基于滑塊、滑桿切削裝置的專項(xiàng)設(shè)計(jì)與研究

張洪濤

（洛陽理工學(xué)院機(jī)械工程系，河南洛陽 471023）

1 問題的提出

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和市場(chǎng)需求變化，產(chǎn)品更新節(jié)奏明顯加快，大批量生產(chǎn)方式逐漸被“多品種、小批量”的生產(chǎn)方式所取代。因此在現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)中，如何充分利用現(xiàn)有資源滿足生產(chǎn)的需求，已經(jīng)是眾多企業(yè)必須面對(duì)的問題。在實(shí)際生產(chǎn)中，被加工零件的型面是多種多樣的，其中不少“箱體類”零件需涉及孔內(nèi)環(huán)槽、孔端面的加工，即有“特殊工藝”加工需求（如圖1所示）。通常在單件、少量生產(chǎn)中，這種“特殊工藝”常用“通用機(jī)床”（如鏜削類機(jī)床）加工，生產(chǎn)效率低，成本高;而在大量生產(chǎn)中，采用“專用機(jī)床”（如組合機(jī)床）加工這些“特殊工藝”，但是這類機(jī)床僅適用于“單一”的零件加工。但如果面對(duì)“多品種、小批量”的生產(chǎn)，無論通用機(jī)床還是專用機(jī)床，均不適用。

為了合理地利用好企業(yè)現(xiàn)有資源，滿足這些“特殊工藝”需求，本文設(shè)計(jì)的滑塊、滑桿裝置可使切削刀具產(chǎn)生附加垂直于軸線的徑向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)徑向切削。該裝置不但適用于通用機(jī)床（搖臂鉆床、鏜床、銑床）的生產(chǎn)，擴(kuò)大了機(jī)床的加工范圍，提高了機(jī)床的利用率及生產(chǎn)率，而且還適用于專用機(jī)床，降低了機(jī)床自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，減少了設(shè)備制造的投資，有較廣的適用性和良好的市場(chǎng)前景。

2 工作原理

2.1 滑塊徑向切內(nèi)孔環(huán)形槽裝置

圖2所示為裝置的結(jié)構(gòu)原理圖，是用于切削內(nèi)孔環(huán)形槽機(jī)構(gòu)徑向進(jìn)給裝置。其工作原理以鉆床加工為例，加以說明:通過浮動(dòng)卡頭（即裝置與機(jī)床主軸的聯(lián)接器），鉆床主軸帶動(dòng)切孔內(nèi)環(huán)形槽滑塊裝置工作。當(dāng)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)動(dòng)前進(jìn)時(shí)，該裝置整體隨機(jī)床主軸做軸向移動(dòng)和繞軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在切槽刀到達(dá)預(yù)定要加工槽軸向位置時(shí)，裝置中的滾珠3頂在頂鐵1的端面，此時(shí)鉆床主軸繼續(xù)沿軸向進(jìn)給，推桿5和滑塊9已不再沿主軸軸線方向移動(dòng)，但此時(shí)本體6則還隨主軸繼續(xù)沿軸向移動(dòng)，因此滑塊9在本體6的斜槽的斜面的作用下，兩者產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，此時(shí)刀尖實(shí)現(xiàn)徑向進(jìn)刀運(yùn)動(dòng)，開始孔內(nèi)環(huán)形槽的切深加工。當(dāng)孔內(nèi)環(huán)形槽的切深加工完畢后，在鉆床主軸沿軸向退回過程的初期，本體6隨主軸一起軸向移動(dòng)，此時(shí)，在彈簧10力的作用下，滑塊9并沒有產(chǎn)生隨機(jī)床主軸的軸向移動(dòng)，卻使滑塊與本體兩者之間再次相對(duì)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀具徑向退刀運(yùn)動(dòng)，然后再同刀桿一起沿軸向退回，完成整個(gè)切槽的加工過程。

2.2 滑桿徑向內(nèi)孔環(huán)形槽的切削裝置

2.2.1 窄環(huán)形槽滑桿式的切削裝置

圖3所示裝置為窄環(huán)形槽的滑桿式切削裝置，主要是用于切削內(nèi)孔環(huán)形槽及孔端面。以通用鉆床加工為例，對(duì)其裝置的工作原理加以說明:該裝置是通過外接的套筒卡頭（聯(lián)接器）與機(jī)床主軸相連接，進(jìn)而整個(gè)裝置工作的。工作初期，裝置中的滑桿3、切槽刀1及滑桿導(dǎo)套2隨主軸同時(shí)做兩種運(yùn)動(dòng)，即繞軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿軸向直線移動(dòng)，隨著機(jī)床主軸軸向移動(dòng)，當(dāng)裝置中的切槽刀達(dá)到了預(yù)定要加工內(nèi)環(huán)形槽的軸向位置時(shí)，裝置中的限位滾珠5此時(shí)正好頂在夾具導(dǎo)向套4的端面，隨后機(jī)床主軸繼續(xù)沿軸線方向進(jìn)給，裝在滑桿3上的切槽刀確已不再沿軸線方向移動(dòng)了，但滑桿導(dǎo)套2則還繼續(xù)隨主軸沿軸向移動(dòng)，在滑桿導(dǎo)套2斜孔的作用下，滑桿3在斜孔中產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，進(jìn)而切槽刀實(shí)現(xiàn)徑向位移，開始切削環(huán)形槽。值得注意的是，在切削槽深的過程中，滑動(dòng)桿在滑桿導(dǎo)套兩者之間不僅產(chǎn)生了相對(duì)移動(dòng)，而且還通過裝置尾端的調(diào)壓螺堵8壓縮了彈簧7。

