CN106363199B - 一种深长环形腔的加工刀具及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深长环形腔的加工刀具及加工方法。所述加工刀具包括刀体和固定在刀体上的刀片；所述刀体包括用于支撑刀片工作的工作部和便于夹持和用于增强刀体强度的夹持增强部；所述刀体的工作部和夹持增强部均具有与深长环形腔内侧面仿形的刀体前侧面，所述刀体的工作部具有与深长环形腔外侧面仿形的刀体后侧面；且所述刀体的工作部的厚度小于深长环形腔外侧面和内侧面之间的距离。本发明操作简单、加工效率高、产品质量容易保证，可以有效地解决了深长环形腔类结构加工困难的问题。

Description

一种深长环形腔的加工刀具及加工方法

技术领域

本发明涉及一种深长环形腔的加工刀具及加工方法，属于机械加工工艺技术领域。

背景技术

深长环形腔即长径比大于10的环形腔,主要用于被加工孔深度超出国际标准减振刀杆（长度：直径≥10：1，除夹持长度外）加工范围以外的工件。

如图1所示为深长环形腔加工的典型工件结构，此类结构因空间狭小，普通刀具干涉，无法深入，加工难度非常大。一般此类工件设计成焊接式或装配组合式，但随着超高强度钢的应用以及起落架与飞机机体同寿命的要求，对起落架产品性能和寿命要求极高，从结构上设计以整体件替代焊接或装配组合式结构，这种结构产品性能和寿命大大提升，但随之而来的是机械加工难度的大幅提高。深长环形腔的加工一般可以采取铣削或车削的方式完成，通常最容易想到加工方式是减振合金车刀杆，但当被加工孔可选择的减振合金刀杆长度(L) 与直径(ΦD)比大于10:1时（国际标准减振刀杆除夹持外长径比最大10:1），超出减振刀杆加工范围，按照传统的加工方法很难实现，同时产品质量无法保证。

以往在某科研项目中加工如图1所示为深长环形腔加工的典型工件结构类似工件，经过了大量的工艺试验，最终采用的工艺方案为：夹持左端外圆，顶右端孔口倒角，用加长螺纹车刀除去余量，也制作了非标车刀体进行精加工。根据经验，由于刀体强度不足，切削抗力较大，刀具损耗和报废非常多，且加工表面刀痕较深，表面质量极差，稍有不慎，刀具断裂或破损挤伤工件导致工件报废。

如图1所示，常规加工深长环形腔需要的减振刀杆长径比计算公式1）： L：{[（ΦD1-ΦD2）/2]-α}（α为刀杆与被加工孔活动间隙，可以取2～5mm），其比值大于10时，不易选减振刀杆镗削工艺方法。

深长环形腔类结构在航空飞机起落架上应用广泛，尤其是前起落架需要承载飞机大角度转弯的要求，通常选用齿轮齿条机构，环形腔就是用于安装齿轮和齿条的。随着国内新型大飞机的试制，这种结构大幅增加。

超高强度钢是航空飞机起落架承力构件的主选材料，目前以300M、A-100钢等为主，该类材料具有以下特点：

1）模锻件(供应状态)硬度达到HRC35以上，且具有粘性高，不易断屑等特点，切削加工非常困难；

2）尤其是深长孔及型腔的加工是生产中的一大难题，因其设备和刀具等的刚度和抗振能力等因素，切削抗力大，排屑困难，表面质量差等，效率非常低；

3）刀具磨损快，耐用度低，最容易产生月牙洼磨损，随着月牙洼磨损的扩大、刀刃将产生崩缺或烧损。

提高刀具抗振能力包括安装牢靠和刀具本身强度；选择合理的切削刀片（主要考虑刀具材质、切削刃角度等）；充分冷却和排屑畅通。

发明内容

为了解决长径比大于10以上的深长环形腔类结构加工困难的问题，本发明旨在提供一种深长环形腔的加工刀具及加工方法，该加工方法操作简单、加工效率高、产品质量容易保证，可以有效地解决深长环形腔类结构加工困难的问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种深长环形腔的加工刀具，包括刀体和固定在刀体上的刀片；其结构特点是，所述刀体包括用于支撑刀片工作的工作部和便于夹持和用于增强刀体强度的夹持增强部；所述刀体的工作部和夹持增强部均具有与深长环形腔内侧面仿形的刀体前侧面，所述刀体的工作部具有与深长环形腔外侧面仿形的刀体后侧面；且所述刀体的工作部的厚度小于深长环形腔外侧面和内侧面之间的距离。

由此，本发明的加工刀具针对深长环形腔的结构特点以及加工难点，通过常规的数控机床即可实现深长环形腔的加工，且操作简单、加工效率高、产品质量容易保证。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

为了方便更换切削刀片，所述刀体的工作部的前端开有刀片安装槽，所述刀片的刀柄通过紧固件固定在该刀片安装槽内。

优选地，所述刀体的夹持增强部上设有用于将加工刀具固定在机床刀架上的安装架，所述夹持增强部的下侧面安装时紧靠在刀架一侧。

优选地，所述刀片为TIGER 1615Y-IQ型的超高强度钢加工专用刀片。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用所述的深长环形腔的加工刀具加工深长环形腔的方法，其包括如下步骤：

