小孔徑大深度長錐孔的刀具設(shè)計

發(fā)布日期：2012-08-29 蘭生客服中心瀏覽：4353

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1 前言

在通常情況下，大深度或小直徑內(nèi)錐孔都是采用成型鉸刀的方法加工。用刀具的幾何精度來保證被加工孔的精度.這一方法的致命弱點是精成型時必須是鉸刀刃口上的有效段全長接觸，切削抗力十分大，這就大大限制了用這種方法所能加工的錐孔長度。如果在加工較長的錐孔，刀具結(jié)構(gòu)所限定的強(qiáng)度又不允許一刀成型的情況下，只有采用分段加工，分段后每段加工技術(shù)是比較成熟的。對于待度要求高(主要指粗糙度)的內(nèi)錐孔，分段加工后的對接狀況是影響整個內(nèi)孔質(zhì)量的關(guān)鍵因素。對于對接處要求面與面的直線聯(lián)接，現(xiàn)階段機(jī)械加工水平根本無法達(dá)到。追求兩錐之間最大限度的平滑過渡具有重要的現(xiàn)實意義。

2 被加工件概述

YEPb二級輕氣炮是國內(nèi)一科研機(jī)構(gòu)制造的一種國防工業(yè)的重要科研設(shè)備.其中核心關(guān)鍵件是高壓段內(nèi)套，所要加工的內(nèi)錐孔如圖1所示。

圖1 高壓段內(nèi)套內(nèi)錐孔結(jié)構(gòu)

圖2 改進(jìn)后的內(nèi)錐孔結(jié)構(gòu)

從簡圖中可看出該孔屬于小內(nèi)徑(最小處為f25)，大深度，長內(nèi)錐孔.要將全長約536的8°內(nèi)錐孔加工成同角度的整體錐孔，在分廠現(xiàn)有加工條件下是無法實現(xiàn)的。

3 提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)健議

對該結(jié)構(gòu)的內(nèi)錐孔，從幾十年的加工經(jīng)驗、內(nèi)錐孔加工的技術(shù)儲備，咨詢有關(guān)專業(yè)廠家和業(yè)內(nèi)深孔專家，查閱有關(guān)內(nèi)錐孔技術(shù)情報等，均未找到有效可行的方法。于是根據(jù)分廠原來生產(chǎn)過的各種大炮內(nèi)膛結(jié)構(gòu)和工作原理，提出分段變角組合錐體結(jié)構(gòu)的建議。如圖2所示。這樣的結(jié)構(gòu)改進(jìn)不但未改變原零件的羞本性能，又提高了工藝性。

4 影響工件關(guān)鎮(zhèn)特性的要素

根據(jù)設(shè)計要求該零件的內(nèi)錐孔在工作時要承受800MPa以上的超高壓，據(jù)此錐孔加工后的粗糙度是一關(guān)性特性。粗糙度主要由光整加工來保證。而光整之前的錐孔成型質(zhì)量的好壞又直接影響到光整是否能符圖。

由此可見保證整個錐體RaO.4 的要求有兩個基本要點。一是每段錐精鉸后的粗糙度必須在Ra3.2～Ra1.6之間。二是要保證每段錐與錐相交必須是凸出的相交梭線，不得有凹陷的折線成階躍式臺階。后一點對以后的光整加工尤為重要。因為在對誰孔進(jìn)行光整拋磨時，凸出點總是被最先接觸，且接觸面積小，很容易被清除。如果是凹點，那么凹陷處總是最后接觸，要清除這個缺陷必須先清除所有比它高的面，顯而易見這是很困難的。如果是階躍式臺階，那么必須要將整個高出的臺階面消除才能達(dá)到平滑過渡。前述第一個要素從以往的經(jīng)驗證明是比較容易達(dá)到的，有成熟的技術(shù)作后盾，不是加工符圖的難點。所以能否保證在成型加工中任憊相鄰兩錐不出現(xiàn)凹折線和階躍式臺階就成為了能否保證最終加工符圖的關(guān)鍵。

