組合機床鏜孔車端面鏜刀系統(tǒng)分體式改進

狄景微，吳貴軍

(1.安陽第二機床廠，河南 安陽 455000;2.安陽工學院 機械工程學院，河南 安陽 455000)

0 引言

組合機床是根據(jù)加工工件的功能需求，按照合理的制造工藝將各種標準部件及專用夾具組合在一起的專用高效的設(shè)備，在當今汽車制造業(yè)中廣泛應用。鏜孔車端面動力頭由于其能夠鏜出較高內(nèi)孔精度，同時保證端面與內(nèi)孔的垂直度，從而大大提高了加工效率和零件加工質(zhì)量，在組合機床中被普遍應用。一方面隨著我國工業(yè)化進程的快速推進，絕大部分企業(yè)在“優(yōu)勝劣汰”競爭機制下，需要不斷提高產(chǎn)品的質(zhì)量，以適應市場、用戶對產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的需求，產(chǎn)品必須從低精度、低附加值向高精度、高利潤轉(zhuǎn)型，精密加工技術(shù)是保障產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)，鏜孔車端面機床作為高精度加工的常用設(shè)備，是企業(yè)必備的設(shè)備之一。

而目前的鏜孔車端面動力頭大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)幾十年來一直采用的刀桿為一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，而在實際生產(chǎn)中，由于工件的種類多樣性，導致需要鏜削的內(nèi)孔尺寸也是千變?nèi)f化，一個刀桿加工內(nèi)孔尺寸只能在一定范圍變化，生產(chǎn)企業(yè)必然要準備很多不同的直徑鏜刀桿，而且刀桿固定到刀盤上時，為了使刀桿和刀盤同心，采用兩個柱銷定位，經(jīng)常拆卸刀桿對柱銷會產(chǎn)生一定的磨損，影響刀桿與回轉(zhuǎn)軸線的的同軸度，會嚴重影響內(nèi)孔的加工精度。采用分體式設(shè)計，即將刀桿分開設(shè)計，在加工不同尺寸內(nèi)孔時，只需要更換不同尺寸的刀桿，不需拆卸刀桿與刀盤連接的固定支座，一方面減少加工企業(yè)的刀桿數(shù)量太大而產(chǎn)生的浪費，節(jié)約生產(chǎn)成本;另一方面減少操作人員的工作強度。

1 鏜刀桿分體式改進設(shè)計

原來采用的鏜刀桿設(shè)計成整體結(jié)構(gòu)，如圖1a 所示，該鏜刀系統(tǒng)是用來鏜削汽車前軸的主銷孔，同時車削孔端面，加工工藝參數(shù)(半精加工):直徑D=34.5mm;鏜刀線速度v=98m/min;主軸轉(zhuǎn)速n=900r/min;進給速度f=0.15mm/r;背吃刀量aP=0.75mm;鏜刀γ0=15°、α0=8°、kr =75°、k'r =25°、λs =-5°、rε=1 mm、刀片材料硬質(zhì)合金。原鏜刀系統(tǒng)設(shè)計具有刀桿和刀盤的同軸度高，鏜削剛性好，旋轉(zhuǎn)精度高的特點，但是該設(shè)計的工藝性較差，圓柱刀桿前端突變?yōu)榧氶L桿的結(jié)構(gòu)，如果采用鍛造方式，加工余量很大，效率低，浪費大;并且刀桿和刀盤突變較大，刀桿細長，鍛造應力大，很難鍛造成型;結(jié)合其現(xiàn)存的缺點和加工過程中的使用情況，做出如圖1b 所示的分體式結(jié)構(gòu)，刀座固定在刀盤上，刀座中心孔中安裝有刀桿，刀桿上固定鏜刀，刀桿和刀座利用鍵傳遞扭矩，用兩個螺釘側(cè)壓固定。

圖1 鏜刀結(jié)構(gòu)改進前后對比

2 改進后的使用情況

改進后機構(gòu)能夠滿足刀桿與刀盤的同軸度要求，固定可靠，加工工藝參數(shù)沒有改變，但使用過程中出現(xiàn)了較為明顯的振動現(xiàn)象，帶來很多不利的影響:①在工件鏜削內(nèi)孔表面上出現(xiàn)了振動波紋，嚴重影響零件表面質(zhì)量;②由于振動加快刀具磨損，甚至引起了切削刃崩裂，刀具壽命大大降低;③長時間的振動使鏜床零、部件磨損加快，降低該機床的精度;④振動引起嚴重的噪聲。

3 振動原因分析及解決措施

機床產(chǎn)生振動的原因很多、也很復雜，按照振動類型通常分為以下兩類:

(1)強迫振動:由外界激振力所引起的一種振動，產(chǎn)生的原因有鏜床傳動零部件的缺陷引起的振動;鏜削的不連續(xù)性、切屑截面積的變化、切削余量不均勻等都會引起振動;鏜床的旋轉(zhuǎn)零部件以及工具的質(zhì)量不平衡，會引發(fā)周期性振動。由于在加工過程中只改變了刀桿的結(jié)構(gòu)，并且刀桿的旋轉(zhuǎn)精度得到保證，刀桿和刀盤安裝后進行了動平衡實驗，使用過程中沒有其它震源干擾，所以強迫振動可能性不大。

