深孔盲孔套料切斷刀具的設(shè)計(jì)

祝海珍，袁艷，田春雷

西安工業(yè)大學(xué)

1 引言

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(duì)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(duì)材料的要求也越來越高，使得對(duì)材料的檢測(cè)越來越嚴(yán)格[4]。

為完成對(duì)材料性能的測(cè)試工作，最初的辦法是在生產(chǎn)工件時(shí)，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(cè)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(cè)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(cè)試。但采用這種方法同樣會(huì)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(cè)試結(jié)果不能充分反映本體材料的性能[7，8]。

目前，對(duì)小孔徑深孔盲孔測(cè)試件取樣進(jìn)行材料性能檢測(cè)時(shí)，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(cè)試中有著較大的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

2 零件工藝性分析及加工方法

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(duì)于內(nèi)孔直徑在100mm左右的深孔加工時(shí)，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(gè)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(duì)于工件材料較為昂貴或者對(duì)芯部要進(jìn)行性能測(cè)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(gè)φ30mm的芯棒用于材料性能測(cè)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)

3 切斷刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 切斷刀結(jié)構(gòu)

針對(duì)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(dòng)。

圖2 切斷刀具結(jié)構(gòu)

3.2 零件設(shè)計(jì)

(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(gè)高度不一致的薄片，兩個(gè)彈簧分別位于兩個(gè)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(gè)彈簧，使得切削時(shí)擠壓彈簧，擠出刀片；切削完成后，彈簧自動(dòng)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(gè)長34mm的半圓柱，留有的空間主要用于儲(chǔ)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(dòng)。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(gè)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(shí)發(fā)生震動(dòng)。

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

4 切斷刀具的應(yīng)用方案及使用要點(diǎn)

4.1 切斷刀具的應(yīng)用方案

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(shí)刀片通過彈簧的壓力自動(dòng)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。

4.2 切斷刀具的使用要點(diǎn)

在實(shí)施切斷加工時(shí)，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(shí)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(dòng)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(dòng)。

5 結(jié)語

針對(duì)測(cè)試工件材料所出現(xiàn)的切斷操作困難、測(cè)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(cè)樣本時(shí)取件操作難度，同時(shí)提高了加工效率和檢測(cè)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(shì)：①切斷刀在工作時(shí)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(dòng)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(jiǎn)單，便于操作，提高了盲孔套料的加工范圍。