用成型鉸刀加工的錐孔的實質(zhì)是用刀具的幾何精度來保證被加工孔的精度，成型刀具的幾何精度就成為制約所有因素的總根源。所以刀具設(shè)計就圍繞錐與錐相接只允許出現(xiàn)凸出棱線，避免出現(xiàn)凹折線和階躍臺階這個主題進(jìn)行。

5 提出刀具設(shè)計的對策

首先在結(jié)構(gòu)改進(jìn)時將錐體的錐角變化設(shè)置為隨孔徑減小成遞減分布的組合錐，從結(jié)構(gòu)上保證相鄰錐體相接不會出現(xiàn)凹折線。其次再分析兩錐對接產(chǎn)生階躍式臺階的原因。因是分段加工，每段加工是否同軸直接決定了是否產(chǎn)生臺階。前后二錐同軸度的高低決定了相接處臺階的大小。要保證高的同軸度，必須解決刀具的定位精度和剛性間題，它側(cè)重于輔具的設(shè)計，在此不作贅述。再則，定位精度，剛性再高也有一定的公差范圍，也就是有一定的不可忽視的累積誤差，從這點講分段越少越好.但是分段的多少又取決于刀具一次最大加工長度，一次最大加工長度又取決于刀具和被加工零件材質(zhì)的強(qiáng)度組合，也受制于刀、輔具的結(jié)構(gòu)形式。

根據(jù)工廠現(xiàn)有能力和產(chǎn)品合同期僅150天的客觀條件，選用成型錐度樣板刀是最可行的加工方式。成型誰度祥板刀用合金工具鋼制造。采用合金工具鋼加工材質(zhì)為PCrNi3MoV-P-85的工件。工廠有較豐富的經(jīng)驗。再結(jié)合被加工孔徑所可能采用的工具頭結(jié)構(gòu)，最后確定將原8°錐分為四段結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

從錐孔結(jié)構(gòu)不難看出，相鄰兩錐孔的對接質(zhì)量受制于徑向、軸向兩個坐標(biāo)的影響。成型樣板刀的直徑是影響徑向坐標(biāo)的因素。主要是加工過程中的磨損使徑向因素發(fā)生變化。刀具的軸向進(jìn)給是軸向坐標(biāo)，主要是由機(jī)床的精度決定，加工中軸向進(jìn)給的準(zhǔn)確性，多次反復(fù)退、進(jìn)刀的復(fù)位精度，使軸向因素發(fā)生變化。

因此先分析軸向進(jìn)給對相鄰兩錐對接質(zhì)量的影響。對接處的成型由相鄰兩錐處小錐鉸刀的大徑和大錐鉸刀小徑產(chǎn)生.遠(yuǎn)端的大錐鉸刀大徑和小錐鉸刀小徑與相鄰錐對接成型無關(guān)，所以不予考慮。根據(jù)設(shè)計的多種組合錐加工的工藝方案，最后經(jīng)多次論證決定采用由大孔方向進(jìn)刀由小錐至大錐方向后退加工的工藝方案。在這種工藝方案條件下來討論相鄰兩錐的對接情況。

在此先對有關(guān)尺寸和術(shù)語作如下的約定:

大錐鉸刀小徑—Ø₁；大錐鉸刀大徑—Ø₂；

小錐鉸刀大徑—Ø₃；小錐鉸刀小徑—Ø₄；

大錐錐角—2g；小錐錐角—2q；

大小錐分段處名義軸向尺寸—A；大小錐分段處名義徑向尺寸—Ø；

大小誰相接時名義分段直徑實際軸向進(jìn)給值—A'；

軸向進(jìn)給正位—A'=A時;

軸向進(jìn)給過位—A'>A時;

軸向進(jìn)給欠位—A'

