新型一體結(jié)構(gòu)履帶板內(nèi)側(cè)倒角高效加工技術(shù)研究

趙 榮，張國振，盧士勇，毛永慧，安曉霞，劉曉艷

(1.北京北方車輛集團有限公司，北京 100072；2.中國人民解放軍駐618廠軍代室，北京 100072)

1 零件結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求

某新型一體結(jié)構(gòu)履帶板三維圖如圖1所示。與傳統(tǒng)分體式相比，新型一體結(jié)構(gòu)履帶板具有如下優(yōu)點：1)結(jié)構(gòu)輕巧、便于裝配；2)抗疲勞，使用壽命大大提高；3)磨損小，扭轉(zhuǎn)剛度大。新型一體結(jié)構(gòu)履帶板在一定程度上解決了分體式履帶板的諸多缺陷；但其加工制造難度大，成本明顯提高[1-2]。

圖1 新型一體結(jié)構(gòu)履帶板三維圖

新型一體結(jié)構(gòu)履帶板相關(guān)加工技術(shù)要求如圖2所示。該零件φ32孔長徑比超過5倍，屬于深孔；表面粗糙度為Ra0.8 μm，相對較高；零件材質(zhì)為42CrMo鍛造件，硬度較大。

圖2 新型一體結(jié)構(gòu)履帶板加工技術(shù)要求

2 加工工藝及存在問題

對于內(nèi)側(cè)兩孔的5×30°倒角和2×45°倒角，傳統(tǒng)的各種加工方法及過程見表1。采用傳統(tǒng)加工方法，由于傳統(tǒng)刀具不能進(jìn)行徑向伸縮，履帶板在機床上裝夾定位不便，且又無法旋轉(zhuǎn)，因此只能采用細(xì)長正反勾刀大懸臂加工，或采用較粗刀桿反復(fù)進(jìn)退、手動裝拆刀頭加工解決，這樣，不僅存在懸臂量大、刀桿剛度差、加工質(zhì)量不好等問題，而且頻繁調(diào)整機床反復(fù)進(jìn)退刀桿、在狹窄有限的空間內(nèi)手動更換刀頭[3]，造成加工費時費力，效率低下，表面質(zhì)量不高，嚴(yán)重制約了大批量生產(chǎn)需求。

表1 各種加工方法對比

3 新型徑向伸縮刀具設(shè)計

針對上述問題，設(shè)計開發(fā)了一種新型徑向伸縮刀具，在進(jìn)退刀時刀頭收縮，到達(dá)加工位置時刀頭徑向伸出切削加工，既兼顧了刀具靈活進(jìn)退刀，又解決了深孔加工中剛度不足的問題，并且避免了繁瑣的手動裝拆刀頭，使加工效率得到明顯提高。

3.1 設(shè)計要求

考慮到履帶板內(nèi)側(cè)倒角處加工的特殊性，對刀具設(shè)計提出如下2點要求。

1)當(dāng)?shù)毒叽┻^外端φ32小孔進(jìn)入要加工的倒角位置時，刀頭能很好地完成徑向逐漸伸出并鎖緊；當(dāng)加工完倒角，刀頭能很好地縮回，以方便進(jìn)退刀，保護刀具和被加工履帶板表面。

2)由于φ32孔長徑比超過5倍以上，屬于深孔，孔徑小、空間位置有限，應(yīng)保證刀具有足夠的強度和剛度。

3.2 設(shè)計原理

圖3 工作原理圖

3.3 關(guān)鍵設(shè)計點

3.3.1 偏心量e的確定

在刀具設(shè)計中偏心量的選擇是非常重要的，合理選擇偏心量有利于提高刀具壽命和改善切削狀況。偏心運動的目的是完成徑向走刀加工和進(jìn)退刀。確定偏心量應(yīng)考慮以下幾個因素：1)滿足被加工型面最大切削半徑要求，保證刀具有足夠的徑向伸縮量；2)保證刀具各部件強度和剛度，特別是在切削小孔時，如果偏心量過大，旋轉(zhuǎn)刀頭和推拉桿直徑太小，則會造成整個刀具剛度不足。

