一種小孔孔內(nèi)徑向弧形槽加工專用刀排設(shè)計(jì)

楊建新，張松生，楊忠華

（1.江蘇大學(xué)機(jī)電總廠，江蘇 鎮(zhèn)江 2120132.海安職業(yè)教育中心，江蘇 海安 226600）

工廠接到一批科研加工試制任務(wù)，在具體加工時(shí)存在很多工藝問題需要解決。其中一種內(nèi)孔直徑為Φ 31.6 mm的閥套，在其內(nèi)孔中，需要在內(nèi)徑上加工12個(gè)R 8.5 mm寬0.45 mm的等分圓弧槽（見圖1）。因受工件孔徑尺寸的限制，加工方法成為試制的難題。

圖1 閥套

在國(guó)內(nèi)機(jī)械制造行業(yè)生產(chǎn)中，至今尚未找到較合適的專機(jī)來進(jìn)行加工。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家都采用小排孔結(jié)構(gòu)，其性能會(huì)受到一定的影響，國(guó)外如日本、韓國(guó)的廠家均采用專業(yè)機(jī)床進(jìn)行加工，其生產(chǎn)效率高、加工品質(zhì)好。

由于科研試制任務(wù)批量較小（僅為10套左右），進(jìn)口專用機(jī)床進(jìn)行加工雖然可以順利地完成科研試制任務(wù)，但是顯然不合實(shí)際。為此，經(jīng)過多次論證和試驗(yàn)，我們自行設(shè)計(jì)了專用刀排，利用標(biāo)準(zhǔn)刀具，在現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工，取得了較為滿意的效果。

1 加工方法

為保證加工品質(zhì)，經(jīng)研究決定，將銑槽工序放在加工中心上加工。用數(shù)控分度頭進(jìn)行12等分的分度，自行設(shè)計(jì)專用刀排加工小孔內(nèi)0.45 mm寬的弧形槽。

零件工藝分析：加工件名稱為閥套，材質(zhì)為20GrMnTi，表面滲碳淬火處理。零件粗車后進(jìn)行正火處理，以消除粗加工產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，并為后續(xù)的表面滲碳淬火處理做好材料組織準(zhǔn)備。熱處理后，對(duì)零件內(nèi)外圓表面進(jìn)行精車，精車工序在整個(gè)零件加工中屬半精加工，要求為精車加工留適當(dāng)?shù)募庸び嗔浚槠溆啾砻娴募庸ぬ峁┚_的定位面。所以將零件的內(nèi)外圓表面各留0.4 mm的精加工余量，因要作為其余表面的定位面，公差都定為0.02 mm。銑閥套內(nèi)孔0.45 mm槽時(shí)，以工件外圓定位，用數(shù)控分度頭分度加工，三爪卡盤夾緊。其余加工工序?yàn)闈B碳、淬火、回火、磨內(nèi)孔、配磨外圓等。

2 刀排設(shè)計(jì)

2.1 刀具選擇

所加工槽為內(nèi)孔圓弧槽，圓弧半徑R 8.5 mm，槽深0.45 mm，槽長(zhǎng)11 mm。刀具圓弧半徑必須小于或等于工件圓弧槽的半徑，刀寬也要小于或等于工件的槽寬。查相關(guān)手冊(cè)，有寬度0.45 mm、直徑Φ 16 mm、孔徑Φ 6 mm的切口銑刀（見圖2），刀片材質(zhì)為硬質(zhì)合金。刀寬正好與工件槽寬一致，這樣就可一次進(jìn)刀加工出槽寬，刀具圓弧半徑為R8 mm略小于工件圓弧半徑R 8.5 mm，可在加工中心上采用數(shù)控程序，以得到保證。

2.2 刀排傳動(dòng)方案選擇

銑加工內(nèi)孔圓弧槽，刀具的旋轉(zhuǎn)中心在圓弧槽的上方，主切削動(dòng)力必須通過一定的方式傳遞到刀具在內(nèi)孔的旋轉(zhuǎn)中心。

圖2 切口銑刀

有兩種傳遞方案可供選擇：一是采用帶傳動(dòng)，二是采用齒輪傳動(dòng)。

因刀具在零件內(nèi)孔加工，空間小皮帶較難選擇，張緊困難，加切削液后會(huì)產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，所以帶傳動(dòng)沒有被采用。

齒輪工作可靠、傳動(dòng)比穩(wěn)定，體積小，壽命較長(zhǎng)，傳動(dòng)效率高，加切削液后不會(huì)影響傳動(dòng)效率。最終選擇了齒輪傳動(dòng)。

2.3 刀排方案設(shè)計(jì)

刀具從內(nèi)孔切入工件，最大切深2.7 mm（見圖3），這時(shí)刀具的旋轉(zhuǎn)中心距離零件內(nèi)孔表面5.3 mm，所以刀體的最下端距離刀具回轉(zhuǎn)中心的尺寸要小于5.3 mm，經(jīng)作圖確定為4.5 mm。

圖3 刀體結(jié)構(gòu)布置

刀體伸入零件內(nèi)孔部分尺寸，受閥套孔徑Φ 31.6 mm尺寸和最大切深2.7 mm限制，最終確定為總寬13.8 mm，總高22 mm。伸入部分的刀體及其他零部件，都要控制在該尺寸范圍內(nèi)，并且要保證切削時(shí)有足夠的剛度。

