一种大长径比带导向分段式镗杆的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于深孔内槽镗削加工的带导向分段式镗杆，包括导向部分、液压驱动部分、刀头部分、空心镗杆和芯杆。导向部分与空心镗杆通过螺纹相连接。空心镗杆与柱塞缸通过螺纹相连接，并利用定位螺钉进行周向定位。芯杆位于空心镗杆的内孔中，通过圆柱销与柱塞相连接。在镗削过程中，导向部分起支撑作用，可有效提高刀头部分的局部静刚度。刀头部分包括两个对称分布的刀片，可抵消镗削加工时的径向力和切向力，改善刀头处的受力情况。较之现有技术的镗杆，本发明的带导向分段式镗杆具有较高的静刚度，能承受更大的切削力，大大提高了深孔内槽镗削的加工精度和加工表面质量，且同样适用于深长孔的镗削，加工范围较广。
【专利说明】
一种大长径比带导向分段式镗杆
技术领域
[0001]本发明属于深孔内槽加工领域，特别是一种大长径比带导向分段式镗杆。
【背景技术】
[0002]在现有的机械加工领域内，镗杆是对孔内槽加工或孔加工的一种主要工具。然而在深孔内槽的镗削过程中，由于镗刀处于半封闭的状态，镗杆结构尺寸受到工件的限制，长径比较大(L/D大于15)，刚度相对较弱，并且镗削过程中镗杆处于悬伸状态，若未添加相应的导向或支撑，刀头处受力产生的变形较大，容易导致让刀现象的发生，严重影响深孔内槽的加工精度。
[0003]为了增大镗杆的刚度，目前通用的解决方法是减少悬伸长度或增大镗杆本体的直径，但对于深长孔工件来说，该方法不可行，因此单纯改变镗杆本身尺寸具有一定的局限性；除此方法之外，也可以选用高弹性模量的材料制造刀杆，如硬质合金、陶瓷、CFRP等，但是此类材料加工较为困难且韧性较差，单纯改变镗杆的材料同样难以满足深孔内槽镗削的加工要求。
[0004]申请号为201210210090.8，名为《一种带辅助支撑的圆柱深孔镗削装置》的中国专利公开了一种带辅助支撑的圆柱深孔镗杆，具有刀具自动伸缩装置，可避免退刀时刀具划伤加工表面，且在相对于刀具的切向和径向位置处均设置了浮动支撑。但是该镗杆未设置合理的排肩结构，切肩容易堵塞在刀头部位，严重影响加工表面质量和刀具寿命，且刀头处只设置了单个镗刀，径向力和切向力无法抵消，只依靠浮动支撑承担，未能充分提高镗刀杆的刚度;除此之外，镗杆是通过旋转手柄来带动双锥面芯杆轴向移动的，镗削深长孔时，只需要一次进给和退刀，若加工对象为多层深长孔内槽，则需要反复多次旋转手柄，操作较为繁琐，且加工精度无法保证。
[0005]杨红丽的一篇名为《内孔油槽多用铰刀》的论文中介绍了一种孔内槽加工专用铰刀，该刀具依靠推块的锥形面和压刀弹簧分别实现径向进给和退刀，该铰刀刀片对称布置，因此切削径向力和切向力可相互抵消，刀杆的刚度得到一定的提高，但是刀杆未添加相应的导向或支撑，加工过程中刀具仍为悬伸状态，因此不适于加工长径比较大的深孔内槽，且刀杆缺少合理的排肩结构，切肩容易堵塞在刀头部位和压刀弹簧处。另外利用该刀杆镗削多层环形槽时，必须调解调整衬套的轴向位置，操作同样较为繁琐，且无法保证环形槽之间的轴向尺寸精度。
[0006]由上可知，在深孔内槽加工领域中，现有的技术只包含单侧刀片或缺少相应的导向支撑，并未充分提高镗杆的刚度，且轴向位置控制灵活性较差，操作较为繁琐，轴向尺寸精度难以保证。而且多数刀杆缺少合理的排肩结构，切肩容易堵塞在加工位置处，刀具寿命和表面质量受到影响。
【发明内容】
[0007]本发明所解决的技术问题在于提供一种大长径比带导向分段式镗杆。
[0008]实现本发明目的的技术解决方案为:一种大长径比带导向分段式镗杆，包括挡板、导向头、复位弹簧、刀片、空心镗杆、芯杆、柱塞缸、柱塞、滚柱、切削液管、液压油管、螺钉、销钉、拉簧；
