小孔径大深度长锥孔的刀具设计

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1 前言

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在通常情况下，大深度或小直径内锥孔都是采用成型铰刀的方法加工。用刀具的几何精度来保证被加工孔的精度.这一方法的致命弱点是精成型时必须是铰刀刃口上的有效段全长接触，切削抗力十分大，这就大大限制了用这种方法所能加工的锥孔长度。如果在加工较长的锥孔，刀具结构所限定的强度又不允许一刀成型的情况下，只有采用分段加工，分段后每段加工技术是比较成熟的。对于待度要求高(主要指粗糙度)的内锥孔，分段加工后的对接状况是影响整个内孔质量的关键因素。对于对接处要求面与面的直线联接，现阶段机械加工水平根本无法达到。追求两锥之间最大限度的平滑过渡具有重要的现实意义。 % `( o2 f. |. Q) Z! M0 S

2 被加工件概述

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YEPb二级轻气炮是国内一科研机构制造的一种国防工业的重要科研设备.其中核心关键件是高压段内套，所要加工的内锥孔如图1所示。 / [3 u& ^, ]# i P1 y3 C) u3 N+ H {

图1 高压段内套内锥孔结构

图2 改进后的内锥孔结构

从简图中可看出该孔属于小内径(最小处为f25)，大深度，长内锥孔.要将全长约536的8°内锥孔加工成同角度的整体锥孔，在分厂现有加工条件下是无法实现的。

3 提出结构改进健议

- l* f9 u: q. D: f" G0 q

对该结构的内锥孔，从几十年的加工经验、内锥孔加工的技术储备，咨询有关专业厂家和业内深孔专家，查阅有关内锥孔技术情报等，均未找到有效可行的方法。于是根据分厂原来生产过的各种大炮内膛结构和工作原理，提出分段变角组合锥体结构的建议。如图2所示。这样的结构改进不但未改变原零件的羞本性能，又提高了工艺性。 , h% f* l8 y6 k; }3 G/ w

4 影响工件关镇特性的要素

根据设计要求该零件的内锥孔在工作时要承受800MPa以上的超高压，据此锥孔加工后的粗糙度是一关性特性。粗糙度主要由光整加工来保证。而光整之前的锥孔成型质量的好坏又直接影响到光整是否能符图。

由此可见保证整个锥体RaO.4 的要求有两个基本要点。一是每段锥精铰后的粗糙度必须在Ra3.2～Ra1.6之间。二是要保证每段锥与锥相交必须是凸出的相交梭线，不得有凹陷的折线成阶跃式台阶。后一点对以后的光整加工尤为重要。因为在对谁孔进行光整抛磨时，凸出点总是被最先接触，且接触面积小，很容易被清除。如果是凹点，那么凹陷处总是最后接触，要清除这个缺陷必须先清除所有比它高的面，显而易见这是很困难的。如果是阶跃式台阶，那么必须要将整个高出的台阶面消除才能达到平滑过渡。前述第一个要素从以往的经验证明是比较容易达到的，有成熟的技术作后盾，不是加工符图的难点。所以能否保证在成型加工中任惫相邻两锥不出现凹折线和阶跃式台阶就成为了能否保证最终加工符图的关键。 ! r3 L# z: w! X- v7 _

用成型铰刀加工的锥孔的实质是用刀具的几何精度来保证被加工孔的精度，成型刀具的几何精度就成为制约所有因素的总根源。所以刀具设计就围绕锥与锥相接只允许出现凸出棱线，避免出现凹折线和阶跃台阶这个主题进行。

5 提出刀具设计的对策

首先在结构改进时将锥体的锥角变化设置为随孔径减小成递减分布的组合锥，从结构上保证相邻锥体相接不会出现凹折线。其次再分析两锥对接产生阶跃式台阶的原因。因是分段加工，每段加工是否同轴直接决定了是否产生台阶。前后二锥同轴度的高低决定了相接处台阶的大小。要保证高的同轴度，必须解决刀具的定位精度和刚性间题，它侧重于辅具的设计，在此不作赘述。再则，定位精度，刚性再高也有一定的公差范围，也就是有一定的不可忽视的累积误差，从这点讲分段越少越好.但是分段的多少又取决于刀具一次最大加工长度，一次最大加工长度又取决于刀具和被加工零件材质的强度组合，也受制于刀、辅具的结构形式。 , g/ Y) M' c }, \! Y

