CN105710401A - 一种深长孔环形内槽镗削专用刀杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于深孔环形内槽镗削加工的带导向双支撑分段式专用镗杆，包括导向部分、刀头部分、刀具进退控制部分、轴向定位部分、辅助支撑部分和杆体部分。导向头与套筒前端利用销钉连接，辅助支撑部分利用球面螺钉与套筒相连，导向头与辅助支撑块两者结合可大大提高刀头局部静刚度。前挡板与导向头前端，后挡板与套筒后端均利用螺钉连接。刀头部分周向设有三个均匀排列的刀片，可抵消切削时的径向力和切向力，可进一步提高刀杆的刚度。本发明的带导向双支撑分段式专用镗杆，适用于长径比较大的深孔以及多层深孔内环形槽的镗削加工，较之现有技术的镗杆，加工范围更广，加工表面质量和加工精度得到显著提高。

Description

一种深长孔环形内槽镗削专用刀杆

技术领域

本发明属于深孔内槽加工领域，特别是一种深长孔环形内槽镗削专用刀杆。

背景技术

在机械加工技术中，深孔环形内槽主要靠镗削加工来实现。然而在镗削深孔内槽的过程中，镗杆处于悬伸状态，在未加导向支撑的情况下，刀头处不受约束，切削力很容易使镗杆产生变形，且刀杆的结构尺寸受到工件孔径的限制，长径比较大(一般大于15)，因此镗杆的刚度较弱，容易导致让刀，加工精度很难保证。并且深孔镗削过程中，切削力多为不均匀，用于镗削的镗杆动刚度较差，刀具磨损严重，加工效率也难以得到保证。

为了减少镗杆的受力变形，目前通用的解决方法有两种：一是改变镗杆的结构尺寸，如减少镗杆悬伸长度，增大镗杆的直径。若加工对象为孔径较小的深长孔，该方法不可行；一是改变镗杆的材料，选用一些高弹性模量的材料(如硬质合金、陶瓷等)制作刀杆。然而此类材料加工较为困难，并且韧性较差，容易发生脆断，因此只改变镗杆的材料也具有一定的局限性。

申请号为20120069750.5，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，而且两发明分别在刮削部设有导向条和传力键，刀杆刚度得到了有效提高，大大改善了深长孔镗削的加工条件。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镗削，无法实现多层深孔环形内槽的镗削加工，加工对象较为单一。并且刀具也未设有相应的排屑结构，切屑容易划伤加工表面，同时也会加剧刀具磨损，影响刀具寿命。

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形成径向和反径向结构，能够可靠的控制进刀和退刀，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，而且缺少相应的排屑结构，切屑容易堵塞在刀头部位，严重影响加工表面质量和刀具寿命。

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，依靠导轨与刀片上斜槽的相互约束来实现径向进刀，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，而该刀具只设有单侧导轨，而且导轨截面惯性矩较小，受力变形较大，易导致让刀。并且刀具没有添加相应的导向和支撑，刀杆整体刚度较弱，不适于深孔多层环形内槽的加工。

由上可知，在深孔内槽加工领域中，现有的技术刀杆刚度较弱，轴向位置控制灵活性较差，加工多层环形槽较为困难，复合刀具径向尺寸较大，不适于孔径较小的深长孔加工。而且多数刀杆缺少相应的排屑结构，切屑容易划伤加工表面，影响刀具寿命，加工效率难以保证。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种带导向双支撑的分段式深孔环形内槽镗削专用镗杆。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种深长孔环形内槽镗削专用刀杆，其包括前挡板、止推轴承、止推轴承、导向头、切削液管、刀片、顶块、支撑轴瓦、前芯杆、后芯杆、套筒、花键轴、后挡板、六角螺钉、导向块、橡胶垫、圆柱销、支撑块、球面螺钉、第一连接销钉、第二连接销钉、沉头螺钉；