[0009]所述挡板的后端设置导向头，导向头的周向均匀开有6个圆柱形凹槽，凹槽槽口为收紧结构，用于安装滚柱，导向头的后端设置空心镗杆，在导向头以及空心镗杆上轴向对称开有2个用于安装切削液管的通孔，切削液管的一端位于导向头前端，切削液管的末端通向刀片处，空心镗杆的后端与柱塞缸相连，空心镗杆内设有芯杆和复位弹簧，复位弹簧的一端与导向头中心的盲孔底面相紧靠，复位弹簧的另一端与芯杆的前端相紧靠，芯杆后端与柱塞缸中的柱塞相连，柱塞缸底部的中心轴处设置液压油管，该液压油管的一端与柱塞缸相通，液压油管的另一端与外界液压栗相通。
[0010]本发明与现有技术相比，其显著优点为:(I)本发明的刀头部分对称设置了两个成形刀片，镗削过程中的切向力和径向力可相互抵消，改善了刀头处的受力情况。(2)导向头与空心镗杆螺纹连接，可将普通镗杆的悬臂梁模型变为简支梁模型，且刀头距导向头支撑点处较近，大大增大了刀头的局部静刚度，减小了受力变形，避免了让刀现象的发生。(3)导向头通过滚柱与工件内壁接触，可大大减少与工件内壁的摩擦力，避免了由于工件转动带来的附加扭矩造成螺纹连接松动。(4)镗杆采用柱塞缸驱动，结构简单，传动平稳，且有良好的吸振缓冲功能。(5)芯杆采用高弹性模量的硬质合金材料，可进一步的增大刀杆的刚度。
(6)镗杆依靠柱塞的往复运动实现进退刀，依靠机床刀架带动镗杆轴向移动，可实现多层环形内槽的镗削加工，操作较为灵活，且轴向尺寸精度能够保证。(7)芯杆轴向运动到一定位置后，锁紧柱塞缸，使其轴向位置固定，镗杆依靠机床刀架整体轴向进给，可以用于深长孔镗削加工，加工范围较广。(8)镗杆设置有合理的排肩结构，加工条件得到改善，刀具寿命和加工表面质量得到提高。(9)镗杆为分段式结构，制造工艺上容易实现。
【附图说明】
[0011 ]图1是本发明镗杆的纵剖结构示意图。
[0012]图2是本发明镗杆的俯视结构示意图。
[0013]图3是沿图1中的A-A线的剖视图。
[0014]图4是沿图1中的B-B线的剖视图。
[0015]图5是空心镗杆的主视结构示意图。
[0016]图6是空心镗杆的左视结构示意图。
[0017]图7是导向头的俯视结构示意图。
[0018]图中标号含义如下:1_六角螺钉;2-挡板;3-导向头;4-复位弹簧;5-刀片;6-空心镗杆;7-芯杆;8-定位螺钉;9-柱塞缸;10-柱塞；11-滚柱；12-切削液管；13-圆柱销；14-液压油管；15-螺钉;16-销钉;17-拉簧。
【具体实施方式】
[0019]本发明的一种大长径比带导向分段式镗杆，包括挡板2、导向头3、复位弹簧4、刀片
5、空心镗杆6、芯杆7、柱塞缸9、柱塞1、滚柱11、切削液管12、液压油管14、螺钉15、销钉16、拉簧17;
[0020]所述挡板2的后端设置导向头3，导向头3的周向均匀开有6个圆柱形凹槽，凹槽槽口为收紧结构，用于安装滚柱11，导向头3的后端设置空心镗杆6，在导向头3以及空心镗杆6上轴向对称开有2个用于安装切削液管12的通孔，切削液管12的一端位于导向头3前端，切削液管12的末端通向刀片5处，空心键杆6的后端与柱塞缸9相连，空心键杆6内设有芯杆7和复位弹簧4，复位弹簧4的一端与导向头3中心的盲孔底面相紧靠，复位弹簧4的另一端与芯杆7的前端相紧靠，芯杆7后端与柱塞缸9中的柱塞10相连，柱塞缸9底部的中心轴处设置液压油管14，该液压油管14的一端与柱塞缸9相通，液压油管14的另一端与外界液压栗相通。[0021 ]所述空心键杆6的前端径向开有通槽，通槽内对称安装有两个刀片5，在空心键杆6的外侧对称铣有两个直槽，刀片5上对称安装有两个螺钉15，螺钉15穿过空心镗杆6的直槽底部所设的长圆形导向槽，螺钉15与安装在空心镗杆6直槽底面的销钉16通过拉簧17相连。
[0022]所述挡板2上开有通槽，通槽径向尺寸大于导向头3上用于安装切削液管12的通孔直径。
[0023]所述挡板2与导向头3通过六角螺钉I相固连，导向头3与空心镗杆6螺纹连接，空心键杆6与柱塞缸9螺纹连接，并通过定位螺钉8周向定位，芯杆7与柱塞10通过圆柱销13相固连。
[0024]所述芯杆7包括小直径段、连接段和大直径段，所述小直径段位于芯杆7的前端，大直径段位于芯杆7的后端，连接段为锥形结构，其锥度为15°，刀片5的径向一侧开有半圆锥形内孔，锥度为15°，与芯杆7上的连接段相配合。
