垂直相交孔相貫線的倒角夾具設(shè)計(jì)

■ 郭明生/四達(dá)機(jī)械制造公司

0 引言

某型飛機(jī)主起外筒、轉(zhuǎn)軸垂直相交孔在加工后會產(chǎn)生殘留的毛刺,認(rèn)真去除毛刺是防止孔銳邊產(chǎn)生應(yīng)力集中的重要步驟。去除毛刺的常用手段是電化學(xué)加工,或?qū)⑸凹埨p繞在長竹棒上深入孔中打磨,或使用勾形刀具手工去除。但當(dāng)圖樣要求倒角C1時(shí)較難做到,這就使研究新的加工倒角途徑十分必要。

該型飛機(jī)主起外筒、轉(zhuǎn)軸垂直相交內(nèi)孔的直徑為Φ14,該孔分別與Φ20、Φ40、Φ65的孔相貫,圖樣要求在以上相貫線上倒角C1。由于相貫線在內(nèi)孔上,孔的深度較深,孔徑又小,使用常規(guī)工具無法實(shí)施操作,電化學(xué)方法只能去除毛刺,無法達(dá)到圖樣要求,必須設(shè)計(jì)制造一種加工相貫線倒角的專用夾具和刀具。

1 垂直相交孔相貫線的分析

垂直相交孔形成的相貫線展開后的曲線正好是一段一個周期的正弦曲線。兩相交孔的直徑接近時(shí)其正弦曲線的振幅較大,在相應(yīng)的相貫線上加工倒角難度大；兩相交孔的直徑差較小時(shí)其正弦曲線的振幅較小, 在相應(yīng)的相貫線上加工倒角難度較小。

垂直相交孔的相貫線如圖1所示。

2 如何使刀具沿相貫線軌跡運(yùn)動

從俯視圖看相貫線的投影為圓形,刀具在此投影上應(yīng)按圓軌跡運(yùn)動；從相貫線的展開圖看刀具應(yīng)按正弦曲線軌跡運(yùn)動；綜合起來刀具軌跡應(yīng)一邊轉(zhuǎn)動一邊上下起伏運(yùn)動。因此,在夾具設(shè)計(jì)中擬采用一個端面凸輪,凸輪的型面符合正弦曲線規(guī)律,凸輪型面帶動刀具完成空間曲線的加工。

在ProE 5.0繪圖軟件中有一個內(nèi)部參數(shù)（即軌跡參數(shù)）trajpar,它是從0~1的變量,代表掃描特征的長度百分比。掃面開始時(shí)trajpar的值為1,結(jié)束時(shí)為0。以Φ14孔與Φ20孔相交為例,其相貫線展開后的振幅為2.86mm,一個周期有兩個波峰兩個波谷。用可變截面掃描命令Var Sect Sweep結(jié)合關(guān)系式sd4=1.43×sin(trajpar×360×2)即可做出端面凸輪,如圖2所示。

夾具設(shè)計(jì)時(shí),在一根軸的上端安裝刀具,刀具的兩個刀刃相對置于180?方向；軸的中部安裝一對小軸承,軸承的外輪廓在彈簧力作用下始終與凸輪表面接觸,軸承在凸輪的表面滾動,軸一邊轉(zhuǎn)動一邊上下起伏運(yùn)動,此時(shí)刀刃劃過的軌跡正好是孔的相貫線,相貫線部分的材料就一點(diǎn)一點(diǎn)地被切削下來,最終達(dá)到規(guī)定的尺寸。圖3為夾具的3D圖,圖4為夾具的工程圖。

圖1 垂直相交孔的相貫線

圖2 端面凸輪

3 如何安裝刀具

要使刀具隨軸的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動并能承受一定的切削載荷,本設(shè)計(jì)采用了端齒連接方式。在軸上開有一字槽（見圖5）,刀具上有一字型凸臺（見圖6）,刀具軸線方向有孔,用于螺釘頭穿過,用螺釘將刀具壓緊在軸上。

