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數控臥式車床鏜刀座的設計

2020-5-20 來源：上海機床廠有限公司作者：圣祝素

摘要：通過對深孔加工現狀的分析和用戶的實際需求，設計了一套三支撐的鏜刀座裝置，并對鏜刀座各段的夾持長度進行了合理的分配，使鏜桿的重心恰好落在鏜刀座上，避免了鏜刀座在運轉過程中的爬行。又對鏜刀座的理論數值計算和靜力學分析，得出鏜桿的彎曲變形在許可范圍內，從理論上驗證了設計方案的合理性、可行性以及安全性。

關鍵詞：鏜刀座鏜桿支撐長徑比夾持

深孔加工在機械制造行業中占了很大的比重，尤其是軍工領域，過去一段時間，加工難度大、成本高在一定程度上限制了深孔加工領域的發展和進步。隨著現代高科技水平的發展和先進技術的應用，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，同時孔徑又不大的深盲孔，目前這類深孔加工是一個難點。現有的方式一般是在數控深孔鉆床上加工，缺點是孔的加工精度較低。另一種方式為懸臂鏜桿加工，但能加工的深孔長徑比小，目前世界上領先的 Sandvik 等公司開發的懸臂抗震鏜桿懸臂長度能達到 10 倍直徑[1]，能使深孔加工的精度較深孔鉆有較大提高，但加工孔的深度也受限于鏜桿的直徑大小。新設計的鏜刀座可安裝 Ф280×4000mm 的鏜桿,用該鏜桿加工內孔直徑為 Ф290±0.20mm，孔深長達1960 mm。要求內圓加工表面光滑，圓柱度公差為0.02 mm，粗糙度達到 Ra3.2μm 以上。該鏜桿長徑比達到 14.286，以往設計的鏜刀座無法借用，需要對鏜刀座進行重新設計，如圖 1 所示。

圖 1 鏜刀座示意圖

1 、鏜刀座的設計

1.1 鏜刀座裝置的結構

新設計的鏜刀座由中拖板、上座、支架、上蓋、移動下座、移動上座、調整墊、壓板、直線滾動導軌、壓緊塊、牽引法蘭、C 形墊圈、螺母、支撐法蘭、拉管、T 形螺栓、連接套組成。

1.2 鏜刀座的支撐方式

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。中拖板與上座采用固定式螺釘聯接固定。支架通過螺釘聯接安裝在大拖板上，并通過調整墊支撐著上座。獨立輔助支撐由移動下座、移動上座、調整墊、壓板、直線滾動導軌、壓緊塊共同組成，移動下座上裝有雙直線滾動導軌，移動上座通過調整墊與移動下座聯接，并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 形墊圈、牽引法蘭與大拖板聯接，螺母、C 形墊圈、牽引法蘭用于調整獨立輔助支撐與上座的距離，本方案設計的可調距離為 210~910mm。

2 、鏜刀座的夾持長度及理論數值計算

2.1 鏜刀座的夾持長度

鏜刀座夾持鏜桿采用兩個半圓的圓弧面接觸的夾持方式，保證了鏜桿的夾持剛度。在盲孔加工中，盡量減小鏜桿的懸臂長度，有利于改善切削效果。在滿足加工條件的情況下，應盡量將鏜桿的夾持位置往鏜桿頭部位置移動。客戶所要求的鏜桿長度為4000 mm，鏜桿直徑為 Ф280mm。根據經驗公式，鏜桿的最小夾持長度=5×D=1400mm,一般鏜孔長度=7×D=1960mm。（D 為鏜桿的直徑）。鏜刀座的具體夾持尺寸如圖 2 所示。

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為 800 mm，上蓋長度為 300 mm，鏜桿尾部的懸伸段長度為 40 mm，總長為 4 000 mm。

2.2 鏜刀座的理論數值計算

鏜桿的材料為 40Cr 優質合金鋼，其截面尺寸如圖 3 所示。鏜刀座通過 3 個支撐點夾持鏜桿，由圖2 中的夾持長度分布可知鏜桿的重心（位于總長度的一半處）落在鏜刀座上。為了便于計算、分析研究鏜刀座，將鏜桿簡化為一個懸臂梁，鏜刀座受到的力和力矩與鏜桿受到的力和力矩大小相等，方向相反，直接計算鏜刀座受到的力和力矩不太方便，這里先計算鏜桿受到的力和力矩，然后再轉化為鏜刀座受到的力和力矩。

圖 3 鏜桿截面尺寸

2）鏜桿固定端受到的力和力矩

鏜桿前端受到主切削力 Fc= 53 N，鏜桿前端鏜孔段由于受重力影響，受到了均布載荷??的作用，這兩個力使鏜桿發生彎曲變形，鏜桿的另一端受到了鏜刀座的反支承力和力矩 2，受力示意圖如圖4 所示。

圖 4 載荷分布圖

最大撓度發生在主切削力作用點處，其曲線方程為：

3 、鏜刀座的靜力學分析

3.1 靜力學分析理論與模型建立

在不考慮慣性和阻尼的前提下，對結構施加不隨時間變化的載荷，分析結構在給定靜力載荷作用下產生的響應，即應力、應變和位移[2]。分析比較它們是否在給定的要求范圍內。靜力學方程為：

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

鏜桿固定在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性。根據鏜刀座的二維零件圖紙在 Solidworks 中進行三維建模，忽略小孔、倒角、圓角等不重要的幾何體特征，不僅簡化了模型，縮短了建模的過程，而且還節省了后續的網格劃分和結果計算的時間[3]。

3.2 網格劃分、邊界條件的定義和載荷的加載

網格劃分的質量直接影響求解的速度和精度。一般來說，單元越小，離散誤差越低，但網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]。因此選擇合適的網格單元尤為重要。選擇基于曲率的網格，最大單元為 74.18mm，最小單元 14.84mm，雅可比點為 4 點進行網格劃分，如圖 5 所示。鏜刀座的材料為灰鑄鐵，材料的張力強度為 151.7MPa，壓縮強度為 572MPa，加載材料，對鏜刀座與中拖板、調整墊接觸的表面進行固定，限制了 X、Y、Z 方向的自由度。

圖 5 鏜刀座的網格劃分

3.3 應力和應變結果

應用 Solidworks 的插件 Simulation 分析出鏜刀座的應力，如圖 6 所示。鏜刀座前端受壓，最大壓力為 2.6MPa，遠小于壓縮強度 572MPa。鏜刀座后端受拉，最大拉力為 1.5 MPa，遠小于張力強度151.7MPa。鏜刀座的應變量如圖 7 所示，最大變形量發生在鏜刀座前端，最大變形量為 1.4μm，如圖8 所示。則鏜桿前端相對于車頭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。所以設計的鏜刀座是安全可行的。