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數控臥式車床鏜刀座的設計（jì）

2020-5-20 來源：上海機床廠有限公司作（zuò）者：聖祝素

摘要：通過對深孔加工現狀的分析和用戶的（de）實際需求，設計了一套三支（zhī）撐的鏜刀座裝置（zhì），並對鏜刀座（zuò）各段的夾持長度進行了合理的分（fèn）配，使鏜杆的（de）重心恰好落在鏜刀座上，避免了鏜刀座在運轉（zhuǎn）過程中的爬行。又對鏜（táng）刀座的理論（lùn）數值計算和靜力學分析，得出鏜杆的彎曲變形在許可範圍內，從理論上驗證了設計方案的合理性、可行性以（yǐ）及安全性。

關鍵詞：鏜刀座鏜杆支撐長徑比夾持

深孔（kǒng）加工在（zài）機械製造行業中占了很（hěn）大的比重，尤其是軍工（gōng）領域，過去一段時間，加工難度大、成（chéng）本高在一定程度上（shàng）限製了深孔加工領域的（de）發展和進步（bù）。隨著現代高科技水平的發展和先（xiān）進技術的應用，深孔加工技術水平也得到了相應的發展。機械產品中經常遇到需要加工長徑比較大，同時孔徑又不大的（de）深盲孔（kǒng），目前這類深孔加工是一個難點。現有的方（fāng）式一般是在數控深孔鑽床上加（jiā）工，缺點是孔的加工（gōng）精度較低。另一種方式為懸臂鏜杆加工，但能加工的深孔長徑比小，目前世界上領先的 Sandvik 等（děng）公司開發的懸臂抗震鏜杆懸臂長度能達到 10 倍直徑[1]，能使深孔加工的精度（dù）較深孔鑽有較大提高，但加工孔的深度也受限於鏜杆的直徑（jìng）大（dà）小。新（xīn）設計的（de）鏜（táng）刀座可安裝 Ф280×4000mm 的鏜杆,用該鏜杆加工內孔（kǒng）直徑（jìng）為 Ф290±0.20mm，孔深長達1960 mm。要求內圓加工表麵光滑，圓柱度公差為0.02 mm，粗糙度達到 Ra3.2μm 以上。該鏜杆長徑比達到（dào） 14.286，以往設計的鏜刀座無（wú）法借（jiè）用，需（xū）要對鏜刀座進行重新設計，如圖（tú） 1 所示。

圖（tú） 1 鏜刀座示意圖

1 、鏜刀座的設計

1.1 鏜刀座裝（zhuāng）置的結構

新設（shè）計的鏜刀座由（yóu）中拖板、上座、支架、上蓋、移動下座、移動上座、調整墊、壓（yā）板、直線（xiàn）滾動導軌、壓緊塊、牽引法蘭、C 形墊圈、螺母、支（zhī）撐法（fǎ）蘭、拉管、T 形螺栓、連接套組成。

1.2 鏜刀（dāo）座的支撐方式

該鏜刀座設計上選擇了中拖板、支架和獨立輔助支撐即移動下座與三支撐點共同支撐的方式。中（zhōng）拖板與上座采用固定式螺釘聯接固（gù）定。支架通過螺釘聯接安裝在大拖板上，並通（tōng）過調整墊支撐著上座。獨立輔助支（zhī）撐由移動下座、移動上座、調整墊、壓板、直線滾動（dòng）導軌、壓緊塊共同組成，移動下（xià）座上裝（zhuāng）有雙直線滾動導（dǎo）軌，移動上座通過調整墊與移動下座聯接，並可以在雙直線滾動導軌上跟隨中拖板沿 X 軸移動。獨立輔助支撐通過連接套、T 形螺栓、拉管、支撐法蘭、螺母、C 形（xíng）墊（diàn）圈、牽引法蘭與大拖板聯接，螺母、C 形墊圈、牽引法蘭用於調整獨立輔助支撐與上座的距離，本方案（àn）設計的可（kě）調距離為 210~910mm。

2 、鏜（táng）刀座的夾（jiá）持長度及理論數值計算

2.1 鏜（táng）刀座的夾持長度

鏜刀座夾持鏜杆采用兩個半圓的圓弧麵接觸的夾持方式，保證了鏜杆的夾持剛度。在盲孔加工中，盡量減小（xiǎo）鏜（táng）杆的懸臂長度，有利於改善切削效果。在（zài）滿足加工條件的情況下，應盡量將鏜杆的夾持位置往鏜杆頭部位置移動。客戶所要求的鏜杆長度為4000 mm，鏜杆直徑為 Ф280mm。根據經驗公式，鏜杆的最小夾持長（zhǎng）度=5×D=1400mm,一般鏜孔長度=7×D=1960mm。（D 為鏜杆（gǎn）的直徑）。鏜刀座的具體夾持尺寸如圖 2 所（suǒ）示。

圖 2 夾持長度分配

圖2 中，根據需求設定鏜孔段長度為 1 960 mm，上座夾持長度為 900 mm，獨立輔助支撐與上座之間的可調整距離（lí）為 800 mm，上蓋長度為 300 mm，鏜杆尾部的懸伸（shēn）段長度為 40 mm，總長為 4 000 mm。

