小孔徑大深度長(zhǎng)錐孔的刀具設(shè)計(jì)

發(fā)布日期：2012-08-29 蘭生客服中心瀏覽：4309

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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(lái)保證被加工孔的精度.這一方法的致命弱點(diǎn)是精成型時(shí)必須是鉸刀刃口上的有效段全長(zhǎng)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(zhǎng)度。如果在加工較長(zhǎng)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(duì)于待度要求高(主要指粗糙度)的內(nèi)錐孔，分段加工后的對(duì)接狀況是影響整個(gè)內(nèi)孔質(zhì)量的關(guān)鍵因素。對(duì)于對(duì)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(wú)法達(dá)到。追求兩錐之間最大限度的平滑過(guò)渡具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 被加工件概述

YEPb二級(jí)輕氣炮是國(guó)內(nèi)一科研機(jī)構(gòu)制造的一種國(guó)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(jiǎn)圖中可看出該孔屬于小內(nèi)徑(最小處為f25)，大深度，長(zhǎng)內(nèi)錐孔.要將全長(zhǎng)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(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

3 提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)健議

對(duì)該結(jié)構(gòu)的內(nèi)錐孔，從幾十年的加工經(jīng)驗(yàn)、內(nèi)錐孔加工的技術(shù)儲(chǔ)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(bào)等，均未找到有效可行的方法。于是根據(jù)分廠原來(lái)生產(chǎn)過(guò)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?cè)慵男弑拘阅�，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(jì)要求該零件的內(nèi)錐孔在工作時(shí)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(lái)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(jiàn)保證整個(gè)錐體RaO.4 的要求有兩個(gè)基本要點(diǎn)。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(tái)階。后一點(diǎn)對(duì)以后的光整加工尤為重要。因?yàn)樵趯?duì)誰(shuí)孔進(jìn)行光整拋磨時(shí)，凸出點(diǎn)總是被最先接觸，且接觸面積小，很容易被清除。如果是凹點(diǎn)，那么凹陷處總是最后接觸，要清除這個(gè)缺陷必須先清除所有比它高的面，顯而易見(jiàn)這是很困難的。如果是階躍式臺(tái)階，那么必須要將整個(gè)高出的臺(tái)階面消除才能達(dá)到平滑過(guò)渡。前述第一個(gè)要素從以往的經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)。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(tái)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(shí)質(zhì)是用刀具的幾何精度來(lái)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(jì)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(tái)階這個(gè)主題進(jìn)行。

5 提出刀具設(shè)計(jì)的對(duì)策

首先在結(jié)構(gòu)改進(jìn)時(shí)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(huì)出現(xiàn)凹折線。其次再分析兩錐對(duì)接產(chǎn)生階躍式臺(tái)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(tái)階。前后二錐同軸度的高低決定了相接處臺(tái)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(jì)，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(diǎn)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(zhǎng)度，一次最大加工長(zhǎng)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(shuí)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(yàn)。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(duì)接質(zhì)量受制于徑向、軸向兩個(gè)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(guò)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(duì)相鄰兩錐對(duì)接質(zhì)量的影響。對(duì)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(duì)接成型無(wú)關(guān)，所以不予考慮。根據(jù)設(shè)計(jì)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(lái)討論相鄰兩錐的對(duì)接情況。

在此先對(duì)有關(guān)尺寸和術(shù)語(yǔ)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(shuí)相接時(shí)名義分段直徑實(shí)際軸向進(jìn)給值—A'；

軸向進(jìn)給正位—A'=A時(shí);

軸向進(jìn)給過(guò)位—A'>A時(shí);

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(shí)，那么就形成YY'H輪廓線(相交時(shí)的組合錐母線)，這是最理想的，見(jiàn)圖3。

圖3 Ø₁=Ø₃=Ø時(shí)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(gè)小錐高于大錐面Osing值的臺(tái)階。
同理如果A'D,就會(huì)形成XX'Y'H輪廓線，在大小錐面間產(chǎn)生一個(gè)大錐高于小錐面D·sing值的臺(tái)階。

上述的D值實(shí)際就是軸向進(jìn)給誤差，它產(chǎn)生了對(duì)刀誤差和軸向尺寸測(cè)量誤差。這兩種誤差都是不可避免的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)刀誤差在±0.05左右，軸向尺寸測(cè)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(jì)。臺(tái)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(zhǎng)的Ⅱ錐或90長(zhǎng)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(gè)大難題。所以這樣的對(duì)接形式是不行的。

仔細(xì)分析上面的間題，產(chǎn)生對(duì)接臺(tái)階是因?yàn)樾″F鉸刀大徑和大錐校刀小徑相等，決定了大小錐相交是一個(gè)固定點(diǎn)。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(diǎn)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(zhǎng)小錐大徑刃線或大錐小徑刃線就可以使交點(diǎn)落在延長(zhǎng)的刃口軌跡上。而延長(zhǎng)的刃線在軸線上有一投影長(zhǎng)度，這個(gè)長(zhǎng)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(gè)DØ值(也可以折算成大徑端刃口延長(zhǎng)一個(gè)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(jiàn)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(duì)A值軸向進(jìn)給過(guò)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(duì)A值軸向進(jìn)給欠位量
圖5 大錐對(duì)小錐的及蓋及加工時(shí)對(duì)軸向進(jìn)給誤差的計(jì)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(gè)小錐高于大錐面Dsing的臺(tái)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(diǎn)由Y'移至X'，即在小錐鉸刀大徑刃口延長(zhǎng)線上。由此可見(jiàn)只要延長(zhǎng)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(gè)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(zhǎng)相鄰錐大錐鉸刀小端刃口長(zhǎng)度就允許后加工(大錐)的軸向進(jìn)給有一個(gè)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(jiàn)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(guò)位只與大錐小端余量有關(guān):即(Ø-Ø₁)/2

從另一方面講延長(zhǎng)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(zhǎng)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(yàn)誤差，計(jì)算要予留的刃口長(zhǎng)度。這個(gè)值不會(huì)超過(guò)原分段長(zhǎng)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(duì)相鄰兩錐對(duì)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(duì)還有下一小錐的錐(比如Ⅱ錐下面還有Ⅳ錐)來(lái)講，就是大錐小徑的減小，反而有利于增加允許過(guò)位量(＋D)，不會(huì)增加產(chǎn)生臺(tái)階傾向。但是大端大徑的減小對(duì)于還有上一大錐(比如Ⅱ錐上面還有Ⅰ錐)來(lái)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(guò)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(jì)算分析。

Ⅲ錐與Ⅱ錐相鄰時(shí)g=4°10'，q=3°50'，Ø=51.673，將數(shù)據(jù)代入軸向欠位量-D計(jì)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(jì)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(xiǎn)值為0.18，折算為刀具大端直徑減小量就是0.33,就是說(shuō)實(shí)際欠位量按設(shè)計(jì)值的2/3控制，刀具大端磨損0.33(直徑)是無(wú)妨的。況且軸向進(jìn)給已是按雙向誤差設(shè)計(jì)。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(guò)位偏差可以增大，它可以彌補(bǔ)欠位偏差的減小，使得整個(gè)軸向進(jìn)給公差帶并未減小。最后還可以采用粗、精鉸分開(kāi)，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(shí)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(guò)、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?yàn)槊x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(jì)值，這就給工藝一個(gè)很大的自由空間。