一種新型臥車加工內(nèi)孔用刀桿研究

楊 磊 趙文宴

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

125 MN擠壓機的主缸體是設(shè)備的重要部件，在擠壓機工作過程中，主缸體與主柱塞配合，由液壓產(chǎn)生擠壓力推動擠壓桿完成擠壓操作，主缸體的加工質(zhì)量對整套設(shè)備的可靠工作有著重要的作用。

主缸體的缸孔直徑為?2220H8，軸向深度達(dá)2030 mm，粗糙度要求Ra1.6 μm，工件材質(zhì)為20MnMo，重量約172.5 t。

1 加工現(xiàn)狀分析

對這樣形狀、規(guī)格的產(chǎn)品，現(xiàn)有加工一般選擇立車進(jìn)行加工。由于該孔加工深度太長，經(jīng)過分析，立車加工時由于刀桿懸伸太長，剛性太差，加工后軸向會存在錐度，缸孔直徑從大到小呈收縮態(tài)勢，超出圖紙要求的公差范圍，導(dǎo)致后期修正錐度工作量大，而且越往缸孔里面，因刀桿剛性差而引起的加工表面粗糙度越低，很難修正，無法達(dá)到圖紙要求。

因此將工件安排在臥車上加工，現(xiàn)有大型數(shù)控臥車的刀架多為刀排式，一般未配置內(nèi)孔加工刀架。加工內(nèi)孔時，刀桿的夾持方式是單刀排螺釘壓緊方式，剛性差，加工內(nèi)孔深度有限，制約了機床的加工能力；即使一些臥車配置了內(nèi)孔加工刀架，由于其為實心結(jié)構(gòu)，尺寸大，重量大，通用性差，安裝調(diào)整極不方便，加工時震動很大，無法保證加工質(zhì)量，因此現(xiàn)有大型數(shù)控臥車沒有加工深孔的能力。

考慮到機床承重及加工精度，采用在SR5-420-16M數(shù)控重型臥式車床上加工主缸體，該機床的刀架為主、副雙刀排式，如圖1所示。此刀架從設(shè)計結(jié)構(gòu)和使用上來說，只適用于外圓加工，無法加工內(nèi)孔。

圖1 SR5機床主、副刀排

2 新型內(nèi)孔刀桿及刀座的設(shè)計

研究表明，要加工主缸體內(nèi)孔，需要改變現(xiàn)有刀桿、刀座等輔具結(jié)構(gòu)，以擴大其加工能力。

2.1 內(nèi)孔刀桿設(shè)計

一般常見的臥車車刀桿尺寸小、刀體為實心，如圖2所示，當(dāng)其長徑比尺寸超過4時，使用時刀桿彈震嚴(yán)重，加工質(zhì)量明顯下降，不宜使用。

圖2 常見臥車刀桿

考慮刀桿設(shè)計難點，為提升該臥車的加工能力，減輕工人勞動強度、提高加工效率，保證零件加工質(zhì)量，針對該臥車進(jìn)行了加工內(nèi)孔用刀桿的設(shè)計研究，同時設(shè)計的內(nèi)孔刀桿需具備以下幾點：

(1)適應(yīng)不同深度孔的加工，即刀桿能夠根據(jù)加工孔深自由調(diào)整。

(2)由于加工深孔刀桿懸伸過長，應(yīng)保證刀桿的整體連接剛性，能很好消除由于剛性差可能帶來的系統(tǒng)震動。

(3)刀桿應(yīng)該結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕便，便于操作且調(diào)整方便。

按照此思路，根據(jù)機床刀排連接接口形式，提出一種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的內(nèi)孔刀桿方案，如圖3所示。該內(nèi)孔刀桿的結(jié)構(gòu)為通過主夾持座和副夾持座分別與機床的主、副刀排通過接口連接，在主夾持座中安裝有一個脹套，刀桿體采用鋼管加工而成，穿過脹套和副夾持座，其中脹套將刀桿夾緊，副夾持座起輔助支撐和減震的作用。

