小锥度深孔在普通车床上的加工

摘要
锥度深孔的加工是普通车床车削加工中的一个难题。

文中分析比较了传统加工中存在的问题，通过设计带配重的圆锥刀杆，选择合理的刀具几何参数及切削用量，探索出在普通车床上加工锥度深孔的经济加工方法，使切削振动减小，加工成本降低，产品质量到达要求，为生产解决了加工关键问题。

关键词：小锥度深孔，刀具几何参数，切削参数，配重圆锥刀杆
一、概述
在普通车床上加工锥度深孔的常用方法有以下三种：调整小刀架的角度，转动小刀架手轮，手动纵向进给；拆掉横刀架的横向进给丝杆，装车锥度的专用靠模；在车床上安装一套专用工装。

第一种方法：进给行程只有150mm，会使长锥孔表而留下接刀痕迹，零件表面粗糙度不均匀，加工效率低。

第二种方法拆卸、安装、凋整时间长，且靠模长度要大于零件锥孔的长度。

第三种方法适合大批量生产。

某厂有一批300多件锭模钢管，材料为45钢热轧钢管，零件如图1所示。

该产品加工难点：长锥孔加工，零件长度与孔径比等于10，刀杆细长，削振动大，表面粗糙度难以保证。

本文主要研究如何用普通车床加工此工件，达到质量要求并降低加工成本。

图1、零件图
二、根据车床加工锥度的原理设计加工方案
（1）车床加工锥度原理：一般工件直接装夹在主轴的卡盘上，工件的旋转轴线和主轴同轴。

如果工件的旋转轴线和刀具进给方向存在夹角，工件旋转、刀具直线进给时，即可加工出锥度，该夹角即为锥度半角。

（2）计算锭模钢管要求的锥角只有59’25”。

为了研究加工这样小锥角工件能否不要工装，我们选一台刚性好的加长C620车床做试验。

在主轴孔中插入检验捧，拔出床头箱的两个定位销，拧松紧固螺钉，将床头箱绕其中点逆时针转动。

经测量发现，主轴轴线最大转动可达l°30′，这说明用转动床头箱的方法可加工锥角3°以下的锥孔。

选用500mm长带锥柄的圆柱形检验棒插入主轴孔内，取其490mm一段，通过主轴轴线应转过的锥度半角a计算该段两端的差值，设差值为y，
则：mm y y 235.4,490
810282
96tan ==⨯-=φφα。

用百分表测量检验棒该段的两端点，缓慢地旋转床头箱，使百分表在两端点的差值为4.235mm 。

当百分表读数误差为0.01mm 时，零件锥孔两端直径相差0.033mm 。

拧紧紧固螺钉，再复检y 值，确保锥度的准确性。

加工时用三爪卡盘夹紧零件的一端，零件的另一端用中心架托住。

刀杆固定在中拖板上，即可使用自动走刀加工锥孔。

三、刀杆设计的试验
深孔加工由于刀杆细长，刚性很差，切削振动大，容易发生让刀、扎刀，使加工难以进行。

刀杆的振动是要解决的关键问题。

在车床加工中有强迫振动和自激振动，前者主要是外力所致，后者因在切削过程中产生的交变力，激励工艺系统，工艺系统产生位移，再反馈给切削过程，形成自激振荡，维持振动的能量米源于机床的能量。

刀杆有质量和弹性，也可用无限自由度的悬臂梁表示，其固有频率可用静刚度和重量比来描述，静刚度用下式表示：K=3EI/L 3式中，K ：静刚度，E ：材料的弹性模量；L ：悬臂的长度；J ：转动惯量。

刀杆的振幅A 与切削力F 和静刚度K 的关系以A=F/A 表示，刚度越大切削过程越稳定，固有频率越高振动越小。

切削加工系统中产生振动的因素很多，即使选择了最合适的刀杆还是不能抑制由其它振动系统引起的振动。

最简易的方法就是试验法，根据上述的振动原理以及设备的具体状况进行试验，找出最佳的方案。

为此，需对刀杆进行试验，对刀具几何参数及切削用量进行合理选择。

3.1 刀杆的材料选择
使用弹性模量较大的45钢，经调质热处理HB217—255，使刀杆回复弹性变形的能力加强。

3.2 刀杆设计
固有频率可用静刚度和重量比表示，应尽可能减小悬臂端的有效重量，将前刀杆制作成圆锥形，使原来圆柱形36.5kg 减至27.6kg ，圆锥形的结构使刀杆具有较高的动、静刚度。

