新型多功能彈出式刀具機構的設計
2019-7-9 來源： 中航飛機股份有限公司長沙起落架分公司 作者：沈勇， 郭輝， 田輝， 肖彬
摘 要：為解決航空產品中深孔槽或異形回轉體內孔零件難加工的問題，結合多年生的生產經驗，設計了一款用于此類零件加工的新型多功能彈出式刀具機構。此新型機構通過推動內部活動心軸實現切削半徑的調節，更換不同刀具可實現鏜孔、研磨等功能，且機構結構簡單、操作方便，特別適宜于深孔槽或異形回轉體內孔零件的加工。
關鍵詞：多功能；刀具；設計
0 引 言
在航空產品中常遇到一些深孔槽或回轉體內孔的活塞桿零件，無法通過一般的深孔加工設備完成。當零件內孔槽太深或回轉結構較為復雜時，采用傳統深孔刀具、加長刀桿配合大行程車床的加工方法可解決大部分零件的加工。
盡管如此，傳統低效率的加工方法還常受設備加工長度的限制，就深孔刀具而言，其高昂的造價，苛刻的設備要求條件，不適宜科研生產過程中的單件、小批量生產。若采用加長刀桿配大行程機床的加工方案，則零件周轉時間長，刀具更換耗時量大，企業生產效率低下。
通過對深孔及普通孔加工刀具的深入分析，特別設計了一款多功能彈出式刀具機構，用于解決此類深孔槽典型零件的加工難題。
1 、傳統孔加工刀具的特點
孔加工刀具按工作部分的結構分整體式、焊接式和機械夾固式三種:刀體上做出切削刃的整體式刀具；刀片釬焊到鋼制刀體上的焊接式刀具; 刀片夾固在刀體上或釬焊好的刀頭夾固在刀體上的機械夾固式刀具。其總的特點是：定位精度好，刀具壽命長，有利于涂層陶瓷等新技術的推廣，但刀具可調性差，加工時刀桿過長,撓度變形大，彎曲剛度差。
2 、新型多功能彈出式刀具機構
生產加工中，為了解決部分異型零件的深孔環形槽如油槽、擋圈槽和空刀槽的加工（如圖1），設計了一款可兼顧加工普通內孔的彈出式刀具機構。
2.1 機構的組成
新型多功能彈出式刀具機構主要由圖2中的六部分構成，其中活動刀體1共有4個相同的部分，一端與刀體外殼3的U型槽通過彈性固定脹圈2軸向卡緊，另一端由彈性固定脹圈6將其壓入刀體外殼3中的四個對稱且大小相同的限位槽中，限制了活動刀體1 沿調節心軸5的軸向移動自由度。當撐桿4和調節心軸5受到刀體外殼螺旋機構的軸向推力時，調節心軸5產生軸向位移，并通過貼合斜面的滑動，擠壓活動刀體1使其沿調節心軸5的徑向撐開，從而改變了刀具的切削直徑。
刀體外殼3有對稱性較高的四個限位槽，在槽的兩端分布著一個安裝定位彈性固定脹圈的U型槽，撐桿4和調節心軸5在截面呈“十”字型的刀體外殼腔內的位置，直接決定著彈出式刀具機構的刀具加工半徑。其中活動刀架部件有活動刀架基體、夾板、螺釘、切削刀具（如：刀片）組成（見圖2的立體示意圖）。
夾板主要作用是將刀片、油石等刀具定位于活動刀架基體，通過螺釘夾緊。更換不同的切削刀具可實現切槽、鏜孔、研磨等多種加工方法。
2.2 工作原理
多功能彈出式刀具機構工作原理是（圖3）：調節心軸5與刀體3一端撐桿相連，撐桿隨刀體螺紋機構的螺旋運動，推動著調節心軸5沿軸向平行移動，活動刀架1軸向方向受彈性固定脹圈及刀體外殼U型槽限制，在調節心軸5推力作用下，沿調節心軸徑向平行移動，夾持在活動刀架的刀具切削直徑也隨調節心軸位置的不同發生著相應變化。
調節多功能彈出式刀具機構與刀體連接的螺旋機構旋合長度可直接控制刀具切削直徑。
螺紋機構可以采用手動角 度調節或機動 轉 速調節，實現改變刀具切削半徑伸 長量的目的。
2.3 機構主要部件的設計要求
機構活動刀架和調節心軸 要有足夠的強 度 和耐磨性。切削刀具應符合相應加工方法的刀具角度，零件加工前 通 過磨床對切削刀具進行修磨調整，保證切削刃處于同一圓
周內；加工時鎖緊螺旋機構，確保刀具剛性加載，切削平穩。
3 、刀具的力學性能
表1 轉角與撓度參數的比較
根據表1中表達關系式，容易得出彈出式刀具機構在取同材料、同體積、同長度的情況下，刀桿外圓相對較大，扭轉角和撓度都小于傳統深孔刀具，更適合深孔型面加工。現取傳統刀具進行模型受力分析，試驗數據具體如下：刀桿240 mm，直徑準24 mm，材料假設為45鋼，彈性模量218GPa，泊松比為0.3，主切削力為250 N，切向力為120 N，軸向力為50 N，刀桿的橫截面為圓面，選用有限元分析軟件ANSYS中的Quad 8 node 183及Brick 20 node183號元素進行分析。
由圖4可以看出，單刃傳統深孔刀具受主切削反力、切向反力、軸向反力時，刀頭部分基體受力變形較大，當刀體剛度差時，被加工零件尺寸精度和粗糙度將難以保證。而對于刀體對稱分布的新型多功能彈出式刀具機構，其軸向扭轉和彎曲變形都較小，有利于零件高品質內孔的加工。
4 、結 論
本新型多功能彈出式刀具機構通過更換撐桿部件配，可以快速對刀桿的長短進行調節，借助刀體尾部螺旋機構，可以方便調節不同的切削直徑。相對于傳統刀具其具有更大抗撓強度，可以對普通內孔零件進行內孔車削、精鏜、研磨等，能較好地解決一些復雜零件的深孔槽，回轉異型孔的難加工問題。
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