1—主刀排 2—副刀排 3—副夾持座 4—圓刀桿 5—壓蓋 6—橡膠墊 7—主夾持座 8—脹套

刀桿由刀座、刀桿體、配重架組成，其中刀桿體直接選用規(guī)格為426 mm×30 mm×3865 mm的鋼管制造，計算刀桿截面慣性矩為：J=π(D4-d4)/64=7.35×108mm4。相當(dāng)于滑枕截面尺寸為300×300 mm的CHX5250×40立車刀架，其截面慣性矩為6.75×108mm4。已知刀桿在受到載荷下的最大變形量和慣性矩成反比，即刀桿在承受相同載荷的情況下，慣性矩越大，其變形越小，所以該刀桿的變形量指標(biāo)優(yōu)于CHX5250×40機床的滑枕。

該刀桿粗加工時，以實際切削參數(shù)進(jìn)行計算，背吃刀量αp=3 mm，進(jìn)給量f=0.6 mm，主軸轉(zhuǎn)速n=8 r/min，刀具采用硬質(zhì)合金，幾何參數(shù)γ0=10°、Kr=75°、λs=-10°、re=0.5 mm。車削力為：Fc=9.81CFcαpxFcfyFcVcnFcKFc=1888.87 N。

式中，αp為切削深度；f為進(jìn)給量；V為切削速度；xFc為背吃刀量指數(shù)；yFc進(jìn)給量指數(shù)；nFc速度指數(shù)；KFc材料系數(shù)。考慮到其他綜合因素，直接將Fc作為刀桿集中載荷計算刀桿最大變形量：

λmax=KPL3×106/EJ=0.058 mm

式中，K為自由端集中載荷系數(shù)，K=0.3；P為總載荷量，即P=Fc；L為刀桿跨度，刀桿伸出L=2500 mm；J為刀桿彎曲時的慣性矩；E為材料在彎曲應(yīng)力下的彈性模數(shù)，鋼的彈性模數(shù)E=215 GPa。即刀桿在懸伸2500 mm且受到1888.87 N切削力的狀況下，刀桿最大變形量為0.058 mm，完全滿足深孔加工。

2.2 刀座設(shè)計

根據(jù)機床連接尺寸，設(shè)計主、副夾持座的結(jié)構(gòu)形式，主夾持座用于連接刀桿和主刀排，是保證夾持的可靠性和工作時穩(wěn)定性的關(guān)鍵，連接部分制造精度很高，采用脹套夾緊方式將其安裝在主夾持座中，通過調(diào)節(jié)脹套將刀桿夾緊。此種方式主夾持座和主刀排連接楔緊后非常牢固。副夾持座與主夾持座接口部分尺寸一致，半圓設(shè)計結(jié)構(gòu)可有效避免過定位，便于操作，不會導(dǎo)致安裝時對主、副夾持座同心度的要求太高而加大制造和操作難度。

副夾持座還能減震，即降低刀桿工作時因受力而引起的震動，通過在副夾持座與刀桿之間加裝工業(yè)用膠板，靠膠板吸震達(dá)到減震的目的，這樣有效保證加工質(zhì)量。

另外，由于刀桿伸出2500 mm，在加工吃刀后會產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)力矩，為抵消和平衡該翻轉(zhuǎn)力矩，設(shè)計時在遠(yuǎn)離刀桿吃刀部位的另一端加裝配重架，按照懸伸長度，可以加裝不同配重來平衡翻轉(zhuǎn)力矩，以保證加工質(zhì)量。如圖4所示。

圖4 改造后的深孔刀桿與刀座

3 應(yīng)用情況

該刀桿在制造完成后，應(yīng)用到擠壓機主缸體的內(nèi)孔加工中，調(diào)試切削參數(shù)，確定最終加工參數(shù)，見表1。

表1 加工參數(shù)表

精加工后打表測量，缸孔圓跳動為0.04 mm，粗糙度達(dá)Ra3.2 μm，通過在該刀桿上加裝砂帶磨或砂輪磨削加工，降低粗糙度，使粗糙度達(dá)到Ra1.6 μm。

4 結(jié)論

通過該新型內(nèi)孔刀桿的成功開發(fā)，較好地完成了加工任務(wù)，后續(xù)在允許的情況下，可以為該機床配置多種規(guī)格的刀桿，這樣可以針對不同直徑和深度的孔選擇不同的刀桿，使加工選擇更加合理。此次還為該類型機床的深孔加工能力拓展了刀桿，使該機床可以精確加工各種深孔，并且可以將該刀桿作為一種通用刀桿推廣使用。