3.3.2 螺旋升角β的選擇

刀頭旋轉(zhuǎn)座上的螺旋槽是加工設(shè)計的重點之一。2個圓柱銷在螺旋槽滑動過程中類似滑塊在斜面上滑動。根據(jù)滑塊上升、下降均不自鎖條件，首先，螺旋升角β應(yīng)滿足tan-1μ<β<90°-tan-1μ(μ為滑塊與斜面間摩擦因數(shù))，一般情況下，鋼與鋼組成的斜面滑塊機構(gòu)之間摩擦因數(shù)較小(μ≤0.15)，這時摩擦角φ=tan-1μ≤8.531°，即8.531°<β<81.469°；其次，螺旋升角β太小，旋轉(zhuǎn)刀頭結(jié)構(gòu)太長不緊湊，螺旋升角β太大轉(zhuǎn)動不靈活、抗力太大甚至?xí)A柱銷扭斷。結(jié)合工程實際經(jīng)驗，螺旋升角β一般取12°～30°[5]。

3.3.3 把手移動距離與刀頭旋轉(zhuǎn)角度的協(xié)調(diào)控制

在實際使用時，為了有效控制刀頭收縮、伸出不同長度方便進(jìn)退刀和切削加工，可根據(jù)不同使用需求，靈活設(shè)計系列把手滑動槽形和擋環(huán)，從而實現(xiàn)刀頭不同旋轉(zhuǎn)角度狀態(tài)；但夾持桿上把手滑動槽和擋環(huán)厚度應(yīng)與刀頭旋轉(zhuǎn)角度有嚴(yán)格的數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系。為方便工人操作使用，本方案中優(yōu)先設(shè)計 3個擋位：“一擋位”，刀頭收縮狀態(tài)(0°)用來進(jìn)退刀；“二擋位”，刀頭最佳切削狀態(tài)(90°)用來切削加工；“三擋位”，刀尖最大伸出狀態(tài)(180°)用來切削補償。

3.4 刀具結(jié)構(gòu)及裝配連接

新型徑向伸縮刀具結(jié)構(gòu)圖和實物圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 可旋轉(zhuǎn)徑向伸縮刀具二維結(jié)構(gòu)圖

圖6 可旋轉(zhuǎn)徑向伸縮刀具三維實體圖

該徑向伸縮刀具主要由刀頭組件、推拉旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、鏜刀體、手柄調(diào)整鎖緊結(jié)構(gòu)和夾持桿組成。將可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金涂層45°刀片和60°刀片通過十字槽沉頭螺釘安裝在刀頭體的對應(yīng)刀槽中，再將刀頭壓板通過內(nèi)六角圓柱頭螺釘緊固在刀頭體上，這樣整個刀頭組件安裝完成。將滑動圓柱銷通過過盈配合裝入推拉桿內(nèi)，然后整體裝在鏜刀體圓柱孔內(nèi)，此時將止轉(zhuǎn)銷裝入鏜刀體內(nèi)，并對正推拉桿上的滑動槽，再將刀頭旋轉(zhuǎn)座插入鏜刀體上的偏心凸臺上，邊前后拉動推拉桿邊轉(zhuǎn)動刀頭旋轉(zhuǎn)座，使滑動圓柱銷滑入刀頭旋轉(zhuǎn)座上的2個螺旋槽內(nèi)，然后調(diào)整到位裝入止動銷，這樣推拉旋轉(zhuǎn)機構(gòu)就安裝好了。此時，通過內(nèi)螺紋圓柱銷將刀頭組件安裝在刀頭旋轉(zhuǎn)座上，將夾持桿擰緊在鏜刀體尾部，將手柄桿穿過夾持桿上的槽口擰入推拉桿螺紋孔內(nèi)，將球頭把手裝在手柄桿另一端，將3個莫氏擋環(huán)、間隔環(huán)和鎖緊圓螺母依次裝入夾持桿內(nèi)，將端蓋通過4個端蓋螺釘固定在夾持桿尾部，整個刀具安裝完畢。其中，止轉(zhuǎn)銷能有效平衡推拉桿受的扭矩防止轉(zhuǎn)動，并起到限位的作用；止動銷能防止刀頭旋轉(zhuǎn)座軸向竄動，并保證刀頭組件靈活旋轉(zhuǎn)；刀頭旋轉(zhuǎn)座尾部對稱布置的2個右旋螺旋槽與推拉桿前端過盈配合的滑動圓柱銷組成配合的螺旋機構(gòu)，將軸向直線移動轉(zhuǎn)變?yōu)榈额^的正反旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)了刀具的徑向自動伸縮。