假設(shè)小錐校刀大徑與大錐鉸刀小徑都等于名義分段直徑，即Ø₁=Ø₃=Ø

如果先加工小錐后加工大錐，大錐鉸刀軸向?qū)嶋H進(jìn)給值A(chǔ)'等于大小錐名義軸向分段尺寸A,即進(jìn)給為正位，也即A'=A時，那么就形成YY'H輪廓線(相交時的組合錐母線)，這是最理想的，見圖3。

圖3 Ø₁=Ø₃=Ø時兩錐相交的組合錐母線示意圖
如果 A'>A，也即A'=A+D，那么就形成ZZ'MH輪房線，這樣就在大小錐面間產(chǎn)生一個小錐高于大錐面Osing值的臺階。
同理如果A'D,就會形成XX'Y'H輪廓線，在大小錐面間產(chǎn)生一個大錐高于小錐面D·sing值的臺階。

上述的D值實際就是軸向進(jìn)給誤差，它產(chǎn)生了對刀誤差和軸向尺寸測量誤差。這兩種誤差都是不可避免的。根據(jù)經(jīng)驗對刀誤差在±0.05左右，軸向尺寸測量誤差在±0.5左右。按最小錐角的ⅡⅣ相交處g=3°50'，最大累積D值為0.55計。臺階值=0.55×sin3°50'=0.037，這意味著在后續(xù)的光整加工中要將110長的Ⅱ錐或90長的Ⅳ錐整體單面消除近0.04,難度較大。而小直徑大深度的光整加工本身就是一個大難題。所以這樣的對接形式是不行的。

仔細(xì)分析上面的間題，產(chǎn)生對接臺階是因為小錐鉸刀大徑和大錐校刀小徑相等，決定了大小錐相交是一個固定點。從前面分析可知要保證兩錐相交線是一凸出梭線，那么交點既可以在已加工的小錐腳線上，也可以交在擬成型的大錐廓線上。如果考慮延長小錐大徑刃線或大錐小徑刃線就可以使交點落在延長的刃口軌跡上。而延長的刃線在軸線上有一投影長度，這個長度即是允許軸向進(jìn)給的誤差。

假設(shè)小錐校刀大徑增大一個DØ值(也可以折算成大徑端刃口延長一個DL值)。

即Ø₃=Ø+DØ

如果A'=A，將形成YY'M廓線，保證大小錐相交是凸棱線，見圖4。

圖4 Ø₃=Ø+DØ大小錐相交形成凸棱線示意圖

Ø₁—大錐鉸刀小徑 Ø—大小位分段直徑
Ø₃—小錐鉸刀大徑 Ø₂—大錐鉸刀大徑
A—大小錐分段處的名義軸向尺寸
+D—大錐鉸刀在小端直徑有余量Ø-Ø₁條件下允許大錐鉸刀對A值軸向進(jìn)給過位量
-D—在小錐鉸刀大端有直徑余量Ø₂-Ø條件下允許大錐鉸刀對A值軸向進(jìn)給欠位量
圖5 大錐對小錐的及蓋及加工時對軸向進(jìn)給誤差的計算

圖6 精鉸刀片結(jié)構(gòu)圖

如果A'=A+D,，將形成ZZ'MH廓線，大小錐間產(chǎn)生一個小錐高于大錐面Dsing的臺階。
如果A'=A-D，將形成XX'H廓線，也保證了大小錐相交是凸棱線，只是較A'=A相比交點由Y'移至X'，即在小錐鉸刀大徑刃口延長線上。由此可見只要延長了兩錐相交小錐鉸刀大徑就允許后加工(大錐)的軸向進(jìn)給有一個小于名義分段軸向尺寸的誤差值(-D)。

同理也可以推導(dǎo)如果延長相鄰錐大錐鉸刀小端刃口長度就允許后加工(大錐)的軸向進(jìn)給有一個大于名義軸向分段尺寸的誤差值(+D)。

如果將2,3合并那么就會產(chǎn)生一個允許的軸向進(jìn)給的雙向公差值.更方便了加工，降低了加工難度(見圖5)。

正負(fù)D值由下式求得:

-D=	Ø₃-Ø	(	tgg-	tgq	)

