基于滑块、滑杆切削装置的专项设计与研究

张洪涛

（洛阳理工学院机械工程系，河南洛阳 471023）

1 问题的提出

随着经济发展和市场需求变化，产品更新节奏明显加快，大批量生产方式逐渐被“多品种、小批量”的生产方式所取代。因此在现代企业生产中，如何充分利用现有资源满足生产的需求，已经是众多企业必须面对的问题。在实际生产中，被加工零件的型面是多种多样的，其中不少“箱体类”零件需涉及孔内环槽、孔端面的加工，即有“特殊工艺”加工需求（如图1所示）。通常在单件、少量生产中，这种“特殊工艺”常用“通用机床”（如镗削类机床）加工，生产效率低，成本高;而在大量生产中，采用“专用机床”（如组合机床）加工这些“特殊工艺”，但是这类机床仅适用于“单一”的零件加工。但如果面对“多品种、小批量”的生产，无论通用机床还是专用机床，均不适用。

为了合理地利用好企业现有资源，满足这些“特殊工艺”需求，本文设计的滑块、滑杆装置可使切削刀具产生附加垂直于轴线的径向移动，从而实现径向切削。该装置不但适用于通用机床（摇臂钻床、镗床、铣床）的生产，扩大了机床的加工范围，提高了机床的利用率及生产率，而且还适用于专用机床，降低了机床自身结构的复杂性，减少了设备制造的投资，有较广的适用性和良好的市场前景。

2 工作原理

2.1 滑块径向切内孔环形槽装置

图2所示为装置的结构原理图，是用于切削内孔环形槽机构径向进给装置。其工作原理以钻床加工为例，加以说明:通过浮动卡头（即装置与机床主轴的联接器），钻床主轴带动切孔内环形槽滑块装置工作。当机床主轴转动前进时，该装置整体随机床主轴做轴向移动和绕轴线的旋转运动。在切槽刀到达预定要加工槽轴向位置时，装置中的滚珠3顶在顶铁1的端面，此时钻床主轴继续沿轴向进给，推杆5和滑块9已不再沿主轴轴线方向移动，但此时本体6则还随主轴继续沿轴向移动，因此滑块9在本体6的斜槽的斜面的作用下，两者产生相对移动，此时刀尖实现径向进刀运动，开始孔内环形槽的切深加工。当孔内环形槽的切深加工完毕后，在钻床主轴沿轴向退回过程的初期，本体6随主轴一起轴向移动，此时，在弹簧10力的作用下，滑块9并没有产生随机床主轴的轴向移动，却使滑块与本体两者之间再次相对移动，实现刀具径向退刀运动，然后再同刀杆一起沿轴向退回，完成整个切槽的加工过程。

2.2 滑杆径向内孔环形槽的切削装置

2.2.1 窄环形槽滑杆式的切削装置

图3所示装置为窄环形槽的滑杆式切削装置，主要是用于切削内孔环形槽及孔端面。以通用钻床加工为例，对其装置的工作原理加以说明:该装置是通过外接的套筒卡头（联接器）与机床主轴相连接，进而整个装置工作的。工作初期，装置中的滑杆3、切槽刀1及滑杆导套2随主轴同时做两种运动，即绕轴线的旋转运动和沿轴向直线移动，随着机床主轴轴向移动，当装置中的切槽刀达到了预定要加工内环形槽的轴向位置时，装置中的限位滚珠5此时正好顶在夹具导向套4的端面，随后机床主轴继续沿轴线方向进给，装在滑杆3上的切槽刀确已不再沿轴线方向移动了，但滑杆导套2则还继续随主轴沿轴向移动，在滑杆导套2斜孔的作用下，滑杆3在斜孔中产生相对滑动，进而切槽刀实现径向位移，开始切削环形槽。值得注意的是，在切削槽深的过程中，滑动杆在滑杆导套两者之间不仅产生了相对移动，而且还通过装置尾端的调压螺堵8压缩了弹簧7。

在孔内环形槽深度尺寸加工完毕后，在机床主轴在轴向退回初期，滑杆导套2随主轴一起轴向移动，但在压缩弹簧7的作用力下，此时，滑动杆没有轴向移动，而是在两者之间（滑动杆导套与滑动杆）再次产生相对位移，切槽刀实现先沿径向退刀，然后再沿轴向退回，完成切环形槽的的全部加工过程。从装置的结构上看，显然它仅适用于图1a所示切削比较窄的环形槽，如零件的孔“内卡”环槽等的加工。

2.2.2 轴向移动径向宽式环形槽的切削装置

显然，图1b所示的内孔环槽宽尺寸大于切槽刀的刀宽度时，再用图3所示装置加工就不适宜了。要切削此类较宽环形槽，只要在图3所示装置结构基础上稍作改动，即可实现这类宽环形槽的加工，改动后其装置结构如图4所示。从两者的结构图可知，两者不同之处就在于，图4所示装置不仅使刀具产生径向移动，而且切槽达到深度后，还可再次轴向移动，完成环形槽宽度的加工。

