一种小孔孔内径向弧形槽加工专用刀排设计

2011-06-23杨建新张松生杨忠华

装备制造技术 2011年12期

杨建新，张松生，杨忠华

（1.江苏大学机电总厂，江苏镇江 2120132.海安职业教育中心，江苏海安 226600）

工厂接到一批科研加工试制任务，在具体加工时存在很多工艺问题需要解决。其中一种内孔直径为Φ 31.6 mm的阀套，在其内孔中，需要在内径上加工12个R 8.5 mm宽0.45 mm的等分圆弧槽（见图1）。因受工件孔径尺寸的限制，加工方法成为试制的难题。

图1 阀套

在国内机械制造行业生产中，至今尚未找到较合适的专机来进行加工。国内生产厂家都采用小排孔结构，其性能会受到一定的影响，国外如日本、韩国的厂家均采用专业机床进行加工，其生产效率高、加工品质好。

由于科研试制任务批量较小（仅为10套左右），进口专用机床进行加工虽然可以顺利地完成科研试制任务，但是显然不合实际。为此，经过多次论证和试验，我们自行设计了专用刀排，利用标准刀具，在现有的数控机床上进行加工，取得了较为满意的效果。

1 加工方法

为保证加工品质，经研究决定，将铣槽工序放在加工中心上加工。用数控分度头进行12等分的分度，自行设计专用刀排加工小孔内0.45 mm宽的弧形槽。

零件工艺分析：加工件名称为阀套，材质为20GrMnTi，表面渗碳淬火处理。零件粗车后进行正火处理，以消除粗加工产生的内应力，并为后续的表面渗碳淬火处理做好材料组织准备。热处理后，对零件内外圆表面进行精车，精车工序在整个零件加工中属半精加工，要求为精车加工留适当的加工余量，并为其余表面的加工提供精确的定位面。所以将零件的内外圆表面各留0.4 mm的精加工余量，因要作为其余表面的定位面，公差都定为0.02 mm。铣阀套内孔0.45 mm槽时，以工件外圆定位，用数控分度头分度加工，三爪卡盘夹紧。其余加工工序为渗碳、淬火、回火、磨内孔、配磨外圆等。

2 刀排设计

2.1 刀具选择

所加工槽为内孔圆弧槽，圆弧半径R 8.5 mm，槽深0.45 mm，槽长11 mm。刀具圆弧半径必须小于或等于工件圆弧槽的半径，刀宽也要小于或等于工件的槽宽。查相关手册，有宽度0.45 mm、直径Φ 16 mm、孔径Φ 6 mm的切口铣刀（见图2），刀片材质为硬质合金。刀宽正好与工件槽宽一致，这样就可一次进刀加工出槽宽，刀具圆弧半径为R8 mm略小于工件圆弧半径R 8.5 mm，可在加工中心上采用数控程序，以得到保证。

2.2 刀排传动方案选择

铣加工内孔圆弧槽，刀具的旋转中心在圆弧槽的上方，主切削动力必须通过一定的方式传递到刀具在内孔的旋转中心。

图2 切口铣刀

有两种传递方案可供选择：一是采用带传动，二是采用齿轮传动。

因刀具在零件内孔加工，空间小皮带较难选择，张紧困难，加切削液后会产生打滑现象，所以带传动没有被采用。

齿轮工作可靠、传动比稳定，体积小，寿命较长，传动效率高，加切削液后不会影响传动效率。最终选择了齿轮传动。

2.3 刀排方案设计

刀具从内孔切入工件，最大切深2.7 mm（见图3），这时刀具的旋转中心距离零件内孔表面5.3 mm，所以刀体的最下端距离刀具回转中心的尺寸要小于5.3 mm，经作图确定为4.5 mm。

图3 刀体结构布置

刀体伸入零件内孔部分尺寸，受阀套孔径Φ 31.6 mm尺寸和最大切深2.7 mm限制，最终确定为总宽13.8 mm，总高22 mm。伸入部分的刀体及其他零部件，都要控制在该尺寸范围内，并且要保证切削时有足够的刚度。

