祝海珍,袁艷,田春雷
西安工業(yè)大學(xué)
隨著航空航天、機(jī)器人、新能源、精密機(jī)械及國防科技等技術(shù)的發(fā)展,對零件的精度、強(qiáng)度、質(zhì)量、壽命及穩(wěn)定性等性能的要求不斷提升[1-3]。而機(jī)械的精密、復(fù)雜程度的提高、機(jī)械制造業(yè)的進(jìn)步以及國內(nèi)重工業(yè)及輕工業(yè)的迅速發(fā)展對材料的要求也越來越高,使得對材料的檢測越來越嚴(yán)格[4]。
為完成對材料性能的測試工作,最初的辦法是在生產(chǎn)工件時,多鑄和多鍛一部分本體材料,然后將這部分材料氣割下來進(jìn)行采樣測試[5,6]。這種方法既浪費(fèi)能源和材料,又不能保證鑄、鍛件的機(jī)械、物理和化學(xué)性能得到真正的檢驗(yàn)。因被割下的材料處在氣割后的熱處理狀態(tài),與本體鑄、鍛件有一定的性能差別,導(dǎo)致測試結(jié)果不準(zhǔn)確。鑒于這種問題,早期的改進(jìn)方法是扭斷已套好的芯棒,取出工件進(jìn)行測試。但采用這種方法同樣會存在一些問題,一方面造成效率較低;另一方面,扭斷使芯棒的機(jī)械性能在局部變化很大,使得測試結(jié)果不能充分反映本體材料的性能[7,8]。
目前,對小孔徑深孔盲孔測試件取樣進(jìn)行材料性能檢測時,存在一些操作難題,加工工藝難點(diǎn)包括[9]:①深孔加工過程中無法直接觀察孔內(nèi)刀具的工作情況,只能靠經(jīng)驗(yàn)判斷刀具狀態(tài);②深孔內(nèi)部產(chǎn)生的切削熱較難排出,刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)定比較困難;③加工刀具的主體都在工件材料的腔體內(nèi),因而刀具的結(jié)構(gòu)尺寸受到限制;④由于孔深較深,孔徑較小,長徑比大,加工難度較大;⑤盲孔加工的工作空間較小,導(dǎo)致套料加工完成后,芯棒無法切斷取出。
因此,重新設(shè)計(jì)出一種加工盲孔套料的切斷刀,有效解決小直徑盲孔套料切斷中的大部分問題,在實(shí)際生產(chǎn)測試中有著較大的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
深盲孔加工方式有實(shí)心鉆孔法、鏜孔法及套料鉆孔法。目前,工廠里對于內(nèi)孔直徑在100mm左右的深孔加工時,往往采用套料鉆孔法。套料鉆孔法是指在工件材料上加工出一個環(huán)形筒槽,而中心留出一根整體芯棒的孔加工方法,又稱套料孔加工。套料孔加工在工件和刀具旋轉(zhuǎn)的條件下,材料切除速率較高,對于工件材料較為昂貴或者對芯部要進(jìn)行性能測試和化學(xué)分析的本體件,可以保留完整料芯,節(jié)約材料[10,11]。
如圖1所示,需要套料加工φ90mm深4500mm的內(nèi)孔,生成一個φ30mm的芯棒用于材料性能測試。通過分析,由于套料加工的孔直徑D<100mm,孔徑較小且為深盲孔,腔體內(nèi)可操作空間有限,無法觀察到深孔內(nèi)部的加工工況,導(dǎo)致鉆孔后切斷操作較難,造成加工效率較低、刀具易損壞等情況[12,13],因此,需要設(shè)計(jì)一套用于完成小孔徑盲孔套料加工的切斷刀具。
因零件為圓筒狀,所以設(shè)計(jì)的切斷刀具外形也是圓筒形,即刀具的刀桿外圈是圓弧形,緊貼套料孔的內(nèi)壁上;刀具中間為通孔,可以套在零件中間的芯棒上;切斷刀穿過芯棒直接深入盲孔底部,再以某種方式迫使刀具從刀頭中擠出,并向下進(jìn)給切削,在工件和刀具旋轉(zhuǎn)的情況下將芯棒切斷;最后收回刀具,攜帶芯棒從工件中退出,完成加工。
圖1 零件結(jié)構(gòu)
針對上述尺寸形狀的材料所設(shè)計(jì)的切斷刀具結(jié)構(gòu)見圖2。切斷刀具由導(dǎo)向套、切斷刀片、內(nèi)刀桿和外刀桿四部分組成。其中,內(nèi)刀桿的刀頭部分設(shè)置水平槽和垂直通槽,水平槽中放入切斷刀片;而外刀桿前端突出的推桿可穿過內(nèi)刀桿刀頭上的垂直通槽,與切斷刀片上的斜面接觸,即外刀桿涵蓋內(nèi)刀桿,組成切斷刀具,最后使用導(dǎo)向套來穩(wěn)定切斷過程中的刀桿震動。
圖2 切斷刀具結(jié)構(gòu)
(1)切斷刀片設(shè)計(jì)
切斷刀片由刀片和一組彈簧構(gòu)成。刀片是普通的手磨刀片,頂部內(nèi)側(cè)為45°斜面,刀片的兩側(cè)面上分別設(shè)置有與其相垂直的兩個高度不一致的薄片,兩個彈簧分別位于兩個薄片的下表面(見圖3)。
