CN105642929A - 一种深孔内槽加工专用镗杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于深长孔内槽加工的带导向支撑分段式专用镗杆，包括导向支撑部分、刀头部分、进刀退刀机构、杆体部分和液压驱动部分。导向支撑部分包括导向头和辅助支撑部分，导向头分为前导向头和后导向头，两者利用螺钉连接。后导向头与套筒前端，液压缸与套筒后端以及刀杆与液压缸底部均采用销钉连接。镗削内槽时，导向支撑部分起支撑作用，可提高刀头局部静刚度。进刀退刀机构可实现刀具的轴向定位和进刀退刀运动。本发明的带导向支撑分段式专用刀具，不仅适用于多层内槽加工，同样可用于深长孔内壁镗削加工，本发明的刀片是对称布置，径向力和切向力相互抵消，大大提高了刀杆的刚度，加工条件得到明显改善。

Description

一种深孔内槽加工专用镗杆

技术领域

本发明属于深孔内槽加工领域，特别是一种深孔内槽加工专用镗杆。

背景技术

在机械加工技术中，深孔内槽镗削加工始终是一个技术难点，因为在镗削深孔(长径比大于15)内槽的过程中，镗刀处于半封闭状态，刀杆的结构尺寸受到深孔的限制，一般为细长结构，镗杆的刚度较弱。而且镗削过程中，刀杆处于悬伸状态，在未加导向支撑的情况下，刀头处变形较大，容易导致让刀现象的发生，严重影响了深孔内槽的加工精度。

为解决大长径比镗杆的受力变形问题，目前通用的解决方法是减少镗杆悬伸长度或增加镗杆杆体的直径，但是对于孔径较小的深长孔零件来说，该方法无法满足加工要求。除此之外，也可选用弹性模量大的材料制造刀杆，如硬质合金、陶瓷、CFRP等，但是此类材料加工较为困难，而且韧性较差，因此单从材料方面解决问题也具有一定的局限性。

吕晓斌的一篇名为《孔槽的实用加工工具设计》的论文中介绍了一种适用于加工带有多孔且每孔均有内槽的工件的专用刀具，应用于摇臂钻床上，可省去在镗床上镗削加工时的找正时间，但是由于定位套的轴向位置固定，若要加工多层环形槽，则必须采用刀排结构同时加工多个内槽，切削力比较大，而该刀具只采用了单侧斜导轨推动刀片径向进刀，导轨受力变形较大，易发生让刀现象。并且没有添加相应的导向和支撑，刀杆刚度较弱，不适于深孔多层环形内槽的加工。

申请号为201210069750.5，名为《深孔加工刀具》的中国专利和申请号为201010612194.2,名为《深孔加工装置》的中国专利均公开了一种深孔镗-刮-滚组合深孔加工刀具，具有用于表面成型的涨缩机构，而且包含有相应的辅助支撑，刀杆刚度得到了有效提高，可用于加工长径比大于10的内孔。该复合刀具原理与本发明的深孔内槽加工专用刀杆原理相似，但是此复合刀具的径向尺寸较大，无法加工孔径较小的深长孔，而且粗镗部和滚压部径向尺寸固定，只能用于深孔内壁的加工，不适于内槽表面的镗削加工，加工对象较为单一。

重型车床研究所的张雁亭的一篇名为《新型切槽刀杆结构及应用》的论文中介绍了一种适用于箱体孔加工的高效、高精度切槽刀杆，该刀具依靠刀杆上的斜滑块和刀片上的斜槽的的相互作用实现刀片的进给和退刀，但是该刀杆只有一个刀片，切削径向力和切向力无法抵消，而且没有相应的导向支撑结构，刀杆刚度较差，此外，若要加工多层环形槽，必须依靠调整螺母来实现轴向位置控制，操作较为繁琐，且轴向尺寸精度较差。

杨红丽的一篇名为《内孔油槽多用铰刀》的论文中介绍的一种孔内槽加工专用铰刀，该刀具依靠导向进刀推块的锥形面和压刀弹簧实现径向进给和退刀运动，铰刀刀片对称布置，因此切削径向力和切向力可相互抵消，刀杆刚度得到一定程度的提高。但是压刀弹簧容易被切屑堵塞而造成无法退刀，可靠性较差，并且若要加工多层环形槽，必须调解调整衬套的轴向位置，操作较为繁琐，且无法保证环形槽之间的轴向尺寸精度；且刀杆未添加相应的导向和支撑机构，因此不适于加工深孔多层环形内槽。

