao-uo (1-1)
式中 : tguo= tgucoskr (1-2)
(或 sinuo＝sinucoskr)
式(1-1)(1-2)说明:加工外圆时,刀刃高于中心,工作前角增大,工作后角减小.同理,低于中心时,h值为负,工作前角减小,工作后角增大.加工内表面时,情况与车外圆相反.此外,不难看出，工件直径愈小，h值对运动角u的影响愈显著。因此加工小直径零件，切断到中心处以及孔加工刀具的中心切削刃等，u角的影响往往不能忽视。
例如：工件直径为20mm,h=1mm,则在切深剖面中
sinu=1\10=0.1
u≈5°44′
若车刀刃磨角度ap =6°,ape =6 °- 5°44′=16 ′ , 则由此可见工作后角 ape 接近0，无法进行切削。
2.应用车刀安装位置的变化解决生产中的问题。
（1）从切削原理中可知，刀具后角的主要作用是减轻刀具后刀面与工件表面之间的磨擦。为了保持刀具的强度，一般取后角α0=6°-8°；加工细长轴时，由于工件刚性差，切削时容易产生振动。粗车时，若将刀尖适当抬高后（一般抬高0.3mm至0.5mm），刀具工作后角变小有利于防止低频震动。精车如用宽刃精车刀，装刀时刀尖可低于工件轴线0.1-0.2mm, 以增大后角，减少刀具与工件的摩擦且不易扎刀。如图a所示，这样，相当于在切削过程中增加了一个辅助支承，使工件刚性增加，有利于振动的减轻乃至消失。但是，如果刀尖安装过高，则刀具后刀面碰到了工件，切削刃无法接触工件，不能进行切削，甚至使刀具产生崩裂或工件被顶弯。
（2）现需在直径 Φ=20mm的孔中车一条内沟槽，车刀前角rp =15°后角 ap =6°,此时，若将槽刀安装在工件中心，则必须将车刀后刀面磨成相应的圆形，并磨出后角，这样就比较麻烦。如果在安装车槽刀时将刀具中心安装得高于工件中心1mm. 将刀具后刀面磨成零度，下部倒角不碰到工件孔壁，即可进行加工。
（3）加工中为了提高丝杆螺纹的加工精度必须考虑螺纹升角对车削的影响。使用硬质合金车刀，中、高速车削时，螺纹车刀装刀刀尖略高于工件中心，高速钢车刀低速车削螺纹，刀尖略低于工件中心或采用负前角车刀将刀装高均有利于减少扎刀现象的发生，而且负前角装高后的实际前角仍为0°（前刀面通过工件中心），并且不会产生牙型角误差。
二、车刀安装位置不正确造成被加工工件的形状误差
众所周知圆柱母线与工件轴线的平行度是通过刀架移动的轨迹和带着工件转动的主轴轴线的相互位置来保证的。当刀具移动轨迹平行于轴线时，则形成圆柱表面；当刀具移动轨迹于轴线相交时，则形成圆锥表面；当刀具移动轨迹于轴线既不平行又不相交时，则形成曲面。从几何学中可知：锥体表面与轴向平面的交线为直线（即锥体的母线）但平行轴线的任何平面与锥体表面的交线均为双曲线。
如果车刀刀尖位置在安装时过高或过低，在车削圆锥体或圆锥孔时，就会影响圆锥母线的直线度及圆锥角的误差。这个问题对于中小型卧式车床加工的工件影响还不明显。但对立式车床和大型车床上装刀时找正刀尖对准中心比较困难。另一方面，大型工件一般又以精车作为最后一道工序，产生的误差将直接影响产品质量。因此，加工大型工件时要特别注意装刀位置。
例如：车削圆锥时，用圆锥套规检查圆锥体，发现两端染色剂被擦掉，而中间则还留着；还发现锥体锥度与车床刀架扳转的角度无明显不符。上述情况的出现，通常都是由于车刀刀尖未对准工件中心，使车出的圆锥母线不直，形成双曲线误差，使车削后的圆锥工件锥度变小。