圖3 切斷刀片結(jié)構(gòu)
因?yàn)榈毒哌M(jìn)行的是偏心切削,經(jīng)過實(shí)際考察,伸出的刀尖要低于工件圓心的半徑,才可能從側(cè)面切削掉芯棒,所以設(shè)計(jì)的圓薄片分別放置在刀片兩端上下不一致的地方,保證有足夠的力使刀具向下進(jìn)給。而薄片下端面放置兩個彈簧,使得切削時擠壓彈簧,擠出刀片;切削完成后,彈簧自動彈回刀片進(jìn)刀體內(nèi)部,進(jìn)行退刀。
(2)內(nèi)刀桿設(shè)計(jì)
如圖4所示,內(nèi)刀桿采用45鋼材料制成,熱處理后硬度為35HRC。刀頭設(shè)置于內(nèi)刀桿的前端,所述的刀頭外徑φ85mm,長50mm,內(nèi)刀桿外徑φ60mm,長5000mm。由于深孔加工的工作空間狹小,切屑不易排出,所以將刀頭前端切開,形成一個長34mm的半圓柱,留有的空間主要用于儲存切屑;半圓柱上設(shè)置有水平通槽(槽寬12mm),一側(cè)與軸線重合,最深處約17mm,主要用于外刀桿上的推桿縱向進(jìn)給運(yùn)動。在距離刀頭前端面10mm處的水平通槽位置設(shè)有垂直通槽,形成一個十字槽,垂直通槽內(nèi)安裝切斷刀片,且其兩側(cè)有深度不一致的圓形槽,深度與刀片兩側(cè)彈簧的長度相配合制作,刀頭和內(nèi)刀桿的中心設(shè)置有φ30mm的通孔,芯棒放置在通孔內(nèi)。
圖4 內(nèi)刀桿結(jié)構(gòu)
(3)外刀桿設(shè)計(jì)
如圖5所示,外刀桿采用45鋼制成,熱處理后硬度為35HRC。外刀桿的外徑為φ85mm,內(nèi)徑為φ61mm,長為4500mm。推桿長為55mm,形狀為前端底部設(shè)有45°斜面的長方體,上表面是φ85mm的圓弧,斜面的斜度與刀片頂部的斜面相配合(見圖6)。推桿設(shè)置于刀桿的前端,與內(nèi)刀桿刀頭上的水平通槽位置一致。
圖5 外刀桿結(jié)構(gòu)
(4)導(dǎo)向套設(shè)計(jì)
導(dǎo)向套由尼龍材料制成,外徑φ91mm,內(nèi)徑φ85mm,安裝在切斷刀片的工作位置。導(dǎo)向套在深孔加工中可以起到穩(wěn)定和扶持的作用,避免刀桿在切削時發(fā)生震動。
圖6 刀片斜面與推桿斜面配合
(5)裝配
內(nèi)刀桿的內(nèi)孔中放置芯棒,刀頭上的垂直通槽內(nèi)安裝切斷刀片,將外刀桿的推桿放入刀頭上的水平通槽內(nèi),外刀桿將涵蓋內(nèi)刀桿,在刀頭安裝導(dǎo)向套,切斷刀具整體裝配完成(見圖7)。
圖7 切斷刀具裝配
在套料加工完成后使用設(shè)計(jì)的切斷刀具進(jìn)行切斷加工,刀具僅需要30mm的工作空間,即60mm的間隙孔,切斷加工完成后,工件內(nèi)孔的底部為平面。
切斷刀具使用的具體步驟為:①裝配完成切斷刀具并進(jìn)入已經(jīng)套料加工完成的內(nèi)孔;②在機(jī)床尾部固定內(nèi)刀桿,工件旋轉(zhuǎn),外刀桿進(jìn)給;③加工參數(shù)為轉(zhuǎn)速30r/min,進(jìn)給量0.1mm/r;④外刀桿上的推桿與刀片上斜面接觸,迫使刀片向下進(jìn)給開始切斷加工;⑤切斷完成后停止旋轉(zhuǎn),將外刀桿退回到原始位置。此時刀片通過彈簧的壓力自動彈回原始位置,將切斷刀具退出內(nèi)孔,完成切斷,取出切斷的芯棒完成加工。
在實(shí)施切斷加工時,需注意以下幾種情況:①根據(jù)具體的材料和加工情況,選擇是否使用冷卻液,由于空間狹小,切削量小,一般不采用冷卻液,可提前將刀片浸濕后加工;②切斷加工完成后,退刀時需注意刀片是否順利彈回刀頭內(nèi)部,如蠻力拉出,可能導(dǎo)致切斷刀片損壞。③如果振動較大,可以增加導(dǎo)向套的長度,調(diào)整加工參數(shù),改變刀片結(jié)構(gòu)參數(shù),以減少振動。
針對測試工件材料所出現(xiàn)的切斷操作困難、測試結(jié)果與本體材料性能有出入的問題,設(shè)計(jì)了深孔盲孔套料切斷刀具,很好地解決了小直徑盲孔切斷的加工難題,降低了檢測樣本時取件操作難度,同時提高了加工效率和檢測準(zhǔn)確性。
與現(xiàn)有的切斷刀具相比,設(shè)計(jì)的切斷刀具有以下優(yōu)勢:①切斷刀在工作時所需要的工作空間小,可切除更大的棒芯,很好地解決了棒芯在根部難切斷的問題;②切斷刀片完成切斷任務(wù)后能自動回到原始位置,防止刀具在退回過程中刀片受損;③切斷刀可以適用于長徑比達(dá)50倍的深孔切斷加工;④刀具結(jié)構(gòu)簡單,便于操作,提高了盲孔套料的加工范圍。