偏心式微调镗刀的结构设计与制造要点
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微调镗刀是孔加工尤其是扩孔加工过程中一种必不可少的刀具。微调镗刀操作简单，在一定尺寸范围内用一把镗刀可以连续加工具有一定精度的不同直径的孔，大大减少所用刀具的品种规格和孔加工工序，节省加工工时。微调镗刀的种类很多，常见的微调镗刀有细螺纹进给式、带导轨移动或导柱移动式、螺纹紧定或液压紧定式等。一般的微调镗刀刀头采用直线移动方式，具有示值明确、孔的尺寸精度连续可调等优点，但由于其结构元件多，层次多，因此刚性欠佳，同时刀头尺寸大，难以加工Ø30mm以下的小孔。 笔者设计了一种偏心式微调镗刀，其结构如图1所示。该镗刀刀头尺寸小且刀头无结构元件，可加工Ø20mm以下的小孔。该镗刀分为刀柄座和刀杆座两部分，具有良好的可换性，只需更换刀杆座，就可以组成新规格的微调镗刀。 1 结构设计
1.1 刀柄座的设计
由于刀柄座安装在机床(如镗床、铣床、车床、钻床等)的主轴孔内，由机床主轴带动其作旋转运动，因此刀柄座的形状尺寸由机床主轴孔的形状尺寸所决定，一般为莫氏锥度或7:24锥度的圆锥柱体。刀柄座的结构见图2。 在刀柄座上有一个与刀柄中心偏心距为e的偏心圆盘，刀杆座由T形螺钉固定在盘上的T形环槽内。旋转时，该微调镗刀以刀柄座(主轴)的中心线为旋转中心，由于偏心距e的存在，刀柄座偏心盘必将产生偏心振动力，尤其是在高速旋转时，有可能造成主轴振动，影响镗孔精度。因此在设计偏心盘时，应在保证联接刚性的前提下，一方面尽量缩小偏心盘的直径和厚度尺寸，以减少偏心质量：另一方面以刀柄的旋转中心线(机床主轴线)为中心，在偏心距的对称一方设计一个“平衡槽”(平衡槽的尺寸与偏心盘质量以及偏心距e的大小有关)。平衡槽除了使偏心盘的重心尽量靠近刀柄的旋转中心线外，还为T形螺钉提供了安装路径。 在偏心盘上设计有一个刀杆座定位圆柱，定位圆柱的定位高度通常为4～6mm，使定位圆柱面只能限制两个自由度，消除刀柄座和刀杆座两个偏心盘大平面相互夹紧时因过定位产生的内应力，确保微调可靠。偏心盘的大平面对刀柄(主轴)旋转中心线的不垂直度≤0.02mm。 刀柄座常用材料为45号钢，热处理硬度为HBS217～255。 1.2 刀杆座的设计
刀杆座的结构如图3 所示。刀杆座也设计有一个偏心盘，其偏心距和刀柄座的偏心距e相等：偏心盘上有两个T形螺钉的紧定孔。该偏心盘通过定位圆孔与刀柄座偏心盘的定位圆柱配合(配合精度为H8/f9)，实现定位：刀杆座偏心盘大平面对刀杆中心线的不垂直度≤0.02mm：刀具固定在刀杆上，改变刀杆中心线和刀柄中心线的距离，即可实现加工孔径的连续微调。 为了降低离心振动力，在满足加工要求的前提下，设计时应尽量减小刀杆的直径和长度。同时，在刀杆偏心座上还设计了两个质量相等的减轻缺口，两减轻缺口的弓形弦分别位于定位圆孔中心和刀杆中心连心线的两侧且相互平行，其作用也是减少离心振动力。 刀杆座材料选用45号调质钢，硬度为HBS217～255。 1.3 偏心距e的设计