由上可知，现有的深孔内槽加工技术刀杆刚度差，轴向位置控制灵活性较差，加工多层环形内槽较为困难，且刀杆径向尺寸较大，不适于孔径较小的深孔加工。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种带导向支撑的分段式深孔内槽加工专用镗杆。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种深孔内槽加工专用镗杆，包括前导向头、滚珠、后导向头、刀片、套筒、芯杆、液压缸、液压油管、刀杆、压簧、活塞杆、复位弹簧和活塞；

所述后导向头的前端设置前导向头，前导向头与后导向头的衔接处周向平均开有四个盲孔，每个盲孔中均设置滚珠和压簧，压簧的一端与滚珠相接触，压簧的另一端与盲孔的底端相接触，后导向头的后端与套筒相连，套筒的另一端与液压缸相固连，套筒内设置芯杆，液压缸内装有活塞杆和复位弹簧，活塞杆的一端与活塞相固连，活塞杆的另一端与芯杆相固连，芯杆的另一端对称装有两个刀片，复位弹簧套在活塞杆上，复位弹簧的一端与活塞相紧靠，复位弹簧的另一端与液压缸顶端内壁相紧靠，液压缸的另一端与刀杆相固连，刀杆的中心轴处设置液压油管，该液压油管一端与液压缸相通，液压油管的另一端与外界液压泵相通。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明的镗杆刀头部分依靠刀片的斜凹槽和芯杆上斜导轨的相互约束作用，实现刀具的径向进给和退刀，可靠性较好，并且成形刀片对称分布，可抵消径向切削力和切向切削力，大大提高了刀杆的刚度。(2)后导向头内孔与芯杆轴颈配合，起到了支撑的作用，减小了刀头部位的变形。(3)本发明的深孔内槽加工专用镗杆采用前后对接式导向头，前后导向头之间的盲孔中设置有弹簧和滚珠，依靠弹簧的缓冲功能，可以根据孔径的大小自动调节导向头的尺寸，避免发生卡死现象，同时也能够起到减振作用，在加工深长孔的时候，不会产生孔径尺寸偏差。(4)导向头通过滚珠与工件内壁接触，能够大大减少与工件内壁的摩擦力。(5)在芯杆的锥面处添加了辅助支撑块，能够减少简支梁模型的跨距，进一步提高了刀头的局部刚度，减少了刀具变形，进而提高了加工精度。(6)采用液压缸驱动芯杆轴向运动，传动较为平稳，而且液压油液的吸振作用能够改善深孔加工中的振动问题。(7)芯杆轴向运动到一定位置后，依靠液压缸使其轴向位置固定，镗杆整体轴向运动，可以用于深孔内表面的镗削加工，大大提高了加工的灵活性。(8)刀杆采用弹性模量较大的9Cr2Mo材料，可进一步减小受力变形，能够实现长径比更大的深孔内槽加工。(9)本发明的镗杆可依靠机床刀架整体轴向移动，达到加工位置后芯杆驱动刀片径向进给，实现多层环形槽的镗削加工，操作较为方便并且可以保证内槽之间的轴向尺寸精度。

附图说明

图1是本发明镗杆的总体示意图。

图2是本发明镗杆的总体剖视图。

图3是沿图2中的A-A线的断面结构示意图。

图4是沿图2中的B-B线的断面结构示意图。

图5为导向头装配体的主视图。

图6为图5的C-C剖视图。

图7为导向头装配体的顶视图。

图8为芯杆的主视图。

图9为芯杆的左视图。

图10为单个刀片的主视图。

图11为单个刀片的左视图。

图中标号含义如下：1-前导向头；2-滚珠；3-后导向头；4-刀片；5-套筒；6-辅助支撑块；7-芯杆；8-1-第一连接销钉；8-2-第二连接销钉；9-液压缸；10-液压油管；11-刀杆；12-压簧；13-圆柱销；14-圆柱销；15-活塞杆；16-复位弹簧；17-活塞、18-螺钉。

具体实施方式

一种深孔内槽加工专用镗杆，包括前导向头1、滚珠2、后导向头3、刀片4、套筒5、芯杆7、液压缸9、液压油管10、刀杆11、压簧12、活塞杆15、复位弹簧16和活塞17；

