垂直相交孔相貫線的倒角夾具設(shè)計(jì)

■ 郭明生/四達(dá)機(jī)械制造公司

0 引言

某型飛機(jī)主起外筒、轉(zhuǎn)軸垂直相交孔在加工后會(huì)產(chǎn)生殘留的毛刺,認(rèn)真去除毛刺是防止孔銳邊產(chǎn)生應(yīng)力集中的重要步驟。去除毛刺的常用手段是電化學(xué)加工,或?qū)⑸凹埨p繞在長竹棒上深入孔中打磨,或使用勾形刀具手工去除。但當(dāng)圖樣要求倒角C1時(shí)較難做到,這就使研究新的加工倒角途徑十分必要。

該型飛機(jī)主起外筒、轉(zhuǎn)軸垂直相交內(nèi)孔的直徑為Φ14,該孔分別與Φ20、Φ40、Φ65的孔相貫,圖樣要求在以上相貫線上倒角C1。由于相貫線在內(nèi)孔上,孔的深度較深,孔徑又小,使用常規(guī)工具無法實(shí)施操作,電化學(xué)方法只能去除毛刺,無法達(dá)到圖樣要求,必須設(shè)計(jì)制造一種加工相貫線倒角的專用夾具和刀具。

1 垂直相交孔相貫線的分析

垂直相交孔形成的相貫線展開后的曲線正好是一段一個(gè)周期的正弦曲線。兩相交孔的直徑接近時(shí)其正弦曲線的振幅較大,在相應(yīng)的相貫線上加工倒角難度大；兩相交孔的直徑差較小時(shí)其正弦曲線的振幅較小, 在相應(yīng)的相貫線上加工倒角難度較小。

垂直相交孔的相貫線如圖1所示。

2 如何使刀具沿相貫線軌跡運(yùn)動(dòng)

從俯視圖看相貫線的投影為圓形,刀具在此投影上應(yīng)按圓軌跡運(yùn)動(dòng)；從相貫線的展開圖看刀具應(yīng)按正弦曲線軌跡運(yùn)動(dòng)；綜合起來刀具軌跡應(yīng)一邊轉(zhuǎn)動(dòng)一邊上下起伏運(yùn)動(dòng)。因此,在夾具設(shè)計(jì)中擬采用一個(gè)端面凸輪,凸輪的型面符合正弦曲線規(guī)律,凸輪型面帶動(dòng)刀具完成空間曲線的加工。

在ProE 5.0繪圖軟件中有一個(gè)內(nèi)部參數(shù)（即軌跡參數(shù)）trajpar,它是從0~1的變量,代表掃描特征的長度百分比。掃面開始時(shí)trajpar的值為1,結(jié)束時(shí)為0。以Φ14孔與Φ20孔相交為例,其相貫線展開后的振幅為2.86mm,一個(gè)周期有兩個(gè)波峰兩個(gè)波谷。用可變截面掃描命令Var Sect Sweep結(jié)合關(guān)系式sd4=1.43×sin(trajpar×360×2)即可做出端面凸輪,如圖2所示。

夾具設(shè)計(jì)時(shí),在一根軸的上端安裝刀具,刀具的兩個(gè)刀刃相對(duì)置于180?方向；軸的中部安裝一對(duì)小軸承,軸承的外輪廓在彈簧力作用下始終與凸輪表面接觸,軸承在凸輪的表面滾動(dòng),軸一邊轉(zhuǎn)動(dòng)一邊上下起伏運(yùn)動(dòng),此時(shí)刀刃劃過的軌跡正好是孔的相貫線,相貫線部分的材料就一點(diǎn)一點(diǎn)地被切削下來,最終達(dá)到規(guī)定的尺寸。圖3為夾具的3D圖,圖4為夾具的工程圖。

圖1 垂直相交孔的相貫線

圖2 端面凸輪

3 如何安裝刀具

要使刀具隨軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)并能承受一定的切削載荷,本設(shè)計(jì)采用了端齒連接方式。在軸上開有一字槽（見圖5）,刀具上有一字型凸臺(tái)（見圖6）,刀具軸線方向有孔,用于螺釘頭穿過,用螺釘將刀具壓緊在軸上。