2.4 刀片的安裝

刀片在刀墊上定位安裝在刀軸上，置于刀體的中間槽中，兩端用微型深溝滾動(dòng)軸承支承（見圖4）。為使刀具磨損后便于更換，將刀軸設(shè)計(jì)為分體式，一端與傳動(dòng)齒輪為一體的齒輪軸，另一端做成既可以徑向定位又可以軸向壓緊的壓緊軸。

圖4 刀軸部分結(jié)構(gòu)圖

在安裝刀片時(shí)，首先松開螺釘向右移動(dòng)壓緊軸（壓緊軸外徑與軸承內(nèi)徑保證0.005～0.01 mm的間隙），將刀片放在刀墊上，向左移動(dòng)壓緊軸將刀片靠在刀墊臺(tái)階面上，然后壓緊螺釘將刀具鎖緊。

2.5 傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)

由于刀體結(jié)構(gòu)狹小，同時(shí)要保證刀體有一定的強(qiáng)度，刀體除安裝刀片部分中間鏤空外，其余部分做成實(shí)體結(jié)構(gòu)，這樣，傳動(dòng)齒輪只能安裝在刀體的一側(cè)面。

刀具采用齒輪來傳遞動(dòng)力，由于結(jié)構(gòu)限制（見圖3），小齒輪在厚度為3 mm的情況下最大外徑為Φ 8 mm，齒輪的內(nèi)側(cè)還要保證有Φ 6 mm的臺(tái)階，這樣全齒高要小于1 mm，查標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)最大只能為m=0.4，則當(dāng)齒數(shù)Z為18齒時(shí)，外徑為Φ 8 mm。

D1=m×(z1+2)=0.4×(18+2)=8 mm

由于小齒輪外型較小，工作時(shí)在閥套的內(nèi)孔中，受上述兩個(gè)因素的雙重限制，動(dòng)力不可能通過一級(jí)齒輪傳動(dòng)完成，必須在中間加一只過渡齒輪，這樣各齒輪和工件間就不會(huì)發(fā)生干涉（如圖3所示）。

切削時(shí)，過渡齒輪有約一半在零件孔內(nèi)，齒輪的大小不能超出結(jié)構(gòu)限制，經(jīng)作圖反復(fù)比較過渡齒輪外徑Φ 20 mm左右較合適。經(jīng)計(jì)算當(dāng)Z為50齒時(shí)，外徑為Φ 20.8 mm。

D2=m×(z2+2)=0.4×(50+2)=20.8 mm

兩齒輪中心距

主動(dòng)齒輪選擇和過渡齒輪一樣的齒數(shù)，則主動(dòng)齒輪和過渡齒輪的中心距為

各齒輪與軸做成一體，這樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連接強(qiáng)度高，制造方便，容易保證零件的形狀和位置公差及尺寸精度。

2.6 刀體與主軸箱的連接

首先必須保證刀體與主軸箱連接可靠，保證加工時(shí)的相對(duì)位置正確；其次要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。

刀體與主軸箱通過支架連接（見圖5），支架的上法蘭面利用主軸箱上原有的螺孔與主軸箱連接，下法蘭面與刀體連接。上下法蘭面間用3塊連接板連接，每塊板占1/6圓周，3塊板按三等分均布，這樣連接便于刀具的安裝和觀測(cè)支架內(nèi)各部件的連接情況，在加工制造時(shí)及裝配后，上下法蘭面要保證平行，這是刀具正確工作的必要條件。

圖5 刀體與加工中心主軸箱聯(lián)接圖

2.7 刀體傳動(dòng)部分與主軸的連接

刀體主動(dòng)齒輪軸安裝時(shí)與主軸同軸（見圖5），自上而下，首先在主軸內(nèi)孔中安裝BT40內(nèi)錐孔刀柄，該刀柄上端為7∶24圓錐面，用于和加工中心主軸錐孔配合。

下端內(nèi)孔為莫氏3#外錐的刀柄。刀柄和主動(dòng)齒輪軸用自制的莫氏錐柄連接，錐柄安裝在刀柄錐孔內(nèi)上端用螺釘?shù)蹙o，錐柄下端底部有一個(gè)Φ 10 mm的孔（孔與外錐面要求同軸），主動(dòng)齒輪軸的上端安裝于該孔中定位。錐柄下端伸出刀柄部分作出一個(gè)寬為6 mm的深槽，主動(dòng)齒輪軸的上端橫向安裝一個(gè)Φ 5 mm的圓柱銷（拔銷），圓柱銷安裝在刀柄槽內(nèi)用于傳遞動(dòng)力。刀柄槽較深，圓柱銷在軸向有圈較大的空間，可用于調(diào)整刀具在加工和安裝時(shí)的積累誤差。

3 結(jié)束語

經(jīng)切削加工，所設(shè)計(jì)制造的刀排完成了閥套內(nèi)孔圓弧槽的加工，解決了在較小內(nèi)孔中加工徑向圓弧槽的難題，加工品質(zhì)符合要求，順利地完成了該批零件的科研試制。

[1]儲(chǔ)曉猛，王 瀟.簡(jiǎn)易七孔鉆裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].工具技術(shù)，2011，45(1)：100-101.

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