breeze

1 问题的提出我公司采用铰削工艺对汽车操纵杆总成中导块(见图1)上的孔进行精加工，由于该孔的孔壁较薄且不均匀，使用普通铰刀进行加工时，孔径易回缩，尺寸不稳定，孔壁表面质量较差，孔的轴向直线度难以满足零件工艺要求，且刀具耐用度较低，从而使该工序成为影响整个工艺路线的“瓶颈”。虽然采取了增加铰刀刃磨次数、增大铰刀外径等改进措施，但效果并不理想。如改用拉削工艺加工，则因孔径较小而使刀具制造难度大、费用高，且需增加设备投资。为此，我们针对存在的问题进行质量攻关，对加工薄壁件小孔的铰刀进行了优化设计。

(a)	(b)
图2 切削层与切削力分析图

2 铰刀几何参数的优化设计通过对实际加工过程进行检测分析，发现存在两个问题：①因切削层较薄，造成切削困难，刀具磨损严重，孔壁表面加工质量差；②因径向铰削力较大，孔壁较薄且不均匀，使刀具振动较大，加工出的孔径尺寸波动较大。为了从根本上解决上述问题，需对铰刀几何角度进行优化设计。由于加工设备采用专用机床，进给量调整范围较小(0.20～0.25mm/r)，因此刀具主偏角kr是决定切削层厚度和径向切削力大小的关键参数。用于加工钢等韧性材料的普通硬质合金铰刀的主偏角通常取kr=12°～15°(最大可取kr=30°)。由于铰孔时切削层厚度仅为ac=0.025～0.032，铰刀刃口稍有磨损，切削层便难以剥离而造成挤压，使切削力(尤其是径向切削力Fr)急剧增大(见图2a)。为解决这一问题，设计时将铰刀主偏角增大为kr=60°，从而使切削层厚度ac增大一倍，径向切削力Fr减小一半(见图2b)。由于铰孔为精加工，切削余量较小，因此增大主偏角kr引起的轴向切削力Fo增大对加工过程基本无影响。

图3 两段切削刃示意图

图4 铰刀切削刃坐标系

为获得较理想的孔壁表面粗糙度，将铰刀的切削锥部设计为分段切削形式，两段切削刃的主偏角分别为kr1和kr2(见图3)。其中，主偏角较大的主切削刃担负主要切削任务；主偏角较小的过渡刃起微量切削及熨光作用。但由于过渡刃的主偏角kr2较小(0°30'～1°30')，因此在铰刀磨制过程中两段切削刃的交点难以控制，使加工质量不够稳定。由于该铰刀用于铰削通孔，因此磨制铰刀时可在铰刀前面磨出一个刃倾角"，这样即可在圆柱刃和倒角刃的后刀面上相贯出两段切削刃，通过调整铰刀几何参数(K1、K2、a1、a2、l)，即可确定两段切削刃的偏角和切削量。采用刃倾角l还可起到增加切削过程平稳性、减轻切削振动、增大切削锥部切削刃前角的作用，从而可减小铰削后孔径的波动量，提高铰孔质量。3 铰刀几何参数的计算铰刀优化设计的关键在于确定各几何参数间的数学关系。为此，建立铰刀切削刃的直角坐标系(见图4)。铰刀的刃倾面方程为

Y=(X-K2)tanl

(1)

铰刀的圆柱刃后刀面方程为

Y=(Z-RA)/tana

(2)

铰刀的锥切削刃后刀面方程可通过对XOY平面进行三次坐标变换(一次平移、两次绕坐标轴旋转)而得到，即为

(3)

其中，X"=0。简化式(3)可得

X+Y(coskrtana2+tankrsinkrtana2)-Ztankr=RAtankr+K1

(3')

联立求解方程式(1)、(2)、(3)，可得两段切削刃的拐点B的坐标为

XB=(K1-K2Etanl)/(1-Etanl) YB=(K1-K2)tanl)/(1-Etanl) ZB=(K1-K2)tanatanl/(1-Etanl)+RA

式中，E=tan(1-Etankrtana1-tankrsinkrtana2-coskrtana1。联立求解方程式(1)、(3')和YOZ平面方程，可得端面点C的坐标为

XC=0 YC=-K2tanl ZC=(RAtankr-K1-K2coskrtana2tanl-K2sinkrtankrtana2tanl)/tankr

根据工件的扩孔尺寸f11.8mm和铰孔尺寸k12.006～12.03mm，可确定铰刀直径为k12.025～12.032mm。在本加工实例中选取K1=0.7mm，K2=2.5mm，a1=8°，a2=15°，l=10°，kr=60°，根据粗铰、精铰余量为2:1的分配关系，可求得粗铰余量为1.3156mm(双边)，精铰余量为0.0765(双边)。根据计算结果，设计制造了采用不等齿距结构的专用铰刀(见图5)。该铰刀应用于实际生产后，加工效果良好，完全解决了原来存在的加工质量问题，且刀具耐用度提高了3倍。现已将铰刀设计过程程序化，实现了计算机辅助设计，并将该设计思路推广应用于其它孔加工刀具的设计。

图5 铰刀设计图