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小孔徑大深度長錐孔的刀具設計

時間:2011-05-27 08:27:42 來源:未知

1 前言

在通常情況下，大深度或小直徑內錐孔都是采用成型鉸刀的方法加工。用刀具的幾何精度來保證被加工孔的精度.這一方法的致命弱點是精成型時必須是鉸刀刃口上的有效段全長接觸，切削抗力十分大，這就大大限制了用這種方法所能加工的錐孔長度。如果在加工較長的錐孔，刀具結構所限定的強度又不允許一刀成型的情況下，只有采用分段加工，分段后每段加工技術是比較成熟的。對于待度要求高(主要指粗糙度)的內錐孔，分段加工后的對接狀況是影響整個內孔質量的關鍵因素。對于對接處要求面與面的直線聯接，現階段機械加工水平根本無法達到。追求兩錐之間最大限度的平滑過渡具有重要的現實意義。

2 被加工件概述

YEPb二級輕氣炮是國內一科研機構制造的一種國防工業的重要科研設備.其中核心關鍵件是高壓段內套，所要加工的內錐孔如圖1所示。
圖1 高壓段內套內錐孔結構
圖2 改進后的內錐孔結構
從簡圖中可看出該孔屬于小內徑(最小處為f25)，大深度，長內錐孔.要將全長約536的8°內錐孔加工成同角度的整體錐孔，在分廠現有加工條件下是無法實現的。

3 提出結構改進健議

對該結構的內錐孔，從幾十年的加工經驗、內錐孔加工的技術儲備，咨詢有關專業廠家和業內深孔專家，查閱有關內錐孔技術情報等，均未找到有效可行的方法。于是根據分廠原來生產過的各種大炮內膛結構和工作原理，提出分段變角組合錐體結構的建議。如圖2所示。這樣的結構改進不但未改變原零件的羞本性能，又提高了工藝性。

4 影響工件關鎮特性的要素

根據設計要求該零件的內錐孔在工作時要承受800MPa以上的超高壓，據此錐孔加工后的粗糙度是一關性特性。粗糙度主要由光整加工來保證。而光整之前的錐孔成型質量的好壞又直接影響到光整是否能符圖。
由此可見保證整個錐體RaO.4 的要求有兩個基本要點。一是每段錐精鉸后的粗糙度必須在Ra3.2～Ra1.6之間。二是要保證每段錐與錐相交必須是凸出的相交梭線，不得有凹陷的折線成階躍式臺階。后一點對以后的光整加工尤為重要。因為在對誰孔進行光整拋磨時，凸出點總是被最先接觸，且接觸面積小，很容易被清除。如果是凹點，那么凹陷處總是最后接觸，要清除這個缺陷必須先清除所有比它高的面，顯而易見這是很困難的。如果是階躍式臺階，那么必須要將整個高出的臺階面消除才能達到平滑過渡。前述第一個要素從以往的經驗證明是比較容易達到的，有成熟的技術作后盾，不是加工符圖的難點。所以能否保證在成型加工中任憊相鄰兩錐不出現凹折線和階躍式臺階就成為了能否保證最終加工符圖的關鍵。
用成型鉸刀加工的錐孔的實質是用刀具的幾何精度來保證被加工孔的精度，成型刀具的幾何精度就成為制約所有因素的總根源。所以刀具設計就圍繞錐與錐相接只允許出現凸出棱線，避免出現凹折線和階躍臺階這個主題進行。