圖3 夾具3D圖

圖4 夾具的工程圖

圖5 軸上的一字槽

圖6 刀具上的一字凸臺

4 刀具的耐用度和啃刀問題的解決

按設(shè)計(jì)方案,前期使用金剛石磨頭,雖然能在相貫線上加工出符合要求的倒角, 但磨損太快,無法滿足批量修理的要求。磨損太快的原因?yàn)橄嘭灳€是比較尖銳的棱邊,金剛石磨頭的受力范圍非常集中,而且被加工的材料為30CrMnSiNi2A,硬度接近HRC50,所以磨頭切削部分很快就磨損了。

之后改為硬質(zhì)合金刀頭,但材料太脆,容易損壞,主要原因是刀具的前角為正,刀具太鋒利,刀尖強(qiáng)度不夠。之后又改為高速鋼刀頭和硬質(zhì)合金刀頭,并且將刀片的前角改為負(fù)值,由原來的切削改為刮削,這樣就可以有效避免啃傷零件或刀具崩刃,但硬質(zhì)合金負(fù)前角的刀片顯得比較鈍,加工效果差。

加工過程中沿相貫線去除材料時(shí)發(fā)現(xiàn)吃刀不均勻現(xiàn)象,吃刀深時(shí)刀具被卡住,強(qiáng)行吃刀零件會被啃傷或刀具崩刃。經(jīng)分析,刀具的安裝位置是以刀具完成倒角的最終位置確定的,刀片與刀桿之間是剛性連接,刀片不能上下浮動,所以在剛開始吃刀時(shí)刀刃強(qiáng)行吃入材料中,刀具轉(zhuǎn)動阻力很大,導(dǎo)致零件被啃傷或刀具崩刃。解決方法是將刀片的一字凸臺部分加高,同時(shí)將軸上的一字槽加深,同時(shí)在刀片的背后加一個背壓彈簧,使刀片切入材料的力量由端面凸輪和刀片的背壓彈簧共同組成,在相貫線的材料被一層一層去除的過程中,背壓彈簧始終對刀片施加壓力,避免了啃傷零件或刀具崩刃。

試用過程中還發(fā)現(xiàn),在剛開始切削相貫線材料時(shí)可將螺釘壓緊背壓彈簧的力調(diào)小一些,隨著加工深度的增加可以逐步擰入螺釘,將背壓彈簧的力加大,這樣就可以保證整個切削過程被加工部分有足夠的正壓力,既不打滑又不啃傷零件。

5 創(chuàng)新之處

符合正弦曲線規(guī)律的端面凸輪設(shè)計(jì)和加工刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是此夾具的創(chuàng)新點(diǎn)。目前市面上常規(guī)孔口倒角工具針對的都是平面上的孔口,未發(fā)現(xiàn)有針對空間曲線的倒角夾具和工具。

6 不足之處

相貫線倒角之后形成一個空間的環(huán)帶（以2×45?為例）,如圖7所示,此環(huán)帶的每一點(diǎn)的法線均不同,如圖8、圖9所示。另外,當(dāng)兩相交孔的直徑越相近時(shí),其環(huán)帶的法線方向的角度變化就越大；而當(dāng)兩相交孔的直徑相差較大時(shí),法線方向的角度變化不大。

本設(shè)計(jì)中刀具的夾角目前只能以最大夾角為準(zhǔn)（見圖8）,然后使用柔性砂輪修正倒角的方向。目前,被加工的交叉內(nèi)孔相貫線是由Φ14孔分別與Φ20、Φ40、Φ65孔相貫形成的,上述問題還不是很突出,加工的相貫線倒角比較完美。

圖7 環(huán)帶

7 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)對在垂直相交孔的相貫線上加工倒角問題進(jìn)行了分析,較好地解決了交叉孔加工后去除飛邊毛刺問題。特別是,對于孔徑小、孔深度大的零件鉆孔后無法用其他方法倒角時(shí),采用本方案能夠達(dá)到倒角去除飛邊毛刺、去除應(yīng)力集中點(diǎn)的目的。

圖8 環(huán)帶的法線方向

圖9 環(huán)帶的法線方向