2.4 刀片的安装

刀片在刀垫上定位安装在刀轴上，置于刀体的中间槽中，两端用微型深沟滚动轴承支承（见图4）。为使刀具磨损后便于更换，将刀轴设计为分体式，一端与传动齿轮为一体的齿轮轴，另一端做成既可以径向定位又可以轴向压紧的压紧轴。

图4 刀轴部分结构图

在安装刀片时，首先松开螺钉向右移动压紧轴（压紧轴外径与轴承内径保证0.005～0.01 mm的间隙），将刀片放在刀垫上，向左移动压紧轴将刀片靠在刀垫台阶面上，然后压紧螺钉将刀具锁紧。

2.5 传动部分设计

由于刀体结构狭小，同时要保证刀体有一定的强度，刀体除安装刀片部分中间镂空外，其余部分做成实体结构，这样，传动齿轮只能安装在刀体的一侧面。

刀具采用齿轮来传递动力，由于结构限制（见图3），小齿轮在厚度为3 mm的情况下最大外径为Φ 8 mm，齿轮的内侧还要保证有Φ 6 mm的台阶，这样全齿高要小于1 mm，查标准模数最大只能为m=0.4，则当齿数Z为18齿时，外径为Φ 8 mm。

D1=m×(z1+2)=0.4×(18+2)=8 mm

由于小齿轮外型较小，工作时在阀套的内孔中，受上述两个因素的双重限制，动力不可能通过一级齿轮传动完成，必须在中间加一只过渡齿轮，这样各齿轮和工件间就不会发生干涉（如图3所示）。

切削时，过渡齿轮有约一半在零件孔内，齿轮的大小不能超出结构限制，经作图反复比较过渡齿轮外径Φ 20 mm左右较合适。经计算当Z为50齿时，外径为Φ 20.8 mm。

D2=m×(z2+2)=0.4×(50+2)=20.8 mm

两齿轮中心距

主动齿轮选择和过渡齿轮一样的齿数，则主动齿轮和过渡齿轮的中心距为

各齿轮与轴做成一体，这样结构简单，连接强度高，制造方便，容易保证零件的形状和位置公差及尺寸精度。

2.6 刀体与主轴箱的连接

首先必须保证刀体与主轴箱连接可靠，保证加工时的相对位置正确；其次要结构简单，制造方便。

刀体与主轴箱通过支架连接（见图5），支架的上法兰面利用主轴箱上原有的螺孔与主轴箱连接，下法兰面与刀体连接。上下法兰面间用3块连接板连接，每块板占1/6圆周，3块板按三等分均布，这样连接便于刀具的安装和观测支架内各部件的连接情况，在加工制造时及装配后，上下法兰面要保证平行，这是刀具正确工作的必要条件。

图5 刀体与加工中心主轴箱联接图

2.7 刀体传动部分与主轴的连接

刀体主动齿轮轴安装时与主轴同轴（见图5），自上而下，首先在主轴内孔中安装BT40内锥孔刀柄，该刀柄上端为7∶24圆锥面，用于和加工中心主轴锥孔配合。

下端内孔为莫氏3#外锥的刀柄。刀柄和主动齿轮轴用自制的莫氏锥柄连接，锥柄安装在刀柄锥孔内上端用螺钉吊紧，锥柄下端底部有一个Φ 10 mm的孔（孔与外锥面要求同轴），主动齿轮轴的上端安装于该孔中定位。锥柄下端伸出刀柄部分作出一个宽为6 mm的深槽，主动齿轮轴的上端横向安装一个Φ 5 mm的圆柱销（拔销），圆柱销安装在刀柄槽内用于传递动力。刀柄槽较深，圆柱销在轴向有圈较大的空间，可用于调整刀具在加工和安装时的积累误差。