根据工厂现有能力和产品合同期仅150天的客观条件，选用成型锥度样板刀是最可行的加工方式。成型谁度祥板刀用合金工具钢制造。采用合金工具钢加工材质为PCrNi3MoV-P-85的工件。工厂有较丰富的经验。再结合被加工孔径所可能采用的工具头结构，最后确定将原8°锥分为四段结构，如图2所示。

从锥孔结构不难看出，相邻两锥孔的对接质量受制于径向、轴向两个坐标的影响。成型样板刀的直径是影响径向坐标的因素。主要是加工过程中的磨损使径向因素发生变化。刀具的轴向进给是轴向坐标，主要是由机床的精度决定，加工中轴向进给的准确性，多次反复退、进刀的复位精度，使轴向因素发生变化。

因此先分析轴向进给对相邻两锥对接质量的影响。对接处的成型由相邻两锥处小锥铰刀的大径和大锥铰刀小径产生.远端的大锥铰刀大径和小锥铰刀小径与相邻锥对接成型无关，所以不予考虑。根据设计的多种组合锥加工的工艺方案，最后经多次论证决定采用由大孔方向进刀由小锥至大锥方向后退加工的工艺方案。在这种工艺方案条件下来讨论相邻两锥的对接情况。 & Y8 z% e/ \7 ]- Y G9 T3 B

在此先对有关尺寸和术语作如下的约定:

大锥铰刀小径—Ø₁；大锥铰刀大径—Ø₂； * l6 V& ?9 c5 E: O4 H: ?

小锥铰刀大径—Ø₃；小锥铰刀小径—Ø₄； 2 R; K6 I( M. `) F9 k6 C

大锥锥角—2g；小锥锥角—2q；

大小锥分段处名义轴向尺寸—A；大小锥分段处名义径向尺寸—Ø； ' d& d7 \# `/ ]0 b4 {2 D# ?4 i

大小谁相接时名义分段直径实际轴向进给值—A'； ) {4 V: G4 x& F( X+ {

轴向进给正位—A'=A时; ; w* Q- \( W/ R! z! X$ P0 L/ e

轴向进给过位—A'>A时;

轴向进给欠位—A'

假设小锥校刀大径与大锥铰刀小径都等于名义分段直径，即Ø₁=Ø₃=Ø

* W, C) i: U+ y5 D/ a5 g& G: V
1. 如果先加工小锥后加工大锥，大锥铰刀轴向实际进给值A'等于大小锥名义轴向分段尺寸A,即进给为正位，也即A'=A时，那么就形成YY'H轮廓线(相交时的组合锥母线)，这是最理想的，见图3。 5 }. @- s, a) \1 x( T3 Q! W9 ^# _9 e. ^0 L: a3 R4 {2 U6 ?& G8 E. {

   图3 Ø1=Ø3=Ø时两锥相交的组合锥母线示意图

2. 如果 A'>A，也即A'=A+D，那么就形成ZZ'MH轮房线，这样就在大小锥面间产生一个小锥高于大锥面Osing值的台阶。
3. 同理如果A'D,就会形成XX'Y'H轮廓线，在大小锥面间产生一个大锥高于小锥面D·sing值的台阶。

0 Y6 s2 W/ V) M! y0 j* t7 e5 O

上述的D值实际就是轴向进给误差，它产生了对刀误差和轴向尺寸测量误差。这两种误差都是不可避免的。根据经验对刀误差在±0.05左右，轴向尺寸测量误差在±0.5左右。按最小锥角的ⅡⅣ相交处g=3°50'，最大累积D值为0.55计。台阶值=0.55×sin3°50'=0.037，这意味着在后续的光整加工中要将110长的Ⅱ锥或90长的Ⅳ锥整体单面消除近0.04,难度较大。而小直径大深度的光整加工本身就是一个大难题。所以这样的对接形式是不行的。