所述前挡板的后端设置导向头，导向头周向均匀开有3个燕尾槽，每个燕尾槽中均设有导向块，每个导向块底面轴向开有2个盲孔，每个盲孔中均设有橡胶垫，橡胶垫的一端与盲孔底面相接触，橡胶垫的另一端与燕尾槽的底面相接触，在导向头上与燕尾槽中心对称的位置处均设置有切削液管，套筒的前端与导向头相固连，后端与后挡板相固连，套筒内设有前芯杆、后芯杆与花键轴，前芯杆的前端套有止推轴承，前芯杆的另一端与后芯杆相固连，前芯杆的中部设置顶块，顶块周向均匀装有3个刀片，前芯杆的后段与周向均布的起支撑作用的3个支撑轴瓦相接触，后芯杆的末端与花键轴相固连，花键轴在与后芯杆的连接处套有止推轴承。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明的镗杆在刀片上设有斜燕尾槽，在顶块上设有斜燕尾形导轨，两者配合形成具有径向和反径向的轨道结构，能可靠的实现刀具的径向进给和退刀。(2)刀头部分的三个刀片对称分布，径向力和切向力相互抵消，大大提高了刀杆刚度，刀杆可以承受更大的切削力。同时也可减小工件由于受力变形而产生的圆柱度误差。而且三个刀片同时切削，加工效率也得到有效提高。(3)导向块和支撑块外表面与工件内孔均为间隙配合，形成两个支撑点，可将普通镗杆的悬臂梁模型变为跨距较小的简支梁模型，进一步提高了刀头处的局部刚度，减少了刀具受力变形，进而提高了加工精度。(4)导向块与导向头上的燕尾槽底面具有一定的间隙，两者之间设有轴向分布的两个橡胶垫，依靠橡胶垫的弹性作用，可以根据孔径的大小自动调节导向块相应于镗杆的径向位置，避免发生卡死现象，同时由于橡胶的阻尼较大，可以起到一定的减振作用。(5)当顶块运动到一定位置后，可以将花键轴锁死，刀片的径向位置保持不变，此时镗杆整体轴向进给，可以实现深长孔的镗削加工，大大提高了加工的灵活性。(6)镗杆径向尺寸较小，较之现有的技术，可以镗削更小孔径深孔内槽，加工范围较广。(7)杆体部分为分段式结构，制作工艺上容易实现，后芯杆采用弹性模量较大的3Cr2W8V材料，可进一步提高刀杆的整体刚度。(8)单个环形内槽加工完成后，花键轴反转，刀具径向退刀后，镗杆整体可依靠机床刀架轴向进给，达到下个加工位置后，花键轴正转，便可实现多层环形内槽的加工，操作较为灵活，轴向尺寸精度容易控制。(9)本发明镗杆设有合理的排屑结构，避免切屑堵塞在刀头部位，加工条件得到改善。

附图说明

图1是本发明镗杆的纵剖结构示意图。

图2是图1导向块处的局部放大图。

图3是本发明镗杆的俯视结构示意图。

图4是沿图1中的A-A线的剖视图。

图5是沿图1中的B-B线的剖视图。

图6是沿图1中的C-C线的剖视图。

图7是前挡板的俯视图。

图8是后挡板的俯视图。

图9是导向头的顶视图。

图10是导向头的左视结构示意图(局剖)。

图11是顶块的主视结构示意图。

图12是顶块的剖视图。

图13是顶块的俯视图。

图14是刀片的主视图。

图15是刀片的左视图。

图16是套筒的主视结构示意图。

图17是沿图16中的D-D线的剖视图。

图18是沿图16中的E-E线的剖视图。

图中标号含义如下：1-前挡板；2-1-止推轴承；2-2-止推轴承；3-导向头；4-切削液管；5-刀片；6-顶块；7-支撑轴瓦；8-前芯杆；9-后芯杆；10-套筒；11-花键轴；12-后挡板；13-六角螺钉；14-导向块；15-橡胶垫；16-圆柱销；17-支撑块；18-球面螺钉；19-1-第一连接销钉；19-2-第二连接销钉；20-沉头螺钉。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种深长孔环形内槽镗削专用刀杆，包括前挡板1、止推轴承2-1、止推轴承2-2、导向头3、切削液管4、刀片5、顶块6、支撑轴瓦7、前芯杆8、后芯杆9、套筒10、花键轴11、后挡板12、六角螺钉13、导向块14、橡胶垫15、圆柱销16、支撑块17、球面螺钉18、第一连接销钉19-1、第二连接销钉19-2、沉头螺钉20；

所述前挡板1的后端设置导向头3，导向头3周向均匀开有3个燕尾槽，每个燕尾槽中均设有导向块14，每个导向块14底面轴向开有2个盲孔，每个盲孔中均设有橡胶垫15，橡胶垫15的一端与盲孔底面相接触，橡胶垫15的另一端与燕尾槽的底面相接触，在导向头3上与燕尾槽中心对称的位置处均设置有切削液管4，套筒10的前端与导向头3相固连，后端与后挡板12相固连，套筒10内设有前芯杆8、后芯杆9与花键轴11，前芯杆8的前端套有止推轴承2-1，前芯杆8的另一端与后芯杆9相固连，前芯杆8的中部设置顶块6，顶块6周向均匀装有3个刀片5，前芯杆8的后段与周向均布的起支撑作用的3个支撑轴瓦7相接触，后芯杆9的末端与花键轴11相固连，花键轴11在与后芯杆9的连接处套有止推轴承2-2。