在孔內(nèi)環(huán)形槽深度尺寸加工完畢后，在機(jī)床主軸在軸向退回初期，滑桿導(dǎo)套2隨主軸一起軸向移動(dòng)，但在壓縮彈簧7的作用力下，此時(shí)，滑動(dòng)桿沒有軸向移動(dòng)，而是在兩者之間（滑動(dòng)桿導(dǎo)套與滑動(dòng)桿）再次產(chǎn)生相對(duì)位移，切槽刀實(shí)現(xiàn)先沿徑向退刀，然后再沿軸向退回，完成切環(huán)形槽的的全部加工過程。從裝置的結(jié)構(gòu)上看，顯然它僅適用于圖1a所示切削比較窄的環(huán)形槽，如零件的孔“內(nèi)卡”環(huán)槽等的加工。

2.2.2 軸向移動(dòng)徑向?qū)捠江h(huán)形槽的切削裝置

顯然，圖1b所示的內(nèi)孔環(huán)槽寬尺寸大于切槽刀的刀寬度時(shí)，再用圖3所示裝置加工就不適宜了。要切削此類較寬環(huán)形槽，只要在圖3所示裝置結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上稍作改動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)這類寬環(huán)形槽的加工，改動(dòng)后其裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。從兩者的結(jié)構(gòu)圖可知，兩者不同之處就在于，圖4所示裝置不僅使刀具產(chǎn)生徑向移動(dòng)，而且切槽達(dá)到深度后，還可再次軸向移動(dòng)，完成環(huán)形槽寬度的加工。

對(duì)比圖3與圖4可知，兩者在基本結(jié)構(gòu)與工作原理上，均有不少相似之處，因而，圖4裝置使用過程中，工作過程的前部大體與圖3所示裝置工作過程一樣。首先兩裝置的刀具到達(dá)切槽位置后，滑動(dòng)桿在滑桿導(dǎo)套的斜孔均產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，刀具作徑向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)切環(huán)形槽的深度加工，此后兩裝置的運(yùn)動(dòng)方式就存在較大的差異，圖4裝置達(dá)到深度后，當(dāng)機(jī)床主軸繼續(xù)沿軸向前移動(dòng)，調(diào)整螺母11壓在小壓簧保持器10的端面，保持器內(nèi)的12個(gè)小壓簧9被壓縮，此時(shí)切槽刀再次沿軸向走刀，進(jìn)而完成環(huán)形槽寬的加工。當(dāng)軸向進(jìn)給切削達(dá)到槽寬度后，在主軸退回的過程中，首先釋放小壓簧9的壓力，切槽刀沿軸向退回，而后釋放大彈簧12的壓力，迫使切槽刀的軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)入沿徑向移動(dòng)，后面的運(yùn)動(dòng)過程與圖3所示裝置相同。

2.2.3 具有“讓刀”加工孔端面的裝置

根據(jù)斜面?zhèn)鲃?dòng)原理，圖3與圖4裝置均實(shí)現(xiàn)了刀具徑向進(jìn)給，其刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡分別為圖5a、b所示。當(dāng)孔端面表面粗糙度要求比較高時(shí)，再用這前面兩種滑桿式裝置進(jìn)行加工就不適用了。為了避免刀具劃傷已加工孔端面的表面，這就要求加工后，刀具應(yīng)有讓刀運(yùn)動(dòng)，使刀具離開加工面。如果能使刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡為圖5c所示，即刀具縱向進(jìn)給到達(dá)切削端面后，開始徑向走刀切端面，端面切削后，再軸向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)讓刀運(yùn)動(dòng)，在讓刀后，再立即改為徑向移動(dòng)退回，隨后再軸向移動(dòng)退回。從圖5所示的b、c刀具軌跡示意圖對(duì)比可知，兩者的刀具軌跡有所區(qū)別，但是也有很大的相似性。