所述后导向头3的前端设置前导向头1，前导向头1与后导向头3的衔接处周向平均开有四个盲孔，每个盲孔中均设置滚珠2和压簧12，压簧12的一端与滚珠2相接触，压簧12的另一端与盲孔的底端相接触，后导向头3的后端与套筒5相连，套筒5的另一端与液压缸9相固连，套筒5内设置芯杆7，液压缸9内装有活塞杆15和复位弹簧16，活塞杆15的一端与活塞17相固连，活塞杆15的另一端与芯杆7相固连，芯杆7的另一端对称装有两个刀片4，复位弹簧16套在活塞杆15上，复位弹簧16的一端与活塞17相紧靠，复位弹簧16的另一端与液压缸9顶端内壁紧靠，液压缸9的另一端与刀杆11相固连，刀杆11的中心轴处设置液压油管10，该液压油管10一端与液压缸9相通，液压油管10的另一端与外界液压泵相通。

套筒5的侧壁开有通槽，该通槽内设置用于支持芯杆7的辅助支撑块6。

后导向头3与套筒5之间通过第一圆柱销13相固连，芯杆7与活塞杆15之间通过第二圆柱销14相固连，套筒5与液压缸9通过第一连接销钉8-1相固连，液压缸9与刀杆11通过第二连接销钉8-2相固连。

盲孔的孔端为收紧结构，可以保证加工过程中滚珠不会掉落。

前导向头1与后导向头3之间通过螺钉18相连。

压簧12和复位弹簧16的材料相同，均为65Mn材料。滚珠2为GCr15材料。刀片4主体为45钢材料，切削部位为pcd材料。刀杆11为9Cr2Mo材料。

所述芯杆7的轴身部位对称铣有两个斜导轨，斜导轨与芯杆轴中心线的夹角为14°。

所述后导向头3的后端设置两个用于刀片4轴向定位的凸起，该两个凸起分别插入套筒5的两个端面直槽中。

活塞杆15与活塞17螺纹连接。

本发明的镗杆刀片对称布置，可抵消大部分切削力，且设置有导向和支撑机构，刀杆刚度得到明显提高。并且镗刀杆可依靠机床刀架整体轴向移动，达到加工位置后芯杆驱动刀片径向进给，实现多层环形槽的镗削加工，操作较为方便并且可以保证内槽之间的轴向尺寸精度。此外，该刀杆结构简单，径向尺寸较小，可加工小孔径深孔，加工范围较广。

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例

图1是本发明的带导向支撑分段式深孔内槽加工专用镗杆的总体结构示意图，它主要适用于直径较小的深长孔内槽镗削加工，同样也可用于深孔内壁镗削加工。镗杆的长径比为18:1，刀杆主体直径为20mm。专用镗杆由导向支撑部分、刀头部分、进刀退刀机构、刀杆部分和液压驱动部分组成。导向支撑部分能够为专用镗杆提供支撑作用，提高刀头部位的局部刚度。刀杆部分采用高弹性模量的材料，能够进一步提高刀杆的整体刚度。

本发明专用镗杆的装配过程为：首先，将活塞杆15与芯杆7销钉连接后，一起插入套筒5中；然后，将套筒5与液压缸9通过销钉连接，注入液压油，使活塞杆15与芯杆7达到最大伸出长度，将刀片4对称装入芯杆7的斜导轨上，释放液压油，芯杆7在活塞杆15的带动下回缩；最后将导向头装配体与套筒5销钉连接。

导向支撑部分由图5所示的导向头和辅助支撑块6组成，其中导向头由前导向头1、后导向头3、滚珠2和压簧12组成。前后导向头采用综合性能较好的45钢材料，长度均为8mm，靠周向均布的4个螺钉18连接。压簧12采用优质碳素结构钢65Mn材料，未压缩时长度为6mm，直径为3mm，略小于其所在孔的直径。滚珠2直径为3mm，采用轴承钢GCr15材料，可大大提高其耐磨性，镗削过程中，滚珠2始终与工件内壁接触起支撑作用，同时也减少了与工件内壁的摩擦。导向头装配后滚珠顶端高出导向头0.2mm，导向头的盲孔孔口直径小于滚珠直径，可以保证加工过程中滚珠不会掉落。由于深长孔长度较大，孔径尺寸则可能会产生一定的偏差，导向头中滚珠2下端与压簧12接触，可以根据孔径大小自动调节径向尺寸，避免加工过程中发生卡死现象。另外，深长孔加工中不可避免会发生振动现象，滚珠2，压簧12以及压簧12与导向头内壁的摩擦作用构成了弹簧阻尼减振系统，可以减小镗刀杆的振动。辅助支撑块6为45钢材料，长度为10mm，外表面为弧形结构，圆弧半径与工件孔径尺寸相同，内表面锥形部分与芯杆7的顶锥尺寸相同，内表面圆弧形部分与芯杆7后端的轴头部分为名义尺寸相同的间隙配合，如图4所示，支撑块两侧被对称铣平，依靠套筒5上的通槽内表面对其周向定位，宽度为3mm。镗削加工过程中，支撑块依靠芯杆7的顶锥作用径向涨出，当完全涨出时，外表面与工件内壁接触，内表面弧形部分与芯杆较粗一端轴头部分接触，起到一定的辅助支撑作用，可与导向头形成跨距较小的简支梁模型，减小了加工过程中刀头的变形，大大提高了刀头处的局部静刚度。