对于刀杆后端部C ，一般取之为零，而这样前刀杆因自重产生挠度，在静态的情况下就存在着不平衡。

又采取了增设后刀杆C 部且重量与刀杆前部等重的设计，如图2。

图2 刀杆
3.3装刀槽的设计
装刀槽有两种形式，在刀杆端部开槽或距端部约20mm处开一个方孔，前者可提高刀具和刀杆的连接刚度，并能减小刀杆长度，增加前刀杆静刚度。

所以装刀槽设计为在刀杆端部开槽，槽上方用2个螺栓在车刀正面上定位。

装刀槽的位置如图2所示，使刀具安装后，刀尖略高于工件轴心线。

但当刀尖高于轴心线0.1mm时，就可能引起车削振动及在加工表面上产生双曲线误差。

3.4 刀杆与车床的连接
长刀杆的装夹通常是利用刀杆夹持器连接，现改用在圆柱形刀杆上铣削一个200*50mm长的底平面，拆除小滑板和尾座，在中拖板上加一个使刀杆轴线与主轴轴线等高的垫铁，用4个螺栓将刀杆和垫铁直接固定中拖板的圆槽内，减少一个振动环节，提高了刀杆与车床连接的刚度。

3.5 切削试验
（1）工件一端用三爪自动定心卡盘夹住，另一端装上锥堵，用顶尖顶起，在距卡盘一端50mm处，加工一段40mm长的外圆，见光即可。

调头装夹，在已加工的外圆处用中心架托起。

加工时调整中心架的支撑爪，校正工件，使支撑爪和工件接触良好，并注意润滑。

（2）切削用量的选择：转速185r/min ，背吃刀量1.0mm ，进给量0.2mm/r 。

（3）切削试验：车削开始后，随着刀杆的前移，刀头受切削力的影响，使刀杆呈周期性的变形，中拖板与大拖板燕尾槽之间的镶条，其结构细长刚性差．使刀架刚度大大降低，加剧了振动影响。

工件表面产生较大振纹。

调整中拖板与大拖板之间、大拖板与床身导轨之间的间隙，使各自间隙最小。

此时振纹减小，但依然存在。

试验又采取在后刀杆C 的尾部上逐步加重的措施，当重量达到比前刀杆重3.1kg 时，振纹基本消失，切削趋于平稳。

四、刀具几何参数及切削用量的选择
切削自激振动是从切削过程中产生的，从工艺角度上要合理选择刀具几何参数和切削用量，减小内振力，使切削振动降到最小。

4.1 刀具的几何参数
前角r 0对振动的影响较大，增大前角r 0。

可使切削轻快、振幅减小；增大主偏角k r ，副偏角k r ’使径向切削力F p 减小，轴向力F f 增加。

F p 是使刀杆变形的主要原因，而增加F f ，可使振动衰减，适当增加后角a 0可提高刀具寿命：减小刀圆弧半径r 0，当r 0等于背吃刀量a p 时，刀具振动最大，应避开此振动的临界点；为了便于排屑，在前刀面磨出外斜形断屑槽，使切屑成C 形片状；刃倾角r s 取正值，使切屑流向待加工面；在主刀后面磨一段负倒棱，可增加减振效果。

所选角度如表l 。

表1 刀具角度
4.2 合理选择切削参数
切削宽度b 背吃刀量a p 关系可以a p =k
b sin 表示，b 对振动影响较大，a p 增大时b 亦增大，振动则加强；进给量f 增大可使振幅减小，但表面粗糙度将增高；从切削速度v 与振幅A 的关系曲线可知，在v=30-70r/min 范围内容易产生振动，相应振幅较大。

结合深孔零件加工的特点点，做以下选择：
粗车n=185r/min，a p =1.5mm，f=0.2mm/r
半精车n=230r/min，a p =0.8mm，f=0.1 mm/r
精车n=305r/min，a p =0.5mm，f =0.08 mm/r
4.3 刀具的材料
粗车选择抗振性好、强度高的YT5，半精车和精车选择耐磨性能好、抗振性好的YTI5硬质合金。

采用上述的措施，改进刀杆的形状、调整C部重量，引起刀杆及刀架系统固有频率的变化，增加刀杆连接刚度，使切削系统的动刚度提高，合理选择切削用量和刀具几何参数，切削振动趋平稳，零件加工的质量满足图纸要求。

五、结语
在普通车床上加工小锥度深孔零件，刀杆上采用加阻尼、减震装置，或使用高比重的刀杆，以提高刀杆动刚度，但造价较高。

本文提出了锥形刀杆并在其后部加平衡配重，针对设备不同的具体情况，可在刀杆后部加减重量来调整，使切削系统动刚度的提高，切削趋于平稳。

对于多品种小批量产品生产，这是一种既保证产品质量又能降低成本的切实可行的好方法。

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