[0025]所述滚柱11采用GCrl5SiMn材料，芯杆7采用硬质合金材料，复位弹簧4和拉簧17均采用70钢材料。
[0026]下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。
[0027]实施例
[0028]如图1是本发明的大长径比带导向分段式镗杆的纵剖结构示意图，它主要适用于直径较小的深长孔及深长孔环形内槽的镗削加工。镗杆的长径比为17:1，刀杆主体直径为20mm。镗杆由导向部分、液压驱动部分、刀头部分、空心镗杆和芯杆组成。导向部分为镗杆提供支撑，改变了镗杆镗削时的悬伸状态，且加工部位距导向头支撑点处较近，有效的提高了刀头处的局部静刚度。芯杆采用了弹性模量较大的材料，可进一步提高镗杆的整体刚度。
[0029]导向部分由六角螺钉I，挡板2，导向头3和滚柱11组成，导向头3采用综合性能较好的45钢材料，轴向均匀开有6个圆柱形凹槽，用于安装滚柱11，槽口为收紧结构，可避免加工过程中滚柱11掉落，如图3所示，在导向头3上靠近外侧处轴向对称开有两个通孔，用于安装切削液管12，镗削过程中，切削液冲向刀头，可以起到冷却和排肩的作用，改善深孔内槽镗削的加工条件，在干切削时，从切削液管12通入高压气体，也能起到及时排肩的作用。挡板2同样采用45钢材料，依靠六角螺钉I与导向头3相连，用于滚柱11的轴向定位，挡板2上开有通槽，通槽径向尺寸大于导向头3上的通孔直径，避免干涉切削液管12的安装。滚柱11采用GCr 15SiMn材料，具有良好的耐磨性和冲击韧性，加工过程中滚柱11与工件内壁接触，可大大减少与工件内壁的摩擦力，避免工件旋转带来的附加扭矩，防止导向头3与空心镗杆6之间的螺纹连接发生松动。
[0030]空心镗杆6采用45钢材料，长度为镗杆总长度的三分之一，如图1所示，空心镗杆6与导向头3通过螺纹相连接，在螺纹段后面对称开有两个通孔，通孔的前端与导向头3的通孔相对应，后端可达到刀头部位，用于安装切削液管12。空心镗杆6的中心孔内安装有芯杆7和复位弹簧4，复位弹簧4的一端与导向头[3]中心的盲孔底面相紧靠，另一端与芯杆7的前端面相紧靠，如图5和图6所示，在安装切削液管12的通孔后面轴向铣有通槽，用于安装刀片5以及刀片5的轴向定位，并在通槽处的镗杆外侧对称铣有两个直槽，在直槽底面设有圆孔和长圆形导向槽，圆孔用于安装销钉16，螺钉15穿过长圆形导向槽安装在刀片5上。
[0031]芯杆7采用高弹性模量的硬质合金材料，可进一步的提高镗杆的刚度，减小镗杆的受力变形。芯杆7由小直径段、连接段和大直径段组成，其中连接段为锥形结构，与刀片5上的内圆锥面相配合，可驱动刀片5径向进给，连接段前面的小直径段与空心镗杆6的内孔相配合，可将切削力通过空心镗杆6传递给导向头3，大大减小了刀头处的受力变形，提高了加工精度和加工表面质量。
[0032]刀头部分由两个刀片5，螺钉15，销钉16和拉簧17组成。刀片5基体采用加工性能较好的45钢材料，切削加工部分镶嵌在刀片基体上，采用硬度较高的PCD材料，可减少刀具磨损，提高加工表面质量。刀片5对称分布，镗削过程中的径向力和切向力可相互抵消，刀杆只承受轴向力和切向力带来的附加扭矩，但是由于镗杆杆体直径较小，附加扭矩也较小，且轴向力对刀杆刚度的影响较小，因此刀头处的受力情况得到大大改善，镗杆可以承受更大的切削力，能够加工长径比更大的深孔内槽。拉簧17采用70钢材料，具有良好的强度和韧性。螺钉15和销钉16之间通过拉簧17相连接，在内槽镗削完成后，依靠拉簧17实现刀片5的退刀，以免镗杆轴向移动时划伤工件或刀具卡死。
[0033]液压驱动部分由柱塞缸9，柱塞10和复位弹簧4组成，柱塞缸9采用45锻钢材料，柱塞缸9的小直径段与空心镗杆6的后端螺纹连接，并在螺纹位置处设有定位螺钉8，防止周向活动或连接松动。柱塞10采用45钢材料调质后高频淬火，通过圆柱销13与芯杆7的大直径段相连接，可带动芯杆7轴向进给。复位弹簧4同样采用70钢材料，用于柱塞10和芯杆7的轴向复位。柱塞缸9的底部设有通液压油管14的管孔。