所述套筒10的侧壁周向均匀开有3个螺纹孔，套筒10外壁上螺纹孔处开有用于安装支撑块17的凹槽，该螺纹孔内安装有球面螺钉18，球面螺钉18的球头朝内，该球面螺钉18同时与支撑块17螺纹连接，球面螺钉18的球头嵌套在支撑轴瓦7的球型凹槽内。

所述套筒10周向均匀开有3个用于在切削过程中起排屑作用的轴向通槽。

所述前挡板1与导向头3之间通过六角螺钉13固连，套筒10与导向头3之间通过圆柱销16固连，后挡板12与套筒10之间通过沉头螺钉20固连，前芯杆8与后芯杆9通过第一连接销钉19-1固连，后芯杆9与花键轴11通过第二连接销钉19-2固连。

所述前芯杆8与顶块6之间为螺纹配合。

所述花键轴11的末端铣有用于传递扭矩的渐开线花键。

所述顶块6上周向均匀铣有3个斜燕尾形导轨，斜度为14°，刀片5上铣有斜燕尾槽，斜度为14°，与顶块6相配合。

所述导向块14和支撑块17均为16Mn材料，支撑轴瓦7为ZCuSn10P1材料，后芯杆9为3Cr2W8V材料，球面螺钉18为45钢材料且球面部分调质后高频淬火。

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例

如图1是本发明的带导向双支撑的分段式深孔环形内槽镗削专用镗杆的纵剖结构示意图，它主要适用于直径较小的深长孔及深长孔环形内槽的镗削加工。镗杆的长径比为17:1，刀杆主体直径为21mm。镗杆由导向部分、刀头部分、刀具进退控制部分、轴向定位部分、辅助支撑部分和杆体部分组成。导向部分和辅助支撑部分为刀头部分提供支撑作用，减小了刀头处的受力变形。杆体部分中的后芯杆采用高弹性模量的材料制造，可进一步提高刀杆的整体刚度。刀头部分设有三个均匀排列的刀片，大部分切削力相互抵消，可有效抑制刀头处的让刀，因此本发明镗杆能够加工较大长径比的深孔。

导向部分由图7所示的前挡板1，图9所示的导向头3，导向块14和橡胶垫15组成。导向头3采用综合性能较好的45钢材料，周向均匀开有三个燕尾形通槽，依靠燕尾槽口的收紧功能对导向块14径向定位，导向头末端对称设有三个凸起，可用于刀片5的轴向定位，在导向头3上燕尾槽中心对称的位置处开有通孔，用于安装切削液管4，镗削过程中，切削液冲向刀头，可以冷却刀头又能把切屑冲向套筒10上的排屑槽，在干切削时，从切削液管4通入高压气体，也能起到及时排屑的作用。前挡板1同样采用45钢材料，依靠周向均布的3个六角螺钉13与导向头3相连接，用于导向块14的轴向定位。导向块14采用耐磨性较好的16Mn材料，外表面为圆弧形，与工件上深孔内表面为名义尺寸相同的间隙配合，起到一定的支撑和导向作用。深长孔镗削加工前，轴向各处孔径大小可能会有一定的偏差，如图2所示，导向块14的下表面与燕尾槽底面具有少量间隙，两者之间轴向均匀设有两个橡胶垫15，依靠橡胶的弹性作用，可根据孔径大小自动调节导向部分的径向尺寸，避免发生卡死现象。另外，导向块14，橡胶垫15以及导向块与燕尾槽内壁的摩擦可组成双自由度弹簧阻尼系统，有效的减小了深长孔内槽镗削过程中刀头处的振动。

如图6所示，辅助支撑部分由支撑轴瓦7，支撑块17，球面螺钉18组成。支撑轴瓦7采用耐磨性良好的铜基合金ZCuSn10P1，内表面与前芯杆8是名义尺寸相同的间隙配合，外表面与套筒10内孔尺寸相同，支撑轴瓦宽径比为0.8，单个支撑轴瓦所对的圆心角为90°，外表面中心部位铣有球形凹槽，凹槽直径与球面螺钉18的球面部分相同。球面螺钉18采用45钢材料，球面部分调制后高频淬火，圆柱形部分车有螺纹，依靠螺纹与套筒10相连接，镗削加工过程中，球面螺钉18的球面部分与支撑轴瓦7上的球面凹槽相配合，用于前芯杆8转动过程中支撑轴瓦7的周向定位，同时也起到径向支撑的作用。支撑块17采用16Mn材料，长度较长，为16mm，可避免轴向进给时卡在已加工的凹槽内，支撑块17中心部位设有螺纹孔，与球面螺钉18螺纹连接，外表面与工件内孔是名义尺寸相同的间隙配合，与导向块14协同形成跨距较小的简支梁模型，可有效的提高刀头处局部静刚度，减小其受力变形，提高加工精度。