5 提出刀具設計的對策

首先在結構改進時將錐體的錐角變化設置為隨孔徑減小成遞減分布的組合錐，從結構上保證相鄰錐體相接不會出現凹折線。其次再分析兩錐對接產生階躍式臺階的原因。因是分段加工，每段加工是否同軸直接決定了是否產生臺階。前后二錐同軸度的高低決定了相接處臺階的大小。要保證高的同軸度，必須解決刀具的定位精度和剛性間題，它側重于輔具的設計，在此不作贅述。再則，定位精度，剛性再高也有一定的公差范圍，也就是有一定的不可忽視的累積誤差，從這點講分段越少越好.但是分段的多少又取決于刀具一次最大加工長度，一次最大加工長度又取決于刀具和被加工零件材質的強度組合，也受制于刀、輔具的結構形式。 #p#分頁標題#e#
根據工廠現有能力和產品合同期僅150天的客觀條件，選用成型錐度樣板刀是最可行的加工方式。成型誰度祥板刀用合金工具鋼制造。采用合金工具鋼加工材質為PCrNi3MoV-P-85的工件。工廠有較豐富的經驗。再結合被加工孔徑所可能采用的工具頭結構，最后確定將原8°錐分為四段結構，如圖2所示。
從錐孔結構不難看出，相鄰兩錐孔的對接質量受制于徑向、軸向兩個坐標的影響。成型樣板刀的直徑是影響徑向坐標的因素。主要是加工過程中的磨損使徑向因素發生變化。刀具的軸向進給是軸向坐標，主要是由機床的精度決定，加工中軸向進給的準確性，多次反復退、進刀的復位精度，使軸向因素發生變化。
因此先分析軸向進給對相鄰兩錐對接質量的影響。對接處的成型由相鄰兩錐處小錐鉸刀的大徑和大錐鉸刀小徑產生.遠端的大錐鉸刀大徑和小錐鉸刀小徑與相鄰錐對接成型無關，所以不予考慮。根據設計的多種組合錐加工的工藝方案，最后經多次論證決定采用由大孔方向進刀由小錐至大錐方向后退加工的工藝方案。在這種工藝方案條件下來討論相鄰兩錐的對接情況。
在此先對有關尺寸和術語作如下的約定:
大錐鉸刀小徑—Ø1；大錐鉸刀大徑—Ø2；
小錐鉸刀大徑—Ø3；小錐鉸刀小徑—Ø4；
大錐錐角—2g；小錐錐角—2q；
大小錐分段處名義軸向尺寸—A；大小錐分段處名義徑向尺寸—Ø；
大小誰相接時名義分段直徑實際軸向進給值—A'；
軸向進給正位—A'=A時;
軸向進給過位—A'>A時;
軸向進給欠位—A'
  • 假設小錐校刀大徑與大錐鉸刀小徑都等于名義分段直徑，即Ø1=Ø3=Ø
    1. 如果先加工小錐后加工大錐，大錐鉸刀軸向實際進給值A'等于大小錐名義軸向分段尺寸A,即進給為正位，也即A'=A時，那么就形成YY'H輪廓線(相交時的組合錐母線)，這是最理想的，見圖3。
      圖3 Ø1=Ø3=Ø時兩錐相交的組合錐母線示意圖
    2. 如果 A'>A，也即A'=A+D，那么就形成ZZ'MH輪房線，這樣就在大小錐面間產生一個小錐高于大錐面Osing值的臺階。
    3. 同理如果A'D,就會形成XX'Y'H輪廓線，在大小錐面間產生一個大錐高于小錐面D·sing值的臺階。
    • 上述的D值實際就是軸向進給誤差，它產生了對刀誤差和軸向尺寸測量誤差。這兩種誤差都是不可避免的。根據經驗對刀誤差在±0.05左右，軸向尺寸測量誤差在±0.5左右。按最小錐角的ⅡⅣ相交處g=3°50'，最大累積D值為0.55計。臺階值=0.55×sin3°50'=0.037，這意味著在后續的光整加工中要將110長的Ⅱ錐或90長的Ⅳ錐整體單面消除近0.04,難度較大。而小直徑大深度的光整加工本身就是一個大難題。所以這樣的對接形式是不行的。
    仔細分析上面的間題，產生對接臺階是因為小錐鉸刀大徑和大錐校刀小徑相等，決定了大小錐相交是一個固定點。從前面分析可知要保證兩錐相交線是一凸出梭線，那么交點既可以在已加工的小錐腳線上，也可以交在擬成型的大錐廓線上。如果考慮延長小錐大徑刃線或大錐小徑刃線就可以使交點落在延長的刃口軌跡上。而延長的刃線在軸線上有一投影長度，這個長度即是允許軸向進給的誤差。
  • 假設小錐校刀大徑增大一個D#p#分頁標題#e#Ø值(也可以折算成大徑端刃口延長一個DL值)。
    • 即Ø3=Ø+DØ
    1. 如果A'=A，將形成YY'M廓線，保證大小錐相交是凸棱線，見圖4。
      圖4 Ø3=Ø+DØ大小錐相交形成凸棱線示意圖
      Ø1—大錐鉸刀小徑 Ø—大小位分段直徑
      Ø3—小錐鉸刀大徑 Ø2—大錐鉸刀大徑
      A—大小錐分段處的名義軸向尺寸
      +D—大錐鉸刀在小端直徑有余量Ø-Ø1條件下允許大錐鉸刀對A值軸向進給過位量
      -D—在小錐鉸刀大端有直徑余量Ø2-Ø條件下允許大錐鉸刀對A值軸向進給欠位量
      圖5 大錐對小錐的及蓋及加工時對軸向進給誤差的計算
      圖6 精鉸刀片結構圖
    2. 如果A'=A+D,，將形成ZZ'MH廓線，大小錐間產生一個小錐高于大錐面Dsing的臺階。
    3. 如果A'=A-D，將形成XX'H廓線，也保證了大小錐相交是凸棱線，只是較A'=A相比交點由Y'移至X'，即在小錐鉸刀大徑刃口延長線上。由此可見只要延長了兩錐相交小錐鉸刀大徑就允許后加工(大錐)的軸向進給有一個小于名義分段軸向尺寸的誤差值(-D)。
  • 同理也可以推導如果延長相鄰錐大錐鉸刀小端刃口長度就允許后加工(大錐)的軸向進給有一個大于名義軸向分段尺寸的誤差值(+D)。
  • 如 果 將2,3合并那么就會產生一個允許的軸向進給的雙向公差值.更方便了加工，降低了加工難度(見圖5)。
    • 正負D值由下式求得:
    -D=Ø3-Ø(tgg-tgq)2tggtgq
    (1) -D=Ø-Ø2(tgg-tgq)2tgqtgg
    (2)
    由此得出結論，在不等錐條件下，保證相鄰兩錐相接只產生凸出的梭線必須滿足:3-Ø)/2
    ②允許軸向進給過位只與大錐小端余量有關:即(Ø-Ø#p#分頁標題#e#1)/2
    從另一方面講延長了鉸刀的大小端尺寸，也就增大了結構，這與分段加工的初衷是矛盾的—即最大限度地利用刀具強度增加每段加工長度，減少分段數。但是如果根據前面提到的軸向進給經驗誤差，計算要予留的刃口長度。這個值不會超過原分段長度的10%。從強度富余量上講基本上可行。
  • 再分析刀具磨損—徑向因素改變，對相鄰兩錐對接形成的影響。刀具磨損直徑只能是減小，且大小徑都要減小。如前面已分析那樣，如果對還有下一小錐的錐(比如Ⅱ錐下面還有Ⅳ錐)來講，就是大錐小徑的減小，反而有利于增加允許過位量(＋D)，不會增加產生臺階傾向。但是大端大徑的減小對于還有上一大錐(比如Ⅱ錐上面還有Ⅰ錐)來講就是小錐大徑的減小，它就減小了加工上一大錐(比如Ⅲ錐過后再加工Ⅱ錐)的軸向許用欠位最(-D)。其減小程度舉例分析。
    • 按圖2選 取兩端都有相鄰錐的Ⅲ錐刀片為例。按(1)、(2)公式進行計算分析。
    Ⅲ錐與Ⅱ錐相鄰時g=4°10'，q=3°50'，Ø=51.673，將數據代入軸向欠位量-D計算公式: -D=Ø3-Ø(tgg-tgq)2tg2g