為了讓裝置實(shí)現(xiàn)“讓刀”運(yùn)動(dòng)，可在圖4所示裝置結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上稍作改動(dòng)，即圖6所示的裝置結(jié)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)圖5c所示的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡。圖6所示的裝置工作原理前面的切削過程與圖4所示的裝置切削運(yùn)動(dòng)過程一樣，僅當(dāng)裝置徑向移動(dòng)切槽深，再軸向進(jìn)刀切削槽寬后，兩者有所區(qū)別，不同之處在于:圖6所示裝置在完成徑向與軸向切削后，卡爪18在彈簧16作用下繞軸17回轉(zhuǎn)，嵌入支撐套7的槽中，使裝在小壓簧保持器10中的小壓簧9不起作用（此時(shí)小壓簧保持器10與支撐套7兩者之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)）。當(dāng)主軸沿軸向退回時(shí)，就使端面切刀先沿徑向退回，在徑向退刀結(jié)束后，安裝在滑桿導(dǎo)套2上的擋塊19將嵌入支撐套7的卡爪18頂起，在小壓簧9的作用下，切刀先退回讓刀距離，然后整個(gè)刀桿隨主軸一起退回。

3 注意事項(xiàng)

滑塊與滑桿裝置相比較其結(jié)構(gòu)差異較大，應(yīng)注意各自的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍:

（1）與滑桿裝置相比較，滑塊裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，不僅是制造與維修都簡(jiǎn)單，裝置的造價(jià)低，且裝置的剛性較好，切槽深度較深，容易調(diào)整，不僅是加工的尺寸精度及形位精度較高，而且生產(chǎn)效率也比較高。但是該裝置與滑桿裝置相比也存在一些不足之處，適用的加工范圍相對(duì)小，通常用于圖1a所示的窄的環(huán)形槽。

（2）與滑塊裝置相比較，滑桿裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但是加工的范圍大，有良好的適用性，它可加工圖1所示的各種環(huán)形槽及端面，特別是圖6所示的裝置，可以用于“反锪”孔端面，并且具有讓刀的特性，滿足了部分零件的特殊要求。

（3）裝置的徑向進(jìn)給與軸向進(jìn)給的速度是靠主軸的軸向進(jìn)給速度控制的，在加工過程中要保持主軸進(jìn)給速度均勻，在每次徑向與軸向進(jìn)給結(jié)束時(shí)，主軸進(jìn)給應(yīng)有短暫停頓，以便得到更好的加工質(zhì)量。

裝置的設(shè)計(jì)、制造及裝配要注意的主要內(nèi)容:

（1）機(jī)床主軸與裝置之間的聯(lián)接，是通過相應(yīng)的套筒夾頭實(shí)現(xiàn)的，在裝置裝配中，要進(jìn)行調(diào)整，保證裝配后的同軸度。必要時(shí)，可將與機(jī)床主軸與裝置聯(lián)接的套筒夾頭制成浮動(dòng)式夾頭，改善因同軸度誤差造成的不良影響。

（2）在設(shè)計(jì)、制造和裝配中，注意相對(duì)滑動(dòng)零件的材料以及熱處理工藝的選擇，提高零件的耐磨性。特別要控制滑動(dòng)件之間的“配合間隙”，如果兩者之間的間隙過小，影響裝置的正確運(yùn)動(dòng)，但是間隙過大，在加工中易振動(dòng)，影響加工質(zhì)量。裝置中的α角對(duì)工件的加工質(zhì)量及其性能有很大的影響，α角的大小不僅直接影響徑向尺寸的大小，而且直接影響滑桿的受力狀況。因此在設(shè)計(jì)時(shí)要認(rèn)真考慮α角的大小。

（3）調(diào)整滑桿裝置中的彈簧的壓力大小是十分重要的，特別是圖4、圖6裝置能正常應(yīng)用的前提是，在裝配過程中，要使小壓簧保持器10中的小壓簧9的壓縮合力大于大彈簧12的壓力，否則在加工過程中，裝置只能生產(chǎn)徑向移動(dòng)。

4 結(jié)語

針對(duì)孔內(nèi)槽及端面的“特殊工藝”需求，為了提高通用機(jī)床的利用率，本文設(shè)計(jì)的滑塊裝置與滑桿裝置自身使切削刀具產(chǎn)生徑向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)徑向切削。兩種裝置其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、操作方便。在實(shí)際應(yīng)用中，裝置表現(xiàn)出了良好的適用性，不僅擴(kuò)大了通用機(jī)床的加工范圍，滿足了中、小批量的孔內(nèi)槽及端面工藝加工要求，而且在大量生產(chǎn)中，裝置用于專用機(jī)床上也有較大的優(yōu)勢(shì)，大大地降低了專用機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，減少了制造投資，增加了生產(chǎn)的“柔性化”。

本文設(shè)計(jì)的兩類裝置體現(xiàn)了針對(duì)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)突出，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中得到了很好的驗(yàn)證，提高了加工效率，降低了生產(chǎn)成本，有較強(qiáng)的實(shí)用性與很好的經(jīng)濟(jì)效果。

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