刀头部分由对称分布的两个刀片4构成，如图10和图11所示，刀片主体采用45钢材料，切削加工部分焊接在刀片主体上，采用硬度高，耐磨性好的pcd材料制造，可以减少刀具磨损，提高加工表面质量。本发明的镗杆刀片为成形刀片，可加工梯形孔内环槽，更换成形刀片，便可加工不同槽口形状的环形内槽。刀片4依靠后导向头3末端的凸起端面与套筒5凹槽底面来保证其相对轴向位置不变，依靠自身的斜槽与芯杆7上对称分布的斜导轨的相互约束作用实现刀具的进给和退刀。由于刀片4对称分布，可以抵消加工过程中的径向力和切向力，刀杆仅受切削轴向力，刀头让刀现象可忽略不计。此外，由于刀杆主体直径较小，切向力附加的扭矩也较小，因此本发明的镗杆具有较高的静刚度，能够加工长径比较大的深长孔内槽。

进刀退刀机构由套筒5，芯杆7组成。套筒5为45钢材料，直径为20mm，壁厚为3mm，长度为110mm，为通孔结构，整体长度尺寸不到镗杆的三分之一，因此在加工上比较容易实现。套筒前端通过销钉13与后导向头3连接，并且对称铣有两个长度为31mm的端面直槽，依靠直槽底面实现刀片的轴向定位。距套筒前端面58mm处对称铣有两个通槽，长度为10mm，它的作用是实现辅助支撑块6的轴向定位。套筒5上直槽底面在镗削加工时承受一部分轴向力，此处设计壁厚时应考虑到套筒的静刚度，应注意下列采用的公式：

$K=\frac{3EI}{L^3}$

式中K：套筒的静刚度

E：套筒材料的弹性模量

I：套筒的截面惯性矩

L:套筒的长度

经计算采用3mm的壁厚，套筒5的静刚度能够满足加工要求。芯杆7为阶梯轴，同样采用加工性能和力学性能较好的45钢材料，总长度为92mm，芯杆7为阶梯轴，轴颈部分直径为10mm，长度为11mm，与后导向头3的内孔是名义尺寸等同的间隙配合，在加工过程中可将切削力传递给导向头，起到一定的支撑作用。轴身部分总长42mm，直径为12mm，轴身中部为一直径为12mm的半圆与一平面组成的半圆柱，如图9所示，该部分长为15mm，平面上对称铣有宽2mm，高2mm的斜导轨，斜度为14°。刀片4的径向位移量与芯杆7的位移量满足下列公式：

h＝Ltanθ

式中h：刀片的径向位移

L：芯杆的轴向位移

θ：导轨的斜度

内槽加工完成后，芯杆7轴向退刀，机床刀架带动镗刀杆轴向移动到下个待加工内槽的位置，芯杆7轴向进给，可实现多层环形内槽的镗削加工。

当刀具径向伸出到一定位置时，依靠液压缸9使芯杆7保持轴向位置不动，镗刀杆整体轴向进给，可实现深孔内壁的镗削加工，在一定程度上增加了加工的灵活性。

液压驱动部分由液压缸9，活塞杆15、复位弹簧16和液压油管10组成。液压缸9为单作用缸，采用45号锻钢材料，缸径为16mm，缸体外径为20mm，长度为86mm。缸盖通过第一连接销钉8-1和套筒5连接，由于是两个销钉共同受载，因此可承受较大的扭矩。活塞杆15采用45钢材料调制后高频淬火，长度为58mm，依靠圆柱销14与芯杆7连接，从而实现刀片4的位置控制。复位弹簧16采用优质碳素结构钢65Mn材料，依靠复位弹簧16的复位功能使活塞杆复位，带动芯杆轴向退刀。缸底设有通液压油管10的管孔，孔径为4mm。