2.2 鏜（táng）刀座的理論數值計算（suàn）

鏜杆的材料為 40Cr 優質合金鋼（gāng），其截麵尺寸如圖 3 所示。鏜刀座通過 3 個支撐點夾持鏜杆，由圖2 中（zhōng）的夾持長度分布（bù）可知鏜（táng）杆的重心（位於總長（zhǎng）度的一（yī）半處）落在鏜刀座上。為了便於計算、分析研究鏜刀（dāo）座，將鏜（táng）杆簡化為一個懸臂梁，鏜（táng）刀座受到的力（lì）和力矩與鏜杆受到的力和力矩大（dà）小相等，方向相反，直接計算鏜（táng）刀座受到的力和力矩不太（tài）方便（biàn），這裏先計（jì）算鏜杆受到的力和力矩，然後再轉化為鏜刀座受到的力和力矩。

圖（tú） 3 鏜杆截麵尺寸

2）鏜杆固定（dìng）端受到的力和力矩

鏜杆前（qián）端受到主切削力 Fc= 53 N，鏜杆前端（duān）鏜孔段由於受重力影響，受到了均布載荷??的作用，這兩個（gè）力使鏜（táng）杆發生彎曲變形（xíng），鏜杆的另一端受到了（le）鏜刀座（zuò）的反支承力和（hé）力矩 2，受力示意圖如圖4 所（suǒ）示。

圖 4 載荷分布圖

最大撓度發生在主切削（xuē）力作用點處，其（qí）曲線方程為：

3 、鏜刀座的靜力學分析

3.1 靜（jìng）力學分（fèn）析理論與模型建立

在不考慮（lǜ）慣性和阻尼的前提下，對結構施（shī）加不隨時間變化（huà）的載荷，分析結構在給定靜力載荷作用（yòng）下產生的響應，即應力、應變和位移[2]。分析比較它們（men）是否在（zài）給定的要求（qiú）範圍內。靜力學（xué）方程為（wéi）：

式中：,（k）為為剛度矩（jǔ）陣（zhèn）；（x）為為位移常量；（f）為（f）為靜（jìng）態加在模型上，不隨時間變化的力（lì）。

鏜（táng）杆固定在（zài）鏜刀座上對旋轉的工件進行加工，鏜刀座的變形量也會影響到鏜孔的精度和穩定（dìng）性。根（gēn）據鏜刀座的二維零件圖紙（zhǐ）在 Solidworks 中進行三維（wéi）建模，忽（hū）略小孔、倒（dǎo）角、圓角等不重要的幾何體（tǐ）特征，不僅簡化了（le）模型，縮短了建模（mó）的過程，而且還節省了（le）後續的網格劃分和結果計算（suàn）的時間[3]。

3.2 網格劃分、邊界（jiè）條（tiáo）件的定義和載荷的加載

網格劃分的質量直接影響求解（jiě）的速度和精度。一般來說，單元越小，離散（sàn）誤差越低，但網（wǎng）格劃分和求解時間越長，有時單元太小甚至無法生成網格[4]。因此選（xuǎn）擇合適的網（wǎng）格單元尤為重要。選擇基於曲率的網格，最大單元為 74.18mm，最小單元 14.84mm，雅可比點為（wéi） 4 點進行網格劃分，如圖（tú） 5 所示。鏜刀座的材料為灰鑄鐵，材料（liào）的張（zhāng）力強度為 151.7MPa，壓縮強度為 572MPa，加載材料，對鏜（táng）刀座與（yǔ）中拖板、調整墊接觸的表麵進行固定，限製了 X、Y、Z 方向的自由度。

圖 5 鏜刀（dāo）座的網（wǎng）格（gé）劃分

3.3 應力和（hé）應變結果

應用 Solidworks 的插件 Simulation 分析出鏜刀座的應力，如圖（tú） 6 所示。鏜刀座前端受壓，最大壓力為（wéi） 2.6MPa，遠（yuǎn）小於壓縮強度 572MPa。鏜（táng）刀座後（hòu）端受（shòu）拉，最大拉力為 1.5 MPa，遠小（xiǎo）於張力強度151.7MPa。鏜刀（dāo）座的應變量如圖 7 所示，最大變形（xíng）量發生在鏜刀座前端（duān），最大變（biàn）形量為（wéi） 1.4μm，如圖8 所示。則鏜杆前端相對於車頭（tóu）主軸箱主軸中心的最大偏移量為 h=0.0974+1.4 × 10（-3次方）=0.0988mm < 0.2/2mm。所（suǒ）以設計（jì）的鏜刀座是安全可（kě）行的。

圖 6 鏜刀座應力圖

圖 7 鏜刀座應變圖

圖 8 鏜刀座（zuò）位移圖

4 、結語（yǔ）

根據用戶需求設計了一套鏜刀座裝置，合（hé）理分配鏜刀座各段（duàn）夾持長度並對鏜刀（dāo）座進行理（lǐ）論數值（zhí）計算，求出其（qí）受到的力和力矩。應用 Solidworks 分析軟件對鏜刀座進行（háng）靜力學分析。結果表明刀座受到的拉力和（hé）壓力均在（zài）材料的許可範圍內，變形量在設計安全範圍之內。符合用戶使用要求，可以（yǐ）將這套鏜刀座投入（rù）生產使用（yòng）。

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