刀具进退控制部分由顶块6，前芯杆8，套筒10组成。顶块6采用45钢材料，如图11，12，13所示，其锥形面上周向均匀铣有三个斜燕尾形导轨，斜度为14°，与刀片5上的斜燕尾槽形成径向和反径向的轨道结构，能够可靠的实现刀具的自动涨缩功能。顶块6中心开有螺纹孔，与前芯杆8形成顶块游动的螺纹副。刀片5的径向位移与顶块6的位移量满足下列公式：

h＝Ltanθ

式中h：刀片的径向位移

L：顶块6的轴向位移

θ：顶块6的燕尾槽斜度

顶块6的轴向位移与前芯杆8的转速满足下列公式：

L＝P×n×t

式中P：螺纹段的螺距

n:前芯杆8的转速

t：前芯杆8转动的时间

由此可得出刀片5的径向位移与前芯杆8转动时间的关系：

h＝P×n×t×tanθ

镗削过程中，前芯杆8正转，刀片5径向进给，单个内槽加工完成后，前芯杆8反转，刀片5径向退刀，机床刀架带动镗刀杆轴向移动到下个待加工内槽的位置，前芯杆8正转，可实现多层环形槽的镗削加工，操作较为方便，轴向尺寸精度较高。

当刀片5径向伸出到一定位置时，锁死花键轴11，镗刀杆整体轴向进给，便可实现深长孔内壁的镗削加工，在一定程度上提高了加工的灵活性。

前芯杆8为阶梯轴，中部车有螺纹，后端依靠连接销钉19-1与后芯杆9连接，依靠后芯杆9传递驱动力和轴向定位。如图1所示，前芯杆8的轴颈部分与导向头3的端面内孔为名义尺寸相同的间隙配合，螺纹段后面部分与支撑轴瓦7为名义尺寸相同的间隙配合，因此前芯杆8可自由转动，而且又可将一部分切削力传递到导向块14和支撑块17，提高了刀杆的刚度。套筒10为通孔结构，依靠周向均布的三个圆柱销16与导向头3连接，套筒10采用加工性能较为良好的45钢材料，套筒前端均匀开有三个端面直槽，装配时导向头3的三个凸起对应插入该直槽中，可依靠凸起的端面和直槽的底面对刀片5进行轴向定位。在套筒10上端面直槽的对应位置处轴向铣有排屑槽，用于镗削加工过程中的排屑。如图6所示，套筒10与球面螺钉依靠螺纹连接，且在连接处上方径向对称铣有3个凹槽，用于安装支撑块17。

刀头部分由周向均匀分布的三个刀片5构成，如图14和图15所示，刀片5基体采用45钢材料，切削加工部分镶嵌在刀片基体上，采用硬度较高的PCD材料制造，可以减少刀具磨损，提高加工表面质量。三个刀片5对称分布，可以抵消加工过程中的径向力和切向力，刀杆仅受轴向力作用，可有效避免刀头处让刀现象，而且由于镗杆直径较小，切向力附加的扭矩也较小，因此镗杆可承受较大的切削力，具有较高的静刚度。三个刀片5对称分布，每两个刀片夹角为120°，可减小工件由于受力变形而产生的圆柱度误差，并且三个刀片同时参与切削，加工效率也得到了一定的提高。

轴向定位部分由止推轴承2-1，止推轴承2-2，后挡板12，导向头3组成，如图8所示，后挡板12采用45钢材料，通过沉头螺钉20与套筒10连接，在后挡板12上对应套筒10的排屑槽位置开有三个凹槽，尺寸与排屑槽相同，利于加工过程中切屑的排出。如图1所示，止推轴承2-2与后挡板12相紧靠，用于后芯杆10的轴向定位，止推轴承2-1与导向头较大内径的内孔底面相紧靠，用于前芯杆8的轴向定位，而前芯杆8与后芯杆10通过第一连接销钉18-1相固连，因此轴向定位部分可保证前芯杆8的轴向位置固定，与顶块6形成类似于丝杠螺母副的结构。

