转轮式车刀高度调节装置的结构设计

王景磊，赵成功，贾石瑀，王虎，曹先钊，杨琦

内蒙古工业大学 内蒙古呼和浩特 010051

1 序言

在车削加工中，车刀的刀尖要与被加工工件的中心轴线等高，这样可以保证在车削过程中刀尖始终与工件外表面的最高点接触。如果刀尖高于或低于工件中心轴线，既容易损坏车刀，也会造成较大的加工误差，影响产品的加工质量。因此，车刀高度调节装置是保证车床加工精度系列装置中的一个重要组成部分，也是工程技术人员要重点研发的一种车床附件。

2 相关产品的特点

为了调节车刀的高度，工程技术人员设计研发出各种类型的调高装置并成功应用于普通车床和数控车床上，部分产品获得了较好的使用效果。按照此类产品研发和使用的时间顺序，车刀调高装置可以分为传统型和改进创新型两大类，其特点分析如下。

传统型车刀高度调节装置为垫刀片，调高方法为垫刀片叠加法。使用垫刀片调节车刀高度的优缺点均十分明显，其优点是垫刀片易制备，制造和使用成本低，垫刀片的适用性较强，一直被大量使用；其缺点是垫刀片无固定的规格，使用时互换性差，使用垫刀片调节车刀高度时需要消耗大量的准备和调节时间，极大地影响工作效率；另外，如果垫刀片的叠加层数较多，就会直接影响车刀的稳定性，在加工中易出现车刀的滑移和振动，严重影响加工精度，甚至会引发安全事故。

改进创新型车刀高度调节装置主要是通过设计简单巧妙的机械结构来实现调高的功能，目前较为成熟的结构有螺钉式和推进式两大类。

螺钉式车刀高度调节装置是对垫刀片调高的一种结构改造，原理是在固定的单一垫刀片下方设计两个对称的并可安装螺钉的固定块，通过转动螺钉使垫刀片的高度发生上下变化，实现车刀调高的功能[1，2]。其优点是调节精度远高于传统的垫刀片叠加。调节高度的变量可以通过计算螺钉的旋转角度获得，而无需使用多层垫刀片进行叠加。其缺点是装置稳定性不高。因为调高时必须保证两侧的螺钉高度一致，为了确保两侧螺钉的高度误差不超过规定范围，需要对螺钉进行校正，否则就会导致车刀的振动和偏移。

推进式车刀高度调节装置采用两个以斜面相配合的楔形滑块来实现高度调节，上方滑块承载车刀，下方滑块可以在螺钉的推动下实现滑动，上下两滑块的配合斜面接触位置不同，对应的车刀高度也不同[3-5]。其优点是调节精度高，可以实现车刀高度的连续变化，稳定性比螺钉式调高装置更好，调高精度可以通过设计合理的斜面倾角来获得。其缺点是滑块行程不能很长，两滑块的斜面接触面积越小，装置的整体稳定性就越差，因此装置的外形尺寸会受到极大限制，适用性不高。

综上所述，通过设计机械结构来实现车刀高度调节，此结构具有灵活性强、调节精度和工作效率高等显著特点，是此类装置研发的主流方向。

3 结构设计

本设计为一种转轮式车刀高度调节装置，由连杆、支架、主动轮、凸轮台、垫刀块、刀架壳体和紧固螺钉等组成，其结构如图1、图2所示。刀架壳体上设计有内螺纹孔，用于紧固车刀和垫刀块；刀架壳体右侧的壁板与凸轮台紧密贴合，用于对凸轮台实现定位和支撑。凸轮台上设计有外凸型的圆弧轮廓，用于与垫刀块上的内凹型圆弧轮廓形成精密配合。垫刀块用于承载车刀，其圆弧段设计有1个小圆孔，用于与连杆配合。主动轮用于输出转矩，主动轮依靠轮轴由支架支撑，主动轮上同样设计有1个小圆孔，用于与连杆配合。连杆将主动轮和垫刀块连接起来，用于传递转矩。

图1 整体装配结构

图2 部件拆分结构

4 工作原理

主动轮、凸轮台和垫刀块上的圆弧被设计为同心圆结构。主动轮在支架上转动，其输出的转矩经由连杆传递给垫刀块，此时垫刀块将环绕凸轮台上的外圆弧转动，由于主动轮、凸轮台和垫刀块三者为同心圆结构，所以垫刀块转动的角度与主动轮相同。车刀安装于垫刀块上，随着垫刀块的转动，车刀刀尖的高度将发生变化。当调节车刀刀尖与工件中心轴线等高后，将垫刀块紧固螺钉拧紧以固定垫刀块的角度和位置。两个车刀紧固螺钉的轴线关于主动轮的圆心对称，在拧紧垫刀块紧固螺钉后，再拧紧两个车刀紧固螺钉，以固定车刀，并实现车刀的力矩平衡。

车刀刀尖的高度值与主动轮的转动角度值服从的数学关系为：

式中，y是车刀刀尖的高度值（mm）；r是主动轮的半径（mm）；θ是主动轮转过的角度；A是y与rsinθ间的关联系数。

实际使用时只需要调节主动轮的转动角度，就可以计算出车刀刀尖的准确高度。

5 结束语

本装置的结构完全不同于之前的同类产品，可以实现对车刀高度的连续调节，具有使用简单灵活，调节精度和效率高、适用性强以及维修保养成本低等优点。使用本装置需要设计与其相配套的刀架，另外考虑到使用稳定性的要求，此装置不适宜承受较大的切削力和冲击。在未来的优化中，如何实现此装置的小型化和进一步提高其稳定性是值得重点研究的。