S1、根据被加工的工件及深长环形腔的结构设计所述的深长环形腔的加工刀具，

S2、将工件除配合面外的所有外形加工至成品，工件的左端留夹持用外圆，工件的右端孔口制顶尖用倒角，车加工外圆至深长环形腔的右端面；

S3、选择一台数控机车，安装所述的深长环形腔的加工刀具，并检测和调整中心高；开始加工前，首次从深长环形腔的中心开始切槽，分别向深长环形腔的两侧扩孔，深长环形腔内侧作为配合面预留0.8mm-1.5mm的余量，深长环形腔的其余深度及外侧一次加工至成品尺寸；

S4、对工件进行热处理；

S5、将热处理后的工件的深长环形腔配合面进行精加至成品尺寸。

藉由上述结构，本发明主要包括以下步骤：选择一台刚性和精度较好的数控车床；根据被加工工件的材料、环形腔的深度及孔径尺寸，选择加工超高强度钢的标准合金车刀片，确定刀片安装结构；根据设备、刀片规格、环形腔结构尺寸等设计制造非标环形车刀体，包括标准刀片安装方式，非标车刀组合安装；准备工艺试验件，试切零件，根据试切情况，修正刀体，确定切削参数，并对试切件进行计量检测，合格后进行产品加工。本发明能够高效高质量实现超高强度钢深长孔及环形腔类工件的加工。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、刀体设计依据工件的环形槽直径大小和深度决定，设计方案简单，其制造工艺成熟；

2、切削刀片可以选择成熟的超高强度钢切削专用可转位刀片，资源丰富，更换方便；

3、此加工方法简单，成本低，效率和质量非常高；

4、此类加工方案可以拓展至长径比大于10的类似深长孔或环形腔结构的加工中，有很强的推广和借鉴意义。

附图说明

图1是深长环形腔数学模型图；

图2是图1的右视图；

图3是一种典型工件的结构示意图；

图4是本发明一个实施例的加工状态图；

图5是本发明的加工刀具示意图；

图6是图5的右视图；

图7是本发明加工方法的原理图；

图8是图7的A-A剖面图；

图9是图7的B-B剖面图；

图10是本发明加工刀具设计实例图；

图11是图10的俯视图；

图12是图10的左视图。

在图中

1-工作部；2-夹持增强部；3-安装架；4-刀体后侧面；5-刀体前侧面；6-切削刀片；7-刀片安装槽；8-螺钉；9-工件；10-环形腔；11-车刀。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

如图1-3所示，由公式1）可以得出：

{[（ΦD1-ΦD2）/2]-α}/L= {[（186-134）/2]-5}/285≈1:14

超出减振刀杆镗削能力，因此需要利用本发明的加工刀具及加工方法进行加工。加工时，指定一台刚性和精度较好的数控车床；根据被加工工件的材料、环形腔的深度及孔径尺寸，选择加工超高强度钢的标准合金车刀片，确定刀片安装结构；根据设备、刀片规格、环形腔结构尺寸等设计制造非标环形车刀体。

一种深长环形腔的加工刀具，用于加工具有深长环形腔的工件，该工件包括位于深长环形腔内侧的部分和位于深长环形腔外侧的部分；其中深长环形腔内侧的部分相对位于深长环形腔外侧的部分伸出，即L大于L1，其中L为深长环形腔内侧的部分端部距离深长环形腔底部的距离，L1为深长环形腔外侧的部分端部距离深长环形腔底部的距离。如图4-6，10-12所示，所述加工刀具包括标准刀片安装槽。本发明车刀分两个部分，工作部1需要结合被加工环形腔的内外侧曲率大小及深度设计，加工过程要完全进入工件型腔内部；夹持增强部2用于夹持和刀体强度增强，一方面能够可靠和牢固安装，另一方面要能足够承受来自切削过程工件与刀具之间的切削抗力及相互的摩擦力，避免切削过程刀具振颤和弹性变形，其下侧面安装时紧靠在刀架一侧，提高强度，防止加工过程刀体旋转等，能够减少刀片磨损和崩刃，有效提高刀具耐用度等。安装架3通过数控车刀架上的螺钉压紧在刀架上，下侧面紧靠在车刀架侧面，也是为了提高刀具安装的稳定性和可靠性，并能提高其强度。刀体后侧面4与环形腔10外侧面存在一定的间隙，用于排屑和充分冷却。刀体前侧面5与环形腔10内侧面存在一定的间隙，确保排屑畅通和充分冷却。本实施例选择超高强度钢加工专用刀片TIGER 1615Y-IQ作为切削刀片6，切削锋利、耐磨损等特性。切削刀片6通过刀片安装螺钉8安装在刀片安装槽7内，刀片安装槽7根据标准刀片设计。

一种深长环形腔的加工方法，如图7-9所示，包括如下步骤：

1）根据被加工工件及环形腔结构设计专用非标车刀（如图4-6），车刀分两部分，右侧为工作部，内外弧面曲率大小根据工件环形腔的曲率大小设计，并考虑切削及排屑，在前后刀面处留有间隙；左侧为刀具安装和加强部分，要保证安装牢固，能够足够承受来自切削过程工件与刀具之间的切削抗力及相互的摩擦力，避免切削过程刀具振颤和弹性变形。