杆体部分如图2所示，刀杆11采用较高弹性模量和抗剪模量的9Cr2Mo材料，直径为20mm，长度为180mm，刀杆11通过第二连接销钉8-2与液压缸9连接。其中心设有通液压油管10的管孔，孔径为4mm。该模具钢材料弹性模量比45钢高，可进一步提高镗杆的整体刚度。

分别对本发明的专用镗杆和普通45钢材料的长径比为18的镗杆进行静力学仿真对比分析，分别加载150N的径向切削力，本发明的镗杆刀头的径向变形量为0.013mm，而普通45钢镗杆刀头的径向位移量为0.74mm，本发明的专用镗杆刀头径向位移仅为普通镗杆的1.76％。可以看出，本发明的带导向支撑的分段式深孔内槽加工专用镗杆刀头处具有很高的局部刚度，能够有效抑制加工过程中的让刀现象，大大提高了深孔镗削和深孔内槽镗削加工的精度。

Claims (9)

1.一种深孔内槽加工专用镗杆，其特征在于，包括前导向头[1]、滚珠[2]、后导向头[3]、刀片[4]、套筒[5]、芯杆[7]、液压缸[9]、液压油管[10]、刀杆[11]、压簧[12]、活塞杆[15]、复位弹簧[16]和活塞[17]；

所述后导向头[3]的前端设置前导向头[1]，前导向头[1]与后导向头[3]的衔接处周向平均开有四个盲孔，每个盲孔中均设置滚珠[2]和压簧[12]，压簧[12]的一端与滚珠[2]相接触，压簧[12]的另一端与盲孔的底端相接触，后导向头[3]的后端与套筒[5]相连，套筒[5]的另一端与液压缸[9]相固连，套筒[5]内设置芯杆[7]，液压缸[9]内装有活塞杆[15]和复位弹簧[16]，活塞杆[15]的一端与活塞[17]相固连，活塞杆[15]的另一端与芯杆[7]相固连，芯杆[7]的另一端对称装有两个刀片[4]，复位弹簧[16]套在活塞杆[15]上，复位弹簧[16]的一端与活塞[17]相紧靠，复位弹簧[16]的另一端与液压缸[9]顶端内壁相紧靠，液压缸[9]的另一端与刀杆[11]相固连，刀杆[11]的中心轴处设置液压油管[10]，该液压油管[10]一端与液压缸[9]相通，液压油管[10]的另一端与外界液压泵相通。

2.根据权利要求1所述的深孔内槽加工专用镗杆，其特征在于，套筒[5]的侧壁开有通槽，该通槽内设置用于支持芯杆[7]的辅助支撑块[6]。

3.根据权利要求1所述的深孔内槽加工专用镗杆，其特征在于，后导向头[3]与套筒[5]之间通过第一圆柱销[13]相固连，芯杆[7]与活塞杆[15]之间通过第二圆柱销[14]相固连，套筒[5]与液压缸[9]通过第一连接销钉[8-1]相固连，液压缸[9]与刀杆[11]通过第二连接销钉[8-2]相固连。

4.根据权利要求1所述的深孔内槽加工专用镗杆，其特征在于，盲孔的孔端为收紧结构。

5.根据权利要求1所述的深孔内槽加工专用镗杆，其特征在于，前导向头[1]与后导向头[3]之间通过螺钉[18]相连。

6.根据权利要求1所述的深孔内槽加工专用镗杆，其特征在于，压簧[12]和复位弹簧[16]的材料相同，均为65Mn材料，滚珠[2]为GCr15材料，刀片[4]主体为45钢材料，切削部位为pcd材料；刀杆[11]为9Cr2Mo材料。

7.根据权利要求1所述的深孔内槽加工专用镗杆，其特征在于，芯杆[7]的轴身部位对称铣有两个斜导轨，斜导轨与芯杆轴中心线的夹角为14°。

8.根据权利要求1所述的深孔内槽加工专用镗杆，其特征在于，后导向头[3]的后端设置两个用于刀片[4]轴向定位的凸起，该两个凸起分别插入套筒[5]的两个端面直槽中。

9.根据权利要求1所述的深孔内槽加工专用镗杆，其特征在于，活塞杆[15]与活塞[17]螺纹连接。