对比图3与图4可知，两者在基本结构与工作原理上，均有不少相似之处，因而，图4装置使用过程中，工作过程的前部大体与图3所示装置工作过程一样。首先两装置的刀具到达切槽位置后，滑动杆在滑杆导套的斜孔均产生相对移动，刀具作径向运动，实现切环形槽的深度加工，此后两装置的运动方式就存在较大的差异，图4装置达到深度后，当机床主轴继续沿轴向前移动，调整螺母11压在小压簧保持器10的端面，保持器内的12个小压簧9被压缩，此时切槽刀再次沿轴向走刀，进而完成环形槽宽的加工。当轴向进给切削达到槽宽度后，在主轴退回的过程中，首先释放小压簧9的压力，切槽刀沿轴向退回，而后释放大弹簧12的压力，迫使切槽刀的轴向运动转入沿径向移动，后面的运动过程与图3所示装置相同。

2.2.3 具有“让刀”加工孔端面的装置

根据斜面传动原理，图3与图4装置均实现了刀具径向进给，其刀具的运动轨迹分别为图5a、b所示。当孔端面表面粗糙度要求比较高时，再用这前面两种滑杆式装置进行加工就不适用了。为了避免刀具划伤已加工孔端面的表面，这就要求加工后，刀具应有让刀运动，使刀具离开加工面。如果能使刀具的运动轨迹为图5c所示，即刀具纵向进给到达切削端面后，开始径向走刀切端面，端面切削后，再轴向运动，实现让刀运动，在让刀后，再立即改为径向移动退回，随后再轴向移动退回。从图5所示的b、c刀具轨迹示意图对比可知，两者的刀具轨迹有所区别，但是也有很大的相似性。

为了让装置实现“让刀”运动，可在图4所示装置结构的基础上稍作改动，即图6所示的装置结构，就可以实现图5c所示的刀具运动轨迹。图6所示的装置工作原理前面的切削过程与图4所示的装置切削运动过程一样，仅当装置径向移动切槽深，再轴向进刀切削槽宽后，两者有所区别，不同之处在于:图6所示装置在完成径向与轴向切削后，卡爪18在弹簧16作用下绕轴17回转，嵌入支撑套7的槽中，使装在小压簧保持器10中的小压簧9不起作用（此时小压簧保持器10与支撑套7两者之间没有相对运动）。当主轴沿轴向退回时，就使端面切刀先沿径向退回，在径向退刀结束后，安装在滑杆导套2上的挡块19将嵌入支撑套7的卡爪18顶起，在小压簧9的作用下，切刀先退回让刀距离，然后整个刀杆随主轴一起退回。

3 注意事项

滑块与滑杆装置相比较其结构差异较大，应注意各自的特点及应用范围:

（1）与滑杆装置相比较，滑块装置结构相对简单，不仅是制造与维修都简单，装置的造价低，且装置的刚性较好，切槽深度较深，容易调整，不仅是加工的尺寸精度及形位精度较高，而且生产效率也比较高。但是该装置与滑杆装置相比也存在一些不足之处，适用的加工范围相对小，通常用于图1a所示的窄的环形槽。

（2）与滑块装置相比较，滑杆装置结构相对复杂，但是加工的范围大，有良好的适用性，它可加工图1所示的各种环形槽及端面，特别是图6所示的装置，可以用于“反锪”孔端面，并且具有让刀的特性，满足了部分零件的特殊要求。

（3）装置的径向进给与轴向进给的速度是靠主轴的轴向进给速度控制的，在加工过程中要保持主轴进给速度均匀，在每次径向与轴向进给结束时，主轴进给应有短暂停顿，以便得到更好的加工质量。

装置的设计、制造及装配要注意的主要内容:

（1）机床主轴与装置之间的联接，是通过相应的套筒夹头实现的，在装置装配中，要进行调整，保证装配后的同轴度。必要时，可将与机床主轴与装置联接的套筒夹头制成浮动式夹头，改善因同轴度误差造成的不良影响。

（2）在设计、制造和装配中，注意相对滑动零件的材料以及热处理工艺的选择，提高零件的耐磨性。特别要控制滑动件之间的“配合间隙”，如果两者之间的间隙过小，影响装置的正确运动，但是间隙过大，在加工中易振动，影响加工质量。装置中的α角对工件的加工质量及其性能有很大的影响，α角的大小不仅直接影响径向尺寸的大小，而且直接影响滑杆的受力状况。因此在设计时要认真考虑α角的大小。

（3）调整滑杆装置中的弹簧的压力大小是十分重要的，特别是图4、图6装置能正常应用的前提是，在装配过程中，要使小压簧保持器10中的小压簧9的压缩合力大于大弹簧12的压力，否则在加工过程中，装置只能生产径向移动。

4 结语

针对孔内槽及端面的“特殊工艺”需求，为了提高通用机床的利用率，本文设计的滑块装置与滑杆装置自身使切削刀具产生径向移动，从而实现径向切削。两种装置其结构简单、制造成本低、操作方便。在实际应用中，装置表现出了良好的适用性，不仅扩大了通用机床的加工范围，满足了中、小批量的孔内槽及端面工艺加工要求，而且在大量生产中，装置用于专用机床上也有较大的优势，大大地降低了专用机床结构的复杂性，减少了制造投资，增加了生产的“柔性化”。

本文设计的两类装置体现了针对性强，结构特点突出，在实际生产应用中得到了很好的验证，提高了加工效率，降低了生产成本，有较强的实用性与很好的经济效果。

［1］上海市金属切削技术协会.金属切削手册［M］.上海:上海科学技术出版社，1984.

［2］王先逵.机械加工手册［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［3］戴曙.金属切削机床［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［4］张洪涛，李彬.孔端面加工特种装置的设计与开发［J］.制造技术与机床，2011（5）:108－110.