仔细分析上面的间题，产生对接台阶是因为小锥铰刀大径和大锥校刀小径相等，决定了大小锥相交是一个固定点。从前面分析可知要保证两锥相交线是一凸出梭线，那么交点既可以在已加工的小锥脚线上，也可以交在拟成型的大锥廓线上。如果考虑延长小锥大径刃线或大锥小径刃线就可以使交点落在延长的刃口轨迹上。而延长的刃线在轴线上有一投影长度，这个长度即是允许轴向进给的误差。 ) _, C4 |4 Y( v$ S

假设小锥校刀大径增大一个DØ值(也可以折算成大径端刃口延长一个DL值)。

即Ø₃=Ø+DØ 7 y9 f( H) a2 B- X% L

1. 如果A'=A，将形成YY'M廓线，保证大小锥相交是凸棱线，见图4。 * E5 _% r @% z0 L" o( n) ]+ c& I3 w% C. c5 h8 F! v" Q4 T5 P* h1 f% x- n e' g2 w/ |' H8 Q

   图4 Ø3=Ø+DØ大小锥相交形成凸棱线示意图

   Ø1—大锥铰刀小径 Ø—大小位分段直径 Ø3—小锥铰刀大径 Ø2—大锥铰刀大径 A—大小锥分段处的名义轴向尺寸 +D—大锥铰刀在小端直径有余量Ø-Ø1条件下允许大锥铰刀对A值轴向进给过位量 -D—在小锥铰刀大端有直径余量Ø2-Ø条件下允许大锥铰刀对A值轴向进给欠位量 图5 大锥对小锥的及盖及加工时对轴向进给误差的计算

   图6 精铰刀片结构图

2. 如果A'=A+D,，将形成ZZ'MH廓线，大小锥间产生一个小锥高于大锥面Dsing的台阶。
3. 如果A'=A-D，将形成XX'H廓线，也保证了大小锥相交是凸棱线，只是较A'=A相比交点由Y'移至X'，即在小锥铰刀大径刃口延长线上。由此可见只要延长了两锥相交小锥铰刀大径就允许后加工(大锥)的轴向进给有一个小于名义分段轴向尺寸的误差值(-D)。

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同理也可以推导如果延长相邻锥大锥铰刀小端刃口长度就允许后加工(大锥)的轴向进给有一个大于名义轴向分段尺寸的误差值(+D)。

如 果 将2,3合并那么就会产生一个允许的轴向进给的双向公差值.更方便了加工，降低了加工难度(见图5)。

! a7 A3 D3 B6 I& \" O& v% z; r) o: t

正负D值由下式求得: 9 A8 `. V4 I' f1 P

. F Q* w9 K) y6 C0 f& Z& Z# G) G8 c6 W2 E# E- P+ a; C [* j! |- ^) X1 U6 z0 H2 | j; f -D= Ø3-Ø ( tgg- tgq ) ' d; h* O- g; T* X' j) K 2 / D$ n" n+ s& b' o% v1 ` tggtgq , W% K6 T) E4 j	(1)
3 T0 l7 I) m) Y' o0 X* [ -D= Ø-Ø2 ( H4 O w: S: E ( tgg- ' N/ J0 s6 O6 _' f tgq ) 7 A+ J6 G$ O8 |+ I- ] ; }" K, r# o N" i: a' a ; r6 K l! {4 X8 f 2 ! h5 F. F8 p3 X* Z- g tgqtgg	(2)

/ j& {* L/ A. W6 K

由此得出结论，在不等锥条件下，保证相邻两锥相接只产生凸出的梭线必须满足:3-Ø)/2

②允许轴向进给过位只与大锥小端余量有关:即(Ø-Ø₁)/2 % u& Q; G9 p" f8 |, E" x, ~

从另一方面讲延长了铰刀的大小端尺寸，也就增大了结构，这与分段加工的初衷是矛盾的—即最大限度地利用刀具强度增加每段加工长度，减少分段数。但是如果根据前面提到的轴向进给经验误差，计算要予留的刃口长度。这个值不会超过原分段长度的10%。从强度富余量上讲基本上可行。 ) Z9 a/ s5 S+ v- w. u

