組合機床鏜孔車端面鏜刀系統分體式改進

狄景微，吳貴軍

(1.安陽第二機床廠，河南 安陽 455000;2.安陽工學院 機械工程學院，河南 安陽 455000)

0 引言

組合機床是根據加工工件的功能需求，按照合理的制造工藝將各種標準部件及專用夾具組合在一起的專用高效的設備，在當今汽車制造業中廣泛應用。鏜孔車端面動力頭由于其能夠鏜出較高內孔精度，同時保證端面與內孔的垂直度，從而大大提高了加工效率和零件加工質量，在組合機床中被普遍應用。一方面隨著我國工業化進程的快速推進，絕大部分企業在“優勝劣汰”競爭機制下，需要不斷提高產品的質量，以適應市場、用戶對產品質量不斷提高的需求，產品必須從低精度、低附加值向高精度、高利潤轉型，精密加工技術是保障產品質量的基礎，鏜孔車端面機床作為高精度加工的常用設備，是企業必備的設備之一。

而目前的鏜孔車端面動力頭大多數生產企業幾十年來一直采用的刀桿為一體化結構設計，而在實際生產中，由于工件的種類多樣性，導致需要鏜削的內孔尺寸也是千變萬化，一個刀桿加工內孔尺寸只能在一定范圍變化，生產企業必然要準備很多不同的直徑鏜刀桿，而且刀桿固定到刀盤上時，為了使刀桿和刀盤同心，采用兩個柱銷定位，經常拆卸刀桿對柱銷會產生一定的磨損，影響刀桿與回轉軸線的的同軸度，會嚴重影響內孔的加工精度。采用分體式設計，即將刀桿分開設計，在加工不同尺寸內孔時，只需要更換不同尺寸的刀桿，不需拆卸刀桿與刀盤連接的固定支座，一方面減少加工企業的刀桿數量太大而產生的浪費，節約生產成本;另一方面減少操作人員的工作強度。

1 鏜刀桿分體式改進設計

原來采用的鏜刀桿設計成整體結構，如圖1a 所示，該鏜刀系統是用來鏜削汽車前軸的主銷孔，同時車削孔端面，加工工藝參數(半精加工):直徑D=34.5mm;鏜刀線速度v=98m/min;主軸轉速n=900r/min;進給速度f=0.15mm/r;背吃刀量aP=0.75mm;鏜刀γ0=15°、α0=8°、kr =75°、k'r =25°、λs =-5°、rε=1 mm、刀片材料硬質合金。原鏜刀系統設計具有刀桿和刀盤的同軸度高，鏜削剛性好，旋轉精度高的特點，但是該設計的工藝性較差，圓柱刀桿前端突變為細長桿的結構，如果采用鍛造方式，加工余量很大，效率低，浪費大;并且刀桿和刀盤突變較大，刀桿細長，鍛造應力大，很難鍛造成型;結合其現存的缺點和加工過程中的使用情況，做出如圖1b 所示的分體式結構，刀座固定在刀盤上，刀座中心孔中安裝有刀桿，刀桿上固定鏜刀，刀桿和刀座利用鍵傳遞扭矩，用兩個螺釘側壓固定。

圖1 鏜刀結構改進前后對比

2 改進后的使用情況

改進后機構能夠滿足刀桿與刀盤的同軸度要求，固定可靠，加工工藝參數沒有改變，但使用過程中出現了較為明顯的振動現象，帶來很多不利的影響:①在工件鏜削內孔表面上出現了振動波紋，嚴重影響零件表面質量;②由于振動加快刀具磨損，甚至引起了切削刃崩裂，刀具壽命大大降低;③長時間的振動使鏜床零、部件磨損加快，降低該機床的精度;④振動引起嚴重的噪聲。

3 振動原因分析及解決措施

機床產生振動的原因很多、也很復雜，按照振動類型通常分為以下兩類:

