一种新型卧车加工内孔用刀杆研究

杨 磊 赵文宴

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000)

125 MN挤压机的主缸体是设备的重要部件，在挤压机工作过程中，主缸体与主柱塞配合，由液压产生挤压力推动挤压杆完成挤压操作，主缸体的加工质量对整套设备的可靠工作有着重要的作用。

主缸体的缸孔直径为∅2220H8，轴向深度达2030 mm，粗糙度要求Ra1.6 μm，工件材质为20MnMo，重量约172.5 t。

1 加工现状分析

对这样形状、规格的产品，现有加工一般选择立车进行加工。由于该孔加工深度太长，经过分析，立车加工时由于刀杆悬伸太长，刚性太差，加工后轴向会存在锥度，缸孔直径从大到小呈收缩态势，超出图纸要求的公差范围，导致后期修正锥度工作量大，而且越往缸孔里面，因刀杆刚性差而引起的加工表面粗糙度越低，很难修正，无法达到图纸要求。

因此将工件安排在卧车上加工，现有大型数控卧车的刀架多为刀排式，一般未配置内孔加工刀架。加工内孔时，刀杆的夹持方式是单刀排螺钉压紧方式，刚性差，加工内孔深度有限，制约了机床的加工能力；即使一些卧车配置了内孔加工刀架，由于其为实心结构，尺寸大，重量大，通用性差，安装调整极不方便，加工时震动很大，无法保证加工质量，因此现有大型数控卧车没有加工深孔的能力。

考虑到机床承重及加工精度，采用在SR5-420-16M数控重型卧式车床上加工主缸体，该机床的刀架为主、副双刀排式，如图1所示。此刀架从设计结构和使用上来说，只适用于外圆加工，无法加工内孔。

图1 SR5机床主、副刀排

2 新型内孔刀杆及刀座的设计

研究表明，要加工主缸体内孔，需要改变现有刀杆、刀座等辅具结构，以扩大其加工能力。

2.1 内孔刀杆设计

一般常见的卧车车刀杆尺寸小、刀体为实心，如图2所示，当其长径比尺寸超过4时，使用时刀杆弹震严重，加工质量明显下降，不宜使用。

图2 常见卧车刀杆

考虑刀杆设计难点，为提升该卧车的加工能力，减轻工人劳动强度、提高加工效率，保证零件加工质量，针对该卧车进行了加工内孔用刀杆的设计研究，同时设计的内孔刀杆需具备以下几点：

(1)适应不同深度孔的加工，即刀杆能够根据加工孔深自由调整。

(2)由于加工深孔刀杆悬伸过长，应保证刀杆的整体连接刚性，能很好消除由于刚性差可能带来的系统震动。

(3)刀杆应该结构紧凑、重量轻便，便于操作且调整方便。

按照此思路，根据机床刀排连接接口形式，提出一种创新结构的内孔刀杆方案，如图3所示。该内孔刀杆的结构为通过主夹持座和副夹持座分别与机床的主、副刀排通过接口连接，在主夹持座中安装有一个胀套，刀杆体采用钢管加工而成，穿过胀套和副夹持座，其中胀套将刀杆夹紧，副夹持座起辅助支撑和减震的作用。

1—主刀排 2—副刀排 3—副夹持座 4—圆刀杆 5—压盖 6—橡胶垫 7—主夹持座 8—胀套

刀杆由刀座、刀杆体、配重架组成，其中刀杆体直接选用规格为426 mm×30 mm×3865 mm的钢管制造，计算刀杆截面惯性矩为：J=π(D4-d4)/64=7.35×108mm4。相当于滑枕截面尺寸为300×300 mm的CHX5250×40立车刀架，其截面惯性矩为6.75×108mm4。已知刀杆在受到载荷下的最大变形量和惯性矩成反比，即刀杆在承受相同载荷的情况下，惯性矩越大，其变形越小，所以该刀杆的变形量指标优于CHX5250×40机床的滑枕。

该刀杆粗加工时，以实际切削参数进行计算，背吃刀量αp=3 mm，进给量f=0.6 mm，主轴转速n=8 r/min，刀具采用硬质合金，几何参数γ0=10°、Kr=75°、λs=-10°、re=0.5 mm。车削力为：Fc=9.81CFcαpxFcfyFcVcnFcKFc=1888.87 N。

式中，αp为切削深度；f为进给量；V为切削速度；xFc为背吃刀量指数；yFc进给量指数；nFc速度指数；KFc材料系数。考虑到其他综合因素，直接将Fc作为刀杆集中载荷计算刀杆最大变形量：

λmax=KPL3×106/EJ=0.058 mm

式中，K为自由端集中载荷系数，K=0.3；P为总载荷量，即P=Fc；L为刀杆跨度，刀杆伸出L=2500 mm；J为刀杆弯曲时的惯性矩；E为材料在弯曲应力下的弹性模数，钢的弹性模数E=215 GPa。即刀杆在悬伸2500 mm且受到1888.87 N切削力的状况下，刀杆最大变形量为0.058 mm，完全满足深孔加工。

2.2 刀座设计

根据机床连接尺寸，设计主、副夹持座的结构形式，主夹持座用于连接刀杆和主刀排，是保证夹持的可靠性和工作时稳定性的关键，连接部分制造精度很高，采用胀套夹紧方式将其安装在主夹持座中，通过调节胀套将刀杆夹紧。此种方式主夹持座和主刀排连接楔紧后非常牢固。副夹持座与主夹持座接口部分尺寸一致，半圆设计结构可有效避免过定位，便于操作，不会导致安装时对主、副夹持座同心度的要求太高而加大制造和操作难度。

副夹持座还能减震，即降低刀杆工作时因受力而引起的震动，通过在副夹持座与刀杆之间加装工业用胶板，靠胶板吸震达到减震的目的，这样有效保证加工质量。

另外，由于刀杆伸出2500 mm，在加工吃刀后会产生翻转力矩，为抵消和平衡该翻转力矩，设计时在远离刀杆吃刀部位的另一端加装配重架，按照悬伸长度，可以加装不同配重来平衡翻转力矩，以保证加工质量。如图4所示。

图4 改造后的深孔刀杆与刀座

3 应用情况

该刀杆在制造完成后，应用到挤压机主缸体的内孔加工中，调试切削参数，确定最终加工参数，见表1。

表1 加工参数表

精加工后打表测量，缸孔圆跳动为0.04 mm，粗糙度达Ra3.2 μm，通过在该刀杆上加装砂带磨或砂轮磨削加工，降低粗糙度，使粗糙度达到Ra1.6 μm。

4 结论

通过该新型内孔刀杆的成功开发，较好地完成了加工任务，后续在允许的情况下，可以为该机床配置多种规格的刀杆，这样可以针对不同直径和深度的孔选择不同的刀杆，使加工选择更加合理。此次还为该类型机床的深孔加工能力拓展了刀杆，使该机床可以精确加工各种深孔，并且可以将该刀杆作为一种通用刀杆推广使用。