[0034]镗削过程为:镗杆到达加工位置后，液压油管14进油，芯杆7在柱塞10的带动下轴向进给，驱动刀片5径向伸出，开始镗削孔内环形槽。当单个内槽加工完成后，依靠复位弹簧4实现芯杆7的轴向复位，刀片5在拉簧17的作用下径向退刀，机床刀架带动镗杆轴向移动到下个加工位置，如此便可实现多层环形槽的镗削加工，操作较为简便，轴向尺寸精度可以依靠机床刀架得到保证。
[0035]当刀片5径向伸出到一定位置后，锁紧柱塞10，使得芯杆7的轴向位置固定，机床刀架带动镗杆整体轴向进给，便可实现深长孔的镗削加工，加工范围较广。
[0036]分别对本发明的专用镗杆和普通45钢材料的相同长径比的镗杆进行静力学仿真对比分析，分别加载150N的径向力，本发明键杆的刀头处径向位移0.00055mm，而普通键杆的刀头处径向位移为0.74mm。由上可以看出，本发明镗杆的刀头处局部静刚度得到大大提高，能够有效抑制刀头处让刀现象的发生，加工精度得到显著提高。
【主权项】
1.一种大长径比带导向分段式镗杆，其特征在于，包括挡板[2]、导向头[3]、复位弹簧[4]、刀片[5]、空心镗杆[6]、芯杆[7]、柱塞缸[9]、柱塞[10]、滚柱[11]、切削液管[12]、液压油管[14]、螺钉[15]、销钉[16]、拉簧[17]; 所述挡板[2]的后端设置导向头[3]，导向头[3]的周向均匀开有6个圆柱形凹槽，凹槽槽口为收紧结构，用于安装滚柱[11]，导向头[3]的后端设置空心镗杆[6]，在导向头[3]以及空心镗杆[6]上轴向对称开有2个用于安装切削液管[12]的通孔，切削液管[12]的一端位于导向头[3]前端，切削液管[12]的末端通向刀片[5]处，空心镗杆[6]的后端与柱塞缸[9]相连，空心镗杆[6]内设有芯杆[7]和复位弹簧[4]，复位弹簧[4]的一端与导向头[3]中心的盲孔底面相紧靠，复位弹簧[4]的另一端与芯杆[7]的前端相紧靠，芯杆[7]后端与柱塞缸[9]中的柱塞[10]相连，柱塞缸[9]底部的中心轴处设置液压油管[14]，该液压油管[14]的一端与柱塞缸[9]相通，液压油管[14]的另一端与外界液压栗相通。2.根据权利要求1所述的大长径比带导向分段式镗杆，其特征在于，空心镗杆[6]的前端径向开有通槽，通槽内对称安装有两个刀片[5]，在空心键杆[6]的外侧对称铣有两个直槽，刀片[5]上对称安装有两个螺钉[15]，螺钉[15]穿过空心镗杆[6]直槽底面所设的长圆形导向槽，螺钉[15]与安装在空心镗杆[6]直槽底面的销钉[16]通过拉簧[17]相连。3.根据权利要求1所述的大长径比带导向分段式镗杆，其特征在于，挡板[2]上开有通槽，通槽径向尺寸大于导向头[3]上用于安装切削液管[12]的通孔直径。4.根据权利要求1所述的大长径比带导向分段式镗杆，其特征在于，挡板[2]与导向头[3]通过六角螺钉[I]相固连，导向头[3]与空心镗杆[6]螺纹连接，空心镗杆[6]与柱塞缸[9]螺纹连接，并通过定位螺钉[8]周向定位，芯杆[7]与柱塞[10]通过圆柱销[13]相固连。5.根据权利要求1所述的大长径比带导向分段式镗杆，其特征在于，芯杆[7]包括小直径段、连接段和大直径段，所述小直径段位于芯杆[7]的前端，大直径段位于芯杆[7]的后端，连接段为锥形结构，其锥度为15°，刀片[5]的径向一侧开有半圆锥形内孔，锥度为15°，与芯杆[7]上的连接段相配合。6.根据权利要求1所述的大长径比带导向分段式镗杆，其特征在于，滚柱[11]采用GCrl5SiMn材料，芯杆[7]采用硬质合金材料，复位弹簧[4]和拉簧[17]均采用70钢材料。
【文档编号】B23B29/02GK106001650SQ201610466633
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】程寓, 付乾辰, 张勇
【申请人】南京理工大学