(1)強迫振動:由外界激振力所引起的一種振動，產生的原因有鏜床傳動零部件的缺陷引起的振動;鏜削的不連續性、切屑截面積的變化、切削余量不均勻等都會引起振動;鏜床的旋轉零部件以及工具的質量不平衡，會引發周期性振動。由于在加工過程中只改變了刀桿的結構，并且刀桿的旋轉精度得到保證，刀桿和刀盤安裝后進行了動平衡實驗，使用過程中沒有其它震源干擾，所以強迫振動可能性不大。

(2)自激振動:由鏜床自發引起的一種振動，產生的原因由鏜床一工件一刀具工藝系統剛度不足引起的振動;轉速距離系統的臨界轉速較近形成的共振;轉動軸的潤滑不充分、油膜振蕩引起回轉軸的自激振動。由于鏜削主軸轉速沒有改變，轉動潤滑良好，檢測主軸并未產生明顯震蕩，系統產生的振動可能是由于刀具剛度不足引起的。

刀具剛度不足兩個方面進行改進，一方面采用機械性能更好的材料制作刀柄，原鏜刀桿采用45 鋼制造，調質處理，采用了表1 中所列出的三種鋼材，嘗試消除振動，提高鏜刀桿剛度，試驗過程中發現，振動沒有明顯的改善。

表1 鏜刀桿不同材料試驗結果

另一方面從鏜刀桿受力方面進行改進，鏜刀在切削過程中會產生三個相互垂直的分力，即主切削力Fc、背向力FP和進給力Ff，引起剛度不足的力是主切削力Fc、背向力FP，由于kr =90°，背向力FP比主切削力Fc小的多，所以近似按照鏜刀桿只受主切削力Fc來計算鏜刀桿的徑向載荷，公式如下:

其中:

HB—工件材料硬度;

KPZ1—刀具主偏角的修正系數;

KPZ2—刀具刀尖半徑r的修正系數。

最后計算出FC=399.1N，利用SolidWorks 軟件進行鏜刀桿的三維建模，該軟件自帶有Simulation 插件，該插件具有應力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優化分析功能，使用該插件對對鏜刀桿進行靜力學分析，先在Simulation 插件中設置鏜刀桿材料為普通碳鋼，對鏜桿夾持部分添加固定約束，在鏜桿刀片位置添加399.1N 的徑向載荷，然后按曲率實體網格化，節總數61317，單元總數42103，圖2 為鏜刀桿網格化的有限元離散模型。

圖2 鏜刀桿網格化的有限元離散模型

運行算例，計算出如圖3 所示的位移云圖和應力云圖，最大位移量0.0095mm，位移量較大，鏜刀桿剛度不足，是造成鏜刀振動的主要原因;最大應力為16.80MPa，屈服強度為221MPa，滿足要求。

圖3 改進前鏜刀桿位移云圖和應力云圖

從以上算例可以看出，刀桿的變形量偏大，不能滿足加工要求，對鏜刀桿結構進行改進，在鏜刀桿總長不變的情況下，將鏜刀桿夾持長度向前延長10mm，即如圖1b 所示，刀桿夾持長度原長55mm，現在增加到65mm。重新運行算例，得出如圖4 所示的結果，最大變形量減少到0.0056mm，最大應力下降到11.36MPa。將改進后的刀盤和鏜刀桿安裝設備上進行試驗，發現振動現象消失了，鏜出的內孔公差、粗超度、與端面的垂直度均滿足要求，鏜刀系統改進獲得成功。

4 結束語

針對現有組合機床使用的DSS 系列鏜頭一直沿用德國許勒·惠勒公司技術而存在的缺點，對鏜刀系統的刀盤和刀桿進行分體式設計，用戶根據鏜削不同的內孔尺寸只需更換不同直徑鏜桿，而不需要更換刀盤，減少了刀盤數量，大大降低了成本，改進之后出現了明顯的振動現象，分析出是由于刀桿剛度不足所產生，采用機械性能更好的材料，振動現象未見改善;采用增加刀桿夾持部分的方式，振動現象消失。該技術對現有鏜刀系統有了進一步的改進，為其它相關機床部件的改進提供了參考。

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