为了方便设计、使用和测量，通常取刀杆座与刀柄座的偏心距e相等。由于偏心距e越大，越难做到重心平衡，故设计时一般取偏心距e=0.25～2.5mm：对特殊要求大偏心距的情况，只能在低速镗孔的条件下进行设计。 由于偏心距相等，刀杆中心线与刀柄中心线在0位起点线处相互同轴，此时适合对工件进行粗镗孔加工：而精镗时则通过调整两中心线的相对角度即可改变镗刀的可加工直径范围。图4如图4所示，在微调过程中，刀杆中心O2绕起始点刀柄中心O1转动一个角度θ。设初始时两偏心盘在起点位置O1时，镗刀刀尖至刀杆(或刀柄)中心的距离为R：当刀杆座微调角度θ后，刀尖至刀杆中心的距离仍为R，但刀尖距刀柄旋转中心的距离变为Rθ。 在ΔO1K2O2中，由∠O1O2K2=π/2+θ/2，O1O2=2esin(θ/2)，O1K2=Rθ，O1O3=O2O3=e，O1K1=O2K2=R可得 (1)将式(1)化简后得 (2)由式(2)可知:当θ=0时，Rθ=R，刀杆中心与刀柄中心重合：当θ=π时，Rθ=R+2e，即刀尖的旋转半径增大2e(其镗孔范围增大4e)。 由上述分析可见，采用偏心式微调镗刀可将镗孔范围增大四倍偏心距，大大扩展了镗刀的镗削范围。 此外，式(2)也表明随着θ的变化，Rθ是一个曲线函数，难以用偏心盘上的刻度线清楚表示，即刻度示值操作性差。这是偏心式微调镗刀的最大缺陷，但这个缺陷可通过现代测试手段进行弥补。 2 制造要点
偏心式微调镗刀的制造关键是要确保刀柄座和刀杆座的偏心距e相等且符合设计要求。加工时用三爪卡盘装夹工件，首先车削加工偏心盘。装夹时在偏心盘上垫上一块厚度为δ的垫片(见图5)，当偏心距e≤5～6mm时，经数学推导，δ的计算公式为 式中：δ——垫片厚度(mm) D——偏心盘直径(mm) e——设计的偏心距(mm) 计算实例:设计一种偏心微调镗刀，其偏心盘的直径D=75mm，要求偏心距e=1.5mm。根据式(3)，在加工刀柄或刀杆时，垫片厚度δ为 δ=1.5×1.5×[1-1.5(/2×75)]=2.2(4mm)即加工时采用厚度为2.24mm的垫片垫在三爪卡盘的偏心盘上，车削出的刀柄座或刀杆座的偏心距即可相等且满足图纸设计要求。 加工时需注意:(1)刀柄座和刀杆座的偏心盘直径必须相等：(2)在车削加工前，应划线找出偏心盘的0位起点线，并使垫片相对该0位起点线对称放置。 偏心式微调镗刀的刻度线一般按转动角度分度。根据需要，可将半个圆周分为36等分或90等分，这样的刻度虽然不是镗刀刀尖旋转角度的示值，但作为一个参考值，可给人均匀直观的感觉。通常刻度线从0位起点线开始，以180°(π)作为终点线，对称地刻在刀柄座偏心盘的圆周上：而刀杆座偏心盘的圆周上只刻0位起点线，用以指示刀杆绕定位圆柱转动的角度(见图2、图3)。 3 应用实例
笔者根据本文设计要求设计了偏心式微调镗刀，利用工厂闲置的C6125车床成批加工孔径仅为Ø16+0.027mm的自行车曲柄孔(左、右曲柄孔分别深18mm、30mm)。我们将偏心式微调镗刀装在车床主轴上，将车床的刀架卸下，设计了工件专用夹具，将车床改装成曲柄专用镗床，发挥偏心式微调镗刀在小孔精加工方面的优势，取得了令人满意的效果。实践证明，偏心式微调镗刀具有结构简单、结合面层次少、刚性好、调节范围大、调整快捷且不带旋转方向性以及容易实现自动操作等优点。
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