(2)自激振動:由鏜床自發(fā)引起的一種振動，產(chǎn)生的原因由鏜床一工件一刀具工藝系統(tǒng)剛度不足引起的振動;轉(zhuǎn)速距離系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速較近形成的共振;轉(zhuǎn)動軸的潤滑不充分、油膜振蕩引起回轉(zhuǎn)軸的自激振動。由于鏜削主軸轉(zhuǎn)速沒有改變，轉(zhuǎn)動潤滑良好，檢測主軸并未產(chǎn)生明顯震蕩，系統(tǒng)產(chǎn)生的振動可能是由于刀具剛度不足引起的。

刀具剛度不足兩個方面進行改進，一方面采用機械性能更好的材料制作刀柄，原鏜刀桿采用45 鋼制造，調(diào)質(zhì)處理，采用了表1 中所列出的三種鋼材，嘗試消除振動，提高鏜刀桿剛度，試驗過程中發(fā)現(xiàn)，振動沒有明顯的改善。

表1 鏜刀桿不同材料試驗結(jié)果

另一方面從鏜刀桿受力方面進行改進，鏜刀在切削過程中會產(chǎn)生三個相互垂直的分力，即主切削力Fc、背向力FP和進給力Ff，引起剛度不足的力是主切削力Fc、背向力FP，由于kr =90°，背向力FP比主切削力Fc小的多，所以近似按照鏜刀桿只受主切削力Fc來計算鏜刀桿的徑向載荷，公式如下:

其中:

HB—工件材料硬度;

KPZ1—刀具主偏角的修正系數(shù);

KPZ2—刀具刀尖半徑r的修正系數(shù)。

最后計算出FC=399.1N，利用SolidWorks 軟件進行鏜刀桿的三維建模，該軟件自帶有Simulation 插件，該插件具有應力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析功能，使用該插件對對鏜刀桿進行靜力學分析，先在Simulation 插件中設(shè)置鏜刀桿材料為普通碳鋼，對鏜桿夾持部分添加固定約束，在鏜桿刀片位置添加399.1N 的徑向載荷，然后按曲率實體網(wǎng)格化，節(jié)總數(shù)61317，單元總數(shù)42103，圖2 為鏜刀桿網(wǎng)格化的有限元離散模型。

圖2 鏜刀桿網(wǎng)格化的有限元離散模型

運行算例，計算出如圖3 所示的位移云圖和應力云圖，最大位移量0.0095mm，位移量較大，鏜刀桿剛度不足，是造成鏜刀振動的主要原因;最大應力為16.80MPa，屈服強度為221MPa，滿足要求。

圖3 改進前鏜刀桿位移云圖和應力云圖

從以上算例可以看出，刀桿的變形量偏大，不能滿足加工要求，對鏜刀桿結(jié)構(gòu)進行改進，在鏜刀桿總長不變的情況下，將鏜刀桿夾持長度向前延長10mm，即如圖1b 所示，刀桿夾持長度原長55mm，現(xiàn)在增加到65mm。重新運行算例，得出如圖4 所示的結(jié)果，最大變形量減少到0.0056mm，最大應力下降到11.36MPa。將改進后的刀盤和鏜刀桿安裝設(shè)備上進行試驗，發(fā)現(xiàn)振動現(xiàn)象消失了，鏜出的內(nèi)孔公差、粗超度、與端面的垂直度均滿足要求，鏜刀系統(tǒng)改進獲得成功。

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)有組合機床使用的DSS 系列鏜頭一直沿用德國許勒·惠勒公司技術(shù)而存在的缺點，對鏜刀系統(tǒng)的刀盤和刀桿進行分體式設(shè)計，用戶根據(jù)鏜削不同的內(nèi)孔尺寸只需更換不同直徑鏜桿，而不需要更換刀盤，減少了刀盤數(shù)量，大大降低了成本，改進之后出現(xiàn)了明顯的振動現(xiàn)象，分析出是由于刀桿剛度不足所產(chǎn)生，采用機械性能更好的材料，振動現(xiàn)象未見改善;采用增加刀桿夾持部分的方式，振動現(xiàn)象消失。該技術(shù)對現(xiàn)有鏜刀系統(tǒng)有了進一步的改進，為其它相關(guān)機床部件的改進提供了參考。

［1］韓榮第，襲建軍，王輝. 金屬切削原理與刀具(第4 版)［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，2013.

［2］盧曉榮，任立波.減小鏜刀在加工過程中的振動［J］，輕工科技，2013(5):77 -78.

［3］苗曉鵬，馬江虎，蘇華禮.差速器殼十字軸孔四面雙工位鉆鏜組合機床設(shè)計［J］，組合機床與自動化加工技術(shù)，2012(12):102 -104.