如图[b、c]所示，根据圆锥形成的原理可知，圆锥体的母线是一条直线，如果把一个标准圆锥体离开中心Δh处剖开时，其剖面形状为双曲线CDE，当车刀安装高于工件中心Δh时，车刀只有按双曲线CD轨迹移动，才能车出圆锥母线是直线的圆锥体，但这是不可能的。因为车刀纵向移动轨迹总是是直线，所以当车刀装得高于或低于工件中心Δh时，车出的圆锥体的母线必然是一条双曲线。
用数学公式推导，可以全面分析上述两种现象。由图d可知，假设车刀刀尖高于工件中心为h，车刀按斜角α作进给运动，从大端A点运动到Aˊ点移动的距离为x，工件上的斜直线AAˊ即是刀尖运动的轨迹。在平面图形AAˊBBˊ中，设车刀刀尖在大端A处与工件的垂直轴线之间的距离AB为b0，设车刀刀尖在小端Aˊ处与工件垂直轴线之间的距离AˊB′为bx，则bx=bo-xtgα又，从A至中心距离即工件大端半径r0= b02+h2，从Aˊ至中心距离即小端半径rx= bx2+h2 。将上述各式代入rx函数式，则：
rx= bx2+h2
= ( b0-xtgα)2+h2
= b2+2b0xtgα+x2tg2α+h2
= r02+2b0xtgα+x2tg2α
rx的函数式是一个双曲线函数式，表示圆锥工作母线是一条双曲线。如果车刀刀尖正确对准圆锥工作中心，设小端半径为rx，其函数式rxˊ = r0-tgα是一个简单的线性函数式，表示圆锥母线是一条斜直线。由此可证明，当车刀刀尖装得不对中心时，将产生圆锥母线的直线度误差。
再比较下列两式：
rx =r02+2b0xtgα+x2tg2α
rx =r02+2r0xtgα+x2tg2α
∵b0< r0
∴rx> rxˊ
由此可证明，当车刀刀尖安装未对准工件中心时，将产生圆锥的工件锥度变小及小端直径增大的形状误差。
从理论上认识这一问题后，就应该严格保证车刀尖对准工件中心，从而克服工件母线直线度与锥度误差。
为了验证车刀安装高低对圆锥精度的影响，可作如下试验：
在CA6140型车床上，小滑板转动角度为10°，车刀安装位置比工件中心高出8mm，然后将一段棒料的外圆车成锥体。
当加工完成后，若发现锥体的中间凹，两端高，即锥体表面的素线不再是直线，而是曲线，说明锥体素线的直线度已产生较大误差。
继而验算锥度，测得锥体各部尺寸如下：
最大圆锥直径D=43.4mm；
最小圆锥直径d=26.4mm；
圆锥长度L=55mm；
则：tanα/2=（D-d）/2L=（43.4-26.4）/（2×55）=0.1545
经计算得到锥体实际圆锥半角α/2为8°47ˊ，而车削时小滑板板转角为10°，说明圆锥半角较调整数小了1°13ˊ。再比较最小圆锥直径，当α/2为10°时，测得最大圆锥直径为D=43.4mm，均符合要求，其最小圆锥直径应为24 .01mm（d=D-2L·tan10°），而现在最小圆锥直径d的实测尺寸为26.4mm，则说明最小圆锥直径增大了2.39mm。
由此可见，当车刀装得偏高或偏低车削圆锥时，将出现两个后果：
工件表面素线成为一条曲线，从而造成圆锥素线直线度误差。
工件锥度减小，最小圆锥直径增大，因而造成圆锥度误差及最小圆锥直径误差。
结束语：
车刀的安装在加工中有着重要的位置，它影响加工过程中的各个角度，被加工零件的尺寸、形状等。车刀的安装是在每一次车削加工之前，所以我们必须提高车刀安装时位置的重视，提高车刀安装时的位置精度，这样可以减少加工过程中的一些不必要的误差，提高被加工零件的精度，提高生产率。
以上是我个人对车刀安装位置所产生影响的认识，恳请各位专家给予指正，提出宝贵意见。
参考文献：
1.《车工技师培训材料》.机械工业出版社
关于车刀安装位置的探讨.doc
