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当加工薄壁件小孔用铰刀的优化设计

发布时间:2021-09-09 19:34:21 阅读: 来源:制丸机厂家

加工薄壁件小孔用铰刀的优化设计

1 问题的提出

我公司采用铰削工艺对汽车操纵杆总成中导块(见图1)上的孔进行精加工,由于该孔的孔壁较薄且不均匀,使用普通铰刀进行加工时,孔径易回缩,尺寸不稳定,孔壁表面质量较差,孔的轴向直线度难以满足零件工艺要求,且刀具耐用度较低,从而使该工序成为影响整个工艺路线的“瓶颈”。虽然采取了增加铰刀刃磨次数、增大铰刀外径等改进措施,但效果并不理想。如改用拉削工艺加工,则因孔径较小而使刀具制造难度大、费用高,且需增加设备投资。为此,我们针对存在的问题进行质量攻关,对加工薄壁件小孔的铰刀进行了优化设计。

图1 工件(导块)图

2 铰刀几何参数的优化设计

通过对实际加工过程进行检测分析,发现存在两个问题:①因切削层较薄,造成切削困难,刀具磨损严重,孔壁表面加工质量差;②因径向铰削力较大,孔壁较薄且不均匀,使刀具振动较大,加工出的孔径尺寸波动较大。为了从根本上解决上述问题,需对铰刀几何角度进行优化设计。由于加工设备采用专用机床,进给量调整范围较小(0.20~0.25mm/r),因此刀具主偏角kr是决定切削层厚度和径向切削力大小的关键参数。用于加工钢等韧性材料的普通硬质合金铰刀的主偏角通常取kr=12°~15°(最大可取kr=30°)。由于铰孔时切削层厚度仅为ac=0.025~0.032,铰刀刃口稍有磨损,切削层便难以剥离而造成挤压,使切削力(尤其是径向切削力Fr)急剧增大(见图2a)。为解决这一问题,设计时将铰刀主偏角增大为kr=60°,从而使切削层厚度ac增大一倍,径向切削力Fr减小一半(见图2b)。由于铰孔为精加工,切削余量较小,因此增大主偏角kr引起的轴向切削力Fo增大对加工过程基本无影响。

图2 切削层与切削力分析图

为获得较理想的孔壁表面粗糙度,将铰刀的切削锥部设计为分段切削形式,两段切削刃的主偏角分别为kr1和kr2(见图3)。其中,主偏角较大的主切削刃担负主要切削任务;主偏角较小的过渡刃起微量切削及熨光作用。但由于过渡刃的主偏角kr2较小(0°30'~1°30'),因此在铰刀磨制过程中两段切削刃的交点难以控制,使加工质量不够稳定。由于该铰刀用于铰削通孔,因此磨制铰刀时可在铰刀前面磨出一个刃倾角",这样即可在圆柱刃和倒角刃的后刀面上相贯出两段切削刃,通过调整铰刀几何参数(K1、K2、a1、a2、l),即可确定两段切削刃的偏角和切削量。采用刃倾角l还可起到增加切削过程平稳性、减轻切削振动、增大切削锥部切削刃前角的作用,从而可减小铰削后孔径的波动量,提高铰孔质量。

图3 两段切削刃示意图

3 铰刀几何参数的计算

铰刀优化设计的关键在于确定各几何参数间的数学关系。为此,建立铰刀切削刃的直角坐标系(见图4)。

图4 铰刀切削刃坐标系

铰刀的刃倾面方程为

Y=(X-K2)tanl(1)

铰刀的圆柱刃后刀面方程为

Y=(Z-RA)/tana(2)

铰刀的锥切削刃后刀面方程可通过对XOY平面进行三次坐标变换(一次平移、两次绕坐标轴旋转)而得到,即为(3)

其中,X"=0。简化式(3)可得

X他又表示“这类材料比羽毛轻+Y(coskrtana2+tankrsinkrtana2)-Ztankr=RAtankr+K1(3')联立求解方程式(1)、(2)、(3),可得两段切削刃的拐点B的坐标为

XB=(K1-K2Etanl)/(1-Etanl)

YB=(K1-K2)tanl)/(1-Etanl)

ZB=(K1-K2)tanatanl/(1-Etanl)+RA

式中,E=tan(1-Etankrtana1-tankrsinkrtana2-coskrtana1。联立求解方程式(1)、(3')和YOZ平面方程,可得端面点C的坐标为XC=0

YC=-K2tanl

ZC=(RAtankr-K1-K2coskrtana2tanl-K2sinkrtankrtana2tanl)/tankr

根据工件的扩孔尺寸f11.8mm和铰孔尺寸k12.006~12.03mm,可确定铰刀直径为k12.025便于检测位置的调剂;伺服机电驱动精密丝杠带动加载履行机构沿Z轴运动实现实验力的施加~12.032mm。在本加工实例中选取K1=0.7mm,K2=2.5mm,a1=8°,a2=15°,l=10°,kr=60°,根据粗铰、精铰余量为2:1的分配关系,可将温度设定值SV(红色显示)调到所需的设定温度值上求得粗铰余量为1.3156mm(双边),精铰余量为0.0765(双边)。

根据计算结果,设计制造了采用不等齿距结构的专用铰刀(见图5)。该铰刀应用于实际生产后,加工效果良好,完全解决了原来存在的加工质1、解橡胶低温脆性实验机平常保护量问题,且刀具耐用度提高了3倍。现已将铰刀设计过程程序化,实现了计算机辅助设计,并将该设计思路推广应用于其它孔加工刀具的设计。

图5 铰刀设计图

(end)

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