杆体部分由后芯杆9和花键轴11组成，后芯杆9采用较高弹性模量和较高抗剪模量的3Cr2W8V材料，直径与套筒10的内径相同，可进一步提高镗杆的整体刚度。花键轴11采用45钢材料，前端通过第二连接销钉19-2与后芯杆9相固连，后端铣有长度为15mm的渐开线花键，渐开线花键传递扭矩时可起到自动定心作用，各齿受力均匀，承载能力好，有效提高了刀杆的寿命。

由上可知，本发明的带导向双支撑分段式专用镗杆，适用于长径比较大的深孔以及多层深孔内环形槽的镗削加工，较之现有技术的镗杆，加工范围更广，加工表面质量和加工精度得到显著提高。

Claims (8)

1.一种深长孔环形内槽镗削专用刀杆，其特征在于，包括前挡板[1]、止推轴承[2-1]、止推轴承[2-2]、导向头[3]、切削液管[4]、刀片[5]、顶块[6]、支撑轴瓦[7]、前芯杆[8]、后芯杆[9]、套筒[10]、花键轴[11]、后挡板[12]、六角螺钉[13]、导向块[14]、橡胶垫[15]、圆柱销[16]、支撑块[17]、球面螺钉[18]、第一连接销钉[19-1]、第二连接销钉[19-2]、沉头螺钉[20]；

所述前挡板[1]的后端设置导向头[3]，导向头[3]周向均匀开有3个燕尾槽，每个燕尾槽中均设有导向块[14]，每个导向块[14]底面轴向开有2个盲孔，每个盲孔中均设有橡胶垫[15]，橡胶垫[15]的一端与盲孔底面相接触，橡胶垫[15]的另一端与燕尾槽的底面相接触，在导向头[3]上与燕尾槽中心对称的位置处均设置有切削液管[4]，套筒[10]的前端与导向头[3]相固连，后端与后挡板[12]相固连，套筒[10]内设有前芯杆[8]、后芯杆[9]与花键轴[11]，前芯杆[8]的前端套有止推轴承[2-1]，前芯杆[8]的另一端与后芯杆[9]相固连，前芯杆[8]的中部设置顶块[6]，顶块[6]周向均匀装有3个刀片[5]，前芯杆[8]的后段与周向均布的起支撑作用的3个支撑轴瓦[7]相接触，后芯杆[9]的末端与花键轴[11]相固连，花键轴[11]在与后芯杆[9]的连接处套有止推轴承[2-2]。

2.根据权利要求1所述的深长孔环形内槽镗削专用刀杆，其特征在于，套筒[10]的侧壁周向均匀开有3个螺纹孔，套筒[10]外壁上螺纹孔处开有用于安装支撑块[17]的凹槽，该螺纹孔内安装有球面螺钉[18]，球面螺钉[18]的球头朝内，该球面螺钉[18]同时与支撑块[17]螺纹连接，球面螺钉[18]的球头嵌套在支撑轴瓦[7]的球型凹槽内。

3.根据权利要求1所述的深长孔环形内槽镗削专用刀杆，其特征在于，套筒[10]周向均匀开有3个用于在切削过程中起排屑作用的轴向通槽。

4.根据权利要求1所述的深长孔环形内槽镗削专用刀杆，其特征在于，前挡板[1]与导向头[3]之间通过六角螺钉[13]固连，套筒[10]与导向头[3]之间通过圆柱销[16]固连，后挡板[12]与套筒[10]之间通过沉头螺钉[20]固连，前芯杆[8]与后芯杆[9]通过第一连接销钉[19-1]固连，后芯杆[9]与花键轴[11]通过第二连接销钉[19-2]固连。

5.根据权利要求1所述的深长孔环形内槽镗削专用刀杆，其特征在于，前芯杆[8]与顶块[6]之间为螺纹配合。

6.根据权利要求1所述的深长孔环形内槽镗削专用刀杆，其特征在于，花键轴[11]的末端铣有用于传递扭矩的渐开线花键。

7.根据权利要求1所述的深长孔环形内槽镗削专用刀杆，其特征在于，顶块[6]上周向均匀铣有3个斜燕尾形导轨，斜度为14°，刀片[5]上铣有斜燕尾槽，斜度为14°，与顶块[6]相配合。

8.根据权利要求1所述的深长孔环形内槽镗削专用刀杆，其特征在于，导向块[14]和支撑块[17]均为16Mn材料，支撑轴瓦[7]为ZCuSn10P1材料，后芯杆[9]为3Cr2W8V材料，球面螺钉[18]为45钢材料且球面部分调质后高频淬火。