	2		tggtgq

(1)

-D=	Ø-Ø₂	(	tgg-	tgq	)

	2		tgqtgg

(2)

由此得出結(jié)論，在不等錐條件下，保證相鄰兩錐相接只產(chǎn)生凸出的梭線必須滿足:3-Ø)/2

②允許軸向進(jìn)給過位只與大錐小端余量有關(guān):即(Ø-Ø₁)/2

從另一方面講延長了鉸刀的大小端尺寸，也就增大了結(jié)構(gòu)，這與分段加工的初衷是矛盾的—即最大限度地利用刀具強(qiáng)度增加每段加工長度，減少分段數(shù)。但是如果根據(jù)前面提到的軸向進(jìn)給經(jīng)驗誤差，計算要予留的刃口長度。這個值不會超過原分段長度的10%。從強(qiáng)度富余量上講基本上可行。

再分析刀具磨損—徑向因素改變，對相鄰兩錐對接形成的影響。刀具磨損直徑只能是減小，且大小徑都要減小。如前面已分析那樣，如果對還有下一小錐的錐(比如Ⅱ錐下面還有Ⅳ錐)來講，就是大錐小徑的減小，反而有利于增加允許過位量(＋D)，不會增加產(chǎn)生臺階傾向。但是大端大徑的減小對于還有上一大錐(比如Ⅱ錐上面還有Ⅰ錐)來講就是小錐大徑的減小，它就減小了加工上一大錐(比如Ⅲ錐過后再加工Ⅱ錐)的軸向許用欠位最(-D)。其減小程度舉例分析。

按圖2選取兩端都有相鄰錐的Ⅲ錐刀片為例。按(1)、(2)公式進(jìn)行計算分析。

Ⅲ錐與Ⅱ錐相鄰時g=4°10'，q=3°50'，Ø=51.673，將數(shù)據(jù)代入軸向欠位量-D計算公式:

-D=	Ø₃-Ø	(	tgg-	tgq	)

	2		tg²g

設(shè)(tgg-tgq)/tg²g=M，Ø₃-Ø=DØ

-D=DØ/2·M代入數(shù)值
則有-D≈0.55DØ≈½DØ

由此可看出許用軸向欠位的變化量只有刀具直徑變化量的一半。刀具的磨攝量一般是較小的，故刀具磨損引起的軸向欠位減小是很微弱的。如果工藝上按設(shè)計許用值的2/3控制，即將0.55控制在2/3×O.55=0.367，那么1/3欠位的保險值為0.18，折算為刀具大端直徑減小量就是0.33,就是說實際欠位量按設(shè)計值的2/3控制，刀具大端磨損0.33(直徑)是無妨的。況且軸向進(jìn)給已是按雙向誤差設(shè)計。故工藝上有意適當(dāng)減小軸向進(jìn)給的欠位偏差也并不困難。另外，如前所述刀片整體磨損后過位偏差可以增大，它可以彌補(bǔ)欠位偏差的減小，使得整個軸向進(jìn)給公差帶并未減小。最后還可以采用粗、精鉸分開，盡量減少精鉸量，減少精刀片的磨損提高成型質(zhì)量。這些措施都能非常有利地保證相鄰兩錐的正確相接。

綜合以上分析，保證相鄰兩錐相接只出現(xiàn)凸棱線的關(guān)鍵在于正確設(shè)置錐度成型樣板刀的大小錐兩端的刃口富余量和精確控制軸向進(jìn)給尺寸(與刀具磨損量關(guān)系較小)。

在實際加工中，因刀具磨損重新刃磨后可重新復(fù)檢各錐校刀的大小端尺寸，而根據(jù)(1),(2)過、欠位公式不斷調(diào)整量D值。就能保證相鄰兩錐相接只出現(xiàn)凸棱線。這是因為名義分段尺寸A量不是很重要，它是根據(jù)工藝需要任意設(shè)定的，并非產(chǎn)品設(shè)計值，這就給工藝一個很大的自由空間。