再分析刀具磨损—径向因素改变，对相邻两锥对接形成的影响。刀具磨损直径只能是减小，且大小径都要减小。如前面已分析那样，如果对还有下一小锥的锥(比如Ⅱ锥下面还有Ⅳ锥)来讲，就是大锥小径的减小，反而有利于增加允许过位量(＋D)，不会增加产生台阶倾向。但是大端大径的减小对于还有上一大锥(比如Ⅱ锥上面还有Ⅰ锥)来讲就是小锥大径的减小，它就减小了加工上一大锥(比如Ⅲ锥过后再加工Ⅱ锥)的轴向许用欠位最(-D)。其减小程度举例分析。

按图2选 取两端都有相邻锥的Ⅲ锥刀片为例。按(1)、(2)公式进行计算分析。

Ⅲ锥与Ⅱ锥相邻时g=4°10'，q=3°50'，Ø=51.673，将数据代入轴向欠位量-D计算公式: % z- X' a& Q6 t& S3 ?/ C% _: z' Q4 |) r [0 n4 k, A, d' Z; a2 u

-D= ( W3 |/ M' ]2 A' f	Ø3-Ø	(	tgg-	tgq " X5 c# }! z# @/ B# [	) z. @* t5 H6 i1 M
	2 + ~ T) `1 {% r$ n! n. T) t7 T; c9 W		tg2g

设(tgg-tgq)/tg²g=M，Ø₃-Ø=DØ

-D=DØ/2·M代入数值
则有-D≈0.55DØ≈½DØ % }6 Y" @4 @- t0 `6 h; `! s

由此可看出许用轴向欠位的变化量只有刀具直径变化量的一半。刀具的磨摄量一般是较小的，故刀具磨损引起的轴向欠位减小是很微弱的。如果工艺上按设计许用值的2/3控制，即将0.55控制在2/3×O.55=0.367，那么1/3欠位的保险值为0.18，折算为刀具大端直径减小量就是0.33,就是说实际欠位量按设计值的2/3控制，刀具大端磨损0.33(直径)是无妨的。况且轴向进给已是按双向误差设计。故工艺上有意适当减小轴向进给的欠位偏差也并不困难。另外，如前所述刀片整体磨损后过位偏差可以增大，它可以弥补欠位偏差的减小，使得整个轴向进给公差带并未减小。最后还可以采用粗、精铰分开，尽量减少精铰量，减少精刀片的磨损提高成型质量。这些措施都能非常有利地保证相邻两锥的正确相接。 9 O5 w9 u7 u z3 t2 Z0 u

综合以上分析，保证相邻两锥相接只出现凸棱线的关键在于正确设置锥度成型样板刀的大小锥两端的刃口富余量和精确控制轴向进给尺寸(与刀具磨损量关系较小)。 ' o# K% ]( Y: c: M& d# ~# i

在实际加工中，因刀具磨损重新刃磨后可重新复检各锥校刀的大小端尺寸，而根据(1),(2)过、欠位公式不断调整量D值。就能保证相邻两锥相接只出现凸棱线。这是因为名义分段尺寸A量不是很重要，它是根据工艺需要任意设定的，并非产品设计值，这就给工艺一个很大的自由空间。 ( N, c! q& G: a2 [2 I$ L; t- `

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6 刀具设计的实例及加工效果

图6是加工，锥用的精校刀片。图中的小端Ⅰ2是小端延伸部分，大端直径放大1.467相应长度延长133-12-110=11mm。 3 v) g! I8 {; t

设计的这套组合锥体铰刀，通过六件内套的加工，完全达到了改进后的设计要求。为分厂乃至集团公司在小孔径大深度长锥孔的加工方面积早了十分宝贵的经验，大大拓展了深孔加工能力。