    設(tgg-tgq)/tg2g=M，Ø3-Ø=DØ
    -D=DØ/2·M代入數值
    則有-D≈0.55DØ≈½DØ
    由此可看出許用軸向欠位的變化量只有刀具直徑變化量的一半。刀具的磨攝量一般是較小的，故刀具磨損引起的軸向欠位減小是很微弱的。如果工藝上按設計許用值的2/3控制，即將0.55控制在2/3×O.55=0.367，那么1/3欠位的保險值為0.18，折算為刀具大端直徑減小量就是0.33,就是說實際欠位量按設計值的2/3控制，刀具大端磨損0.33(直徑)是無妨的。況且軸向進給已是按雙向誤差設計。故工藝上有意適當減小軸向進給的欠位偏差也并不困難。另外，如前所述刀片整體磨損后過位偏差可以增大，它可以彌補欠位偏差的減小，使得整個軸向進給公差帶并未減小。最后還可以采用粗、精鉸分開，盡量減少精鉸量，減少精刀片的磨損提高成型質量。這些措施都能非常有利地保證相鄰兩錐的正確相接。
    綜合以上分析，保證相鄰兩錐相接只出現凸棱線的關鍵在于正確設置錐度成型樣板刀的大小錐兩端的刃口富余量和精確控制軸向進給尺寸(與刀具磨損量關系較小)。
    在實際加工中，因刀具磨損重新刃磨后可重新復檢各錐校刀的大小端尺寸，而根據(1),(2)過、欠位公式不斷調整量D值。就能保證相鄰兩錐相接只出現凸棱線。這是因為名義分段尺寸A量不是很重要，它是根據工藝需要任意設定的，并非產品設計值，這就給工藝一個很大的自由空間。

      6 刀具設計的實例及加工效果

      圖6是加工，錐用的精校刀片。圖中的小端Ⅰ2是小端延伸部分，大端直徑放大1.467相應長度延長133-12-110=11mm。
      設計的這套組合錐體鉸刀，通過六件內套的加工，完全達到了改進后的設計要求。為分廠乃至集團公司在小孔徑大深度長錐孔的加工方面積早了十分寶貴的經驗，大大拓展了深孔加工能力。#p#分頁標題#e#