2）工件除配合面外，所有外形加工至成品，左端留夹持用外圆，右端孔口制顶尖用倒角，车加工φ134外圆至环形腔右端面。

3）选择一台数控车，安装本发明车刀，并检测和调整中心高，开始加工前，首次从型腔中心开始切槽，分别向型腔两侧扩孔，由于环形腔内侧为配合面，精度要求高，粗加工需要直径留1.0mm余量，工件热处理后再进行精加工，其余深度和外侧一次加工至成品尺寸。

采用此方法，一方面充分利用型腔空间结构，设计专用加长非标刀体，有效地避让了狭小结构环形腔的干涉，还增加了刀体的强度，大大较小切削过程振动，提高刀具耐用度。另一方面采用此工艺大大提高了工件的加工效率和质量，降低了生产成本。

本发明按照图1被加工部位及空间尺寸等分析计算，设计制造非标车刀体，结构如图2所示；根据工件材料及结构，进行工艺设计，采取热前除去余量，热后精加工配合表面尺寸，主要工艺流程为：

1、车工：车两端外圆，右端孔口制顶尖倒角；

2、加工中心：外形数控加工至成品；

3、车工：夹顶车环形腔（开始加工前，先从型腔中心进刀切出环形槽，分别向两侧扩孔，除环形腔内侧留1.0mm余量外，深度和外侧加工至成品尺寸）；

4、热处理（σb=1960Mpa，HRC51-53）；

5、车工：修外圆及顶尖孔倒角基准；

6、车工：夹顶车右端外圆至环形腔底部，与原环形腔底部接平；

7、钳工：去毛刺，抛光环形腔底部接刀痕。

通过大量的试验和验证，能够保证对超高强度钢深长环形腔的加工质量和精度，加工过程稳定，可以实现超出减振刀杆加工能力之外的各类超长和狭窄孔或环形腔的加工，也可以通过改变刀片材质和刀体结构，适应其它材料工件的加工。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种深长环形腔的加工刀具，用于加工具有深长环形腔的工件（9），该工件（9）包括位于深长环形腔（10）内侧的部分和位于深长环形腔（10）外侧的部分；其中深长环形腔（10）内侧的部分相对位于深长环形腔（10）外侧的部分伸出，即L大于L1，其中L为深长环形腔（10）内侧的部分端部距离深长环形腔（10）底部的距离，L1为深长环形腔（10）外侧的部分端部距离深长环形腔（10）底部的距离；所述加工刀具包括刀体和固定在刀体上的刀片（6）；其特征在于，所述刀体包括用于支撑刀片（6）工作的工作部（1）和便于夹持和用于增强刀体强度的夹持增强部（2）；所述刀体的工作部（1）和夹持增强部（2）均具有与深长环形腔（10）内侧面仿形的刀体前侧面（5），所述刀体的工作部（1）具有与深长环形腔（10）外侧面仿形的刀体后侧面（4）；且所述刀体的工作部（1）的厚度小于深长环形腔（10）外侧面和内侧面之间的距离；所述刀体后侧面（4）与深长环形腔（10）外侧面存在排屑和冷却用的间隙，刀体前侧面（5）与深长环形腔（10）内侧面存在排屑和冷却用的间隙。

2.根据权利要求1所述的深长环形腔的加工刀具，其特征在于，所述刀体的工作部（1）的前端开有刀片安装槽（7），所述刀片（6）的刀柄通过紧固件固定在该刀片安装槽（7）内。

3.根据权利要求1所述的深长环形腔的加工刀具，其特征在于，所述刀体的夹持增强部（2）上设有用于将加工刀具固定在机床刀架上的安装架（3），所述夹持增强部（2）的下侧面安装时紧靠在刀架一侧。

4.根据权利要求1所述的深长环形腔的加工刀具，其特征在于，所述刀片（6）为TIGER1615Y-IQ型的超高强度钢加工专用刀片。

5.一种利用权利要求1-4中任一项所述的深长环形腔的加工刀具加工深长环形腔的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据被加工的工件（9）及深长环形腔（10）的结构设计如权利要求1-4中任一项所述的深长环形腔的加工刀具，

S2、将工件（9）除配合面外的所有外形加工至成品，工件（9）的左端留夹持用外圆，工件（9）的右端孔口制顶尖用倒角，车加工外圆至深长环形腔（10）的右端面；

S3、选择一台数控机床，安装权利要求1-4中任一项所述的深长环形腔的加工刀具，并检测和调整中心高；开始加工前，首次从深长环形腔（10）的中心开始切槽，分别向深长环形腔（10）的两侧扩孔，深长环形腔（10）内侧作为配合面预留0.8mm-1.5mm的余量，深长环形腔（10）的其余深度及外侧一次加工至成品尺寸；

S4、对工件（9）进行热处理；

S5、将热处理后的工件（9）的深长环形腔（10）配合面进行精加至成品尺寸。