該設(shè)計巧妙地將直線移動轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪D(zhuǎn)動，再將螺旋轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)槠呐_上刀頭的旋轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)了刀頭的徑向伸長和縮短；同時，采用雙刀片模型一次穿過φ32細(xì)長深孔加工出履帶板內(nèi)側(cè)5×30°倒角和2×45°倒角，既避免了細(xì)長刀桿大懸臂加工剛度不足的問題，又解決了頻繁更換刀片加工費時費力的問題，使加工效率和加工質(zhì)量得到大大提高。其突出的優(yōu)勢體現(xiàn)在：1)徹底解決了φ32細(xì)長深孔中部內(nèi)側(cè)5×30°倒角和2×45°倒角無法有效加工的難題；2)刀具結(jié)構(gòu)新穎，剛度好，滿足深孔加工技術(shù)要求；3)采用模塊化、柔性化設(shè)計思想，刀頭模塊可根據(jù)加工要求靈活更換、把手鎖緊擋環(huán)可根據(jù)刀頭旋轉(zhuǎn)角度需求靈活調(diào)整更換；4)工人操作使用方便，避免了過多生產(chǎn)等待浪費，效率得到明顯提升；5)刀具制造成本低，在批量生產(chǎn)時，經(jīng)濟效益尤為突出。

4 刀具在機床上實際使用效果

刀具采用模塊化設(shè)計，裝配結(jié)構(gòu)簡單，在機床上操作使用方便，加工時推動把手并轉(zhuǎn)動擋環(huán)鎖定即可。之前采用車床CD6140A加工一塊新型一體結(jié)構(gòu)履帶板內(nèi)側(cè)30°倒角和45°倒角耗時30 min(包括頻繁裝拆刀片和操作準(zhǔn)備時間)，加工成本約60元(包括人工成本和刀具費用)，加工質(zhì)量穩(wěn)定性差。采用新開發(fā)刀具一次進(jìn)退刀后，可以高效率完成30°倒角和45°內(nèi)側(cè)倒角處的加工。經(jīng)大批量生產(chǎn)驗證表明，加工1件耗時2 min，平均加工成本約15元，加工效率提高了15倍，單件成本也降低了4倍多，滿足了高效率、低成本生產(chǎn)需求。

5 結(jié)語

通過對新型一體結(jié)構(gòu)履帶板內(nèi)側(cè)倒角加工的系統(tǒng)研究，積累了對兩端小中間大異形孔零件加工的經(jīng)驗，特別是徑向伸縮刀具的創(chuàng)新性開發(fā)設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單、巧妙實用，給解決此類問題提供了一種新方法、新思路，也遵循“從理論到實踐，在實踐中驗證理論的正確性”的科學(xué)認(rèn)知過程。此類刀具的功能可以進(jìn)一步地研究推廣和拓展，具體包括：1)可以根據(jù)不同孔徑加工要求，將此類刀具系列化、標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)設(shè)計；2)可以靈活更換刀頭組件(見圖7)，加工兩端小中間大中部帶有圓柱面、圓角R、倒角C等異形孔；3)可以根據(jù)加工需求，靈活更換莫氏擋環(huán)，精確控制刀頭0°～180°任意旋轉(zhuǎn)角度狀態(tài)切削加工；4)在推拉桿后面配置數(shù)控伺服進(jìn)給系統(tǒng)，可實現(xiàn)軸向和徑向聯(lián)動走刀加工，甚至能解決兩端小中間大中部帶有圓錐面的異形孔加工問題。

圖7 刀頭模塊化裝刀方案圖

總之，此類刀具的功能不僅局限于履帶板內(nèi)側(cè)倒角加工問題，其附加功能和使用價值可進(jìn)一步推廣與拓展運用。刀具結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新突破，為解決兩端小中間大中部帶有圓柱面、圓錐面、球面、清圓角和倒角等異形孔的加工問題，提供了一種新方法、新措施。

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