圖3 夾具3D圖

圖4 夾具的工程圖

圖5 軸上的一字槽

圖6 刀具上的一字凸臺(tái)

4 刀具的耐用度和啃刀問題的解決

按設(shè)計(jì)方案,前期使用金剛石磨頭,雖然能在相貫線上加工出符合要求的倒角, 但磨損太快,無法滿足批量修理的要求。磨損太快的原因?yàn)橄嘭灳€是比較尖銳的棱邊,金剛石磨頭的受力范圍非常集中,而且被加工的材料為30CrMnSiNi2A,硬度接近HRC50,所以磨頭切削部分很快就磨損了。

之后改為硬質(zhì)合金刀頭,但材料太脆,容易損壞,主要原因是刀具的前角為正,刀具太鋒利,刀尖強(qiáng)度不夠。之后又改為高速鋼刀頭和硬質(zhì)合金刀頭,并且將刀片的前角改為負(fù)值,由原來的切削改為刮削,這樣就可以有效避免啃傷零件或刀具崩刃,但硬質(zhì)合金負(fù)前角的刀片顯得比較鈍,加工效果差。

加工過程中沿相貫線去除材料時(shí)發(fā)現(xiàn)吃刀不均勻現(xiàn)象,吃刀深時(shí)刀具被卡住,強(qiáng)行吃刀零件會(huì)被啃傷或刀具崩刃。經(jīng)分析,刀具的安裝位置是以刀具完成倒角的最終位置確定的,刀片與刀桿之間是剛性連接,刀片不能上下浮動(dòng),所以在剛開始吃刀時(shí)刀刃強(qiáng)行吃入材料中,刀具轉(zhuǎn)動(dòng)阻力很大,導(dǎo)致零件被啃傷或刀具崩刃。解決方法是將刀片的一字凸臺(tái)部分加高,同時(shí)將軸上的一字槽加深,同時(shí)在刀片的背后加一個(gè)背壓彈簧,使刀片切入材料的力量由端面凸輪和刀片的背壓彈簧共同組成,在相貫線的材料被一層一層去除的過程中,背壓彈簧始終對(duì)刀片施加壓力,避免了啃傷零件或刀具崩刃。

試用過程中還發(fā)現(xiàn),在剛開始切削相貫線材料時(shí)可將螺釘壓緊背壓彈簧的力調(diào)小一些,隨著加工深度的增加可以逐步擰入螺釘,將背壓彈簧的力加大,這樣就可以保證整個(gè)切削過程被加工部分有足夠的正壓力,既不打滑又不啃傷零件。

5 創(chuàng)新之處

符合正弦曲線規(guī)律的端面凸輪設(shè)計(jì)和加工刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是此夾具的創(chuàng)新點(diǎn)。目前市面上常規(guī)孔口倒角工具針對(duì)的都是平面上的孔口,未發(fā)現(xiàn)有針對(duì)空間曲線的倒角夾具和工具。

6 不足之處

相貫線倒角之后形成一個(gè)空間的環(huán)帶（以2×45?為例）,如圖7所示,此環(huán)帶的每一點(diǎn)的法線均不同,如圖8、圖9所示。另外,當(dāng)兩相交孔的直徑越相近時(shí),其環(huán)帶的法線方向的角度變化就越大；而當(dāng)兩相交孔的直徑相差較大時(shí),法線方向的角度變化不大。

本設(shè)計(jì)中刀具的夾角目前只能以最大夾角為準(zhǔn)（見圖8）,然后使用柔性砂輪修正倒角的方向。目前,被加工的交叉內(nèi)孔相貫線是由Φ14孔分別與Φ20、Φ40、Φ65孔相貫形成的,上述問題還不是很突出,加工的相貫線倒角比較完美。

圖7 環(huán)帶

7 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)對(duì)在垂直相交孔的相貫線上加工倒角問題進(jìn)行了分析,較好地解決了交叉孔加工后去除飛邊毛刺問題。特別是,對(duì)于孔徑小、孔深度大的零件鉆孔后無法用其他方法倒角時(shí),采用本方案能夠達(dá)到倒角去除飛邊毛刺、去除應(yīng)力集中點(diǎn)的目的。

圖8 環(huán)帶的法線方向

圖9 環(huán)帶的法線方向