组合机床的刀具设计

于明龙　袁玉磊

摘要：组合机床以特定的加工内容为基础设计制造，专用化程度高，生产率高，但柔性化条件不好。发动机机体的三轴孔精加工工序是机体制造中的关键工序，机体的凸轮轴孔加工精度要求高。本文按照组合机床的一般设计规律，对机体的加工工序进行分析，拟定刀具方案。实现了高效加工凸轮轴的目的。

关键词：组合机床；凸轮轴；

1刀具方案设计

1.1刀杆与主轴的联接

在组合机床上，刀杆与主轴有两种联接方式：一种是刚性联接，另一种是浮动联接。刚性联接，顾名思义就是刀杆和主轴固联在一起，刀杆可看作是主轴的一部分。刀杆刚性好，允许的切削速度较高，加工效率高；而且不需要另设导向装置，夹具结构简单，没有刀杆与导套摩擦造成的磨损，刀杆寿命较长，并且可以减小整个机床轮廓尺寸。浮动联接就是主轴与刀杆联接后，刀杆相对于主轴不完全固定，有一定的浮动量。根据浮动量的大小，又可分为小浮动联接（浮动量约0.15/1000mm）和大浮动联接（浮动量约5/1000mm）。

1.2凸轮轴孔系的刀具方案设计

（1）凸轮轴孔系刀具的加工内容

凸轮轴孔系刀具加工内容相对较少，仅完成凸轮轴孔的半精、精加工。

（2）凸轮轴孔系刀具的结构特点及动作循环

凸轮轴孔系刀具结构如图1.1所示，刀具由前刀杆、“内滚式”导向滑动套、后刀杆、ABS连轴系统组成。ABS连轴系统将前、后刀杆与“内滚式”导向滑动套连接起来，形成镗杆。

（3）凸轮轴孔系刀具的关键技术

如图1.2所示，ABS连轴系统有1轴端，2外圆锥螺钉，3滑销，4内圆锥螺钉，5刀端，6圆销组成。轴端端面带有一个配合孔且有一个径向螺纹孔与之垂直，轴端端面另带一个圆销孔。刀端有一个带径向孔的榫子，环面带有一个圆销孔。滑销一端为内圆锥另一端为外圆锥，分别与外圆锥螺钉、内圆锥螺钉相配。工作原理：调节螺钉1和4使滑销3的内外圆锥被顶紧，在两个圆锥接合处各产生一个法向力F1和F2，将两力沿轴向、径向分解。Fy1和Fy2大小相等，方向相反，互相抵消。Fx1和Fx2使刀端与轴端紧固。在ABS系统中，轴端和刀端大面积的连接，使它能传递大力矩。在大切削力的负荷下，两部分之间产生轻微的扭转，紧固零件之间的接触面积也会因此导致张力扩增（可增50%），从而提高了刀具的刚度。其次当作用力突然发生巨大变化时，两部分之间产生轻微的扭转能产生阻尼作用，从而保护刀具联轴器，主轴和驱动装置不受损坏。

2镗杆受力分析

2.1镗杆受力一般分析

（1）镗刀受力模型

镗孔的最终加工尺寸由精加工的拉镗工序来保证，故以凸轮轴孔拉镗时受力状态为研究对象。镗刀在切削时受轴向力Fx、径向力Fv、切向力Fz三个力的作用。轴向力Fx相对于其他两个力数值较小，对镗杆的变形影响可以忽略。本文着重讨论径向力Fy，和切向力Fz对镗杆变形的影响。将两个力等效到镗杆的中心。Mz，是Fz对镗杆的扭距，对镗杆弯曲变形没有影响，只使镗杆发生扭转，故在镗杆弯曲变形讨论中可以忽略。为方便分析将径向力Fv和切向力Fz合成为一个合力F1。

（2）切削力的计算

式中t为切深（工序余量），s為进给量，HB为布氏硬度。

（3）杆受力模型

由图1.1凸轮轴孔刀具及简化力学模型所示。固定铰支座A为主轴端后模架，可动铰支座B为中间支撑，可动铰支座C为前模架。拉镗采用了错刀镗的方式。本模型以五把刀加工状态为对象，F1为径向力Fx和切向力Fz合力；FA为支座A的垂直反力，FAX为水平反力（对变形没有影响，可不做计算）；FB为支座B的垂直反力；Fc为支座c的垂直反力。

镗杆力学模型为双跨梁，是一次静不定梁，选取可动铰支座B为“多余约束”，并以多余未知反力B代替，静定基为简支梁。F1作用在1处、2处和3处时在B点处产生的挠度方程为：

在1处a=185，b=1115，x=750得v1=-0.00489mm；在2处a=369.5，b=930.5，x=750得v2=-0.009mm；在3处a=519.5，b=780.5，x=750得V3=-0.0113mm：

F1作用在4处和5处时在B点处产生的挠度方程为：

在4处b=480，x=750得v4=-0.01146mm；在5处b=330.5，x=750得v5=-0.00896mm：B点的变形与这5个点的总和为零，得到Vb=0.0456mm；进而求出FB=101.4N；FA=31.5N；Fc=0.1N。

结论

本文按照组合机床的一般设计规律，对机体的加工工序进行分析，拟定刀具方案。对凸轮轴孔镗杆在加工中的受力状态，应用一般静力分析方法进行分析。在设计中，突出工程技术方法的应用。如ABS接头在刀具连接上的应用。经用户厂使用验证完全达到机体加工精度的要求，并满足生产率要求。