在普通车床上加工小锥度深孔的探索

小锥度深孔的加工

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，使切削振动减少，加工成本降低，产品质量达到要求，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；配重圆锥刀杆

1 概述

在普通车床上加工锥度深孔的常用方法有以下3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，装上车锥度的专用靠模；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、调整时间长，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IO，刀卡细长，切削振动大，表面粗糙度难以保证。受该厂委托研究如何用普通车床进行加工能达到质量要

求，并降低加工成本。

2 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，我们选一台刚件好的加长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：tanａ=96￠－￠82/2×810＝y/490,y＝4.235mm 用百分表测量检验棒上该段的两端点，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。

3 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，维持振动的能量来源于机床的能量。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/L3式中，K：静刚度；E：材料的弹性模量；L：悬臂的长度；I：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 73轩的衲聃选择

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

因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，使原来圆住形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。

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。装刀槽的位臵如图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200x5Omm长的底平面，拆除小滑板和尾座，在中拖板上加一个使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，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。

4 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γ0对振动的影响较大，增大前角γ0可使切削轻快、振幅减小；增大主偏角Kr，副偏角Kr′使径向切削力fp减小，轴向力F f增加。Fp是使刀杆变形的主