图1 工件(导块)图

1 问题的提出

我公司采用铰削工艺对汽车操纵杆总成中导块(见图1)上的孔进行精加工，由于该孔的孔壁较薄且不均匀，使用普通铰刀进行加工时，孔径易回缩，尺寸不稳定，孔壁表面质量较差，孔的轴向直线度难以满足零件工艺要求，且刀具耐用度较低，从而使该工序成为影响整个工艺路线的“瓶颈”。虽然采取了增加铰刀刃磨次数、增大铰刀外径等改进措施，但效果并不理想。如改用拉削工艺加工，则因孔径较小而使刀具制造难度大、费用高，且需增加设备投资。为此，我们针对存在的问题进行质量攻关，对加工薄壁件小孔的铰刀进行了优化设计。

(a)
(b) 图2 切削层与切削力分析图

2 铰刀几何参数的优化设计

通过对实际加工过程进行检测分析，发现存在两个问题：①因切削层较薄，造成切削困难，刀具磨损严重，孔壁表面加工质量差；②因径向铰削力较大，孔壁较薄且不均匀，使刀具振动较大，加工出的孔径尺寸波动较大。为了从根本上解决上述问题，需对铰刀几何角度进行优化设计。由于加工设备采用专用机床，进给量调整范围较小(0.20～0.25mm/r)，因此刀具主偏角k_r是决定切削层厚度和径向切削力大小的关键参数。用于加工钢等韧性材料的普通硬质合金铰刀的主偏角通常取k_r=12°～15°(最大可取k_r=30°)。由于铰孔时切削层厚度仅为a_c=0.025～0.032，铰刀刃口稍有磨损，切削层便难以剥离而造成挤压，使切削力(尤其是径向切削力F_r)急剧增大(见图2a)。为解决这一问题，设计时将铰刀主偏角增大为k_r=60°，从而使切削层厚度a_c增大一倍，径向切削力F_r减小一半(见图2b)。由于铰孔为精加工，切削余量较小，因此增大主偏角k_r引起的轴向切削力F_o增大对加工过程基本无影响。

图3 两段切削刃示意图
图4 铰刀切削刃坐标系

为获得较理想的孔壁表面粗糙度，将铰刀的切削锥部设计为分段切削形式，两段切削刃的主偏角分别为k_r1和k_r2(见图3)。其中，主偏角较大的主切削刃担负主要切削任务；主偏角较小的过渡刃起微量切削及熨光作用。但由于过渡刃的主偏角k_r2较小(0°30～1°30)，因此在铰刀磨制过程中两段切削刃的交点难以控制，使加工质量不够稳定。由于该铰刀用于铰削通孔，因此磨制铰刀时可在铰刀前面磨出一个刃倾角"，这样即可在圆柱刃和倒角刃的后刀面上相贯出两段切削刃，通过调整铰刀几何参数(K₁、K₂、a₁、a₂、l)，即可确定两段切削刃的偏角和切削量。采用刃倾角l还可起到增加切削过程平稳性、减轻切削振动、增大切削锥部切削刃前角的作用，从而可减小铰削后孔径的波动量，提高铰孔质量。

3 铰刀几何参数的计算

铰刀优化设计的关键在于确定各几何参数间的数学关系。为此，建立铰刀切削刃的直角坐标系(见图4)。

铰刀的刃倾面方程为 Y=(X-K₂)tanl (1)

铰刀的圆柱刃后刀面方程为 Y=(Z-R_A)/tana (2)

铰刀的锥切削刃后刀面方程可通过对XOY平面进行三次坐标变换(一次平移、两次绕坐标轴旋转)而得到，即为 (3)其中，X"=0。简化式(3)可得 X+Y(cosk_rtana₂+tank_rsink_rtana₂)-Ztank_r=R_Atank_r+K₁ (3)联立求解方程式(1)、(2)、(3)，可得两段切削刃的拐点B的坐标为 X_B=(K₁-K₂Etanl)/(1-Etanl)
Y_B=(K₁-K₂)tanl)/(1-Etanl)
Z_B=(K₁-K₂)tanatanl/(1-Etanl)+R_A式中，E=tan(1-Etank_rtana₁-tank_rsink_rtana₂-cosk_rtana₁。联立求解方程式(1)、(3)和YOZ平面方程，可得端面点C的坐标为 X_C=0
Y_C=-K₂tanl
Z_C=(R_Atank_r-K₁-K₂cosk_rtana₂tanl-K₂sink_rtank_rtana₂tanl)/tank_r

根据工件的扩孔尺寸f11.8mm和铰孔尺寸k12.006～12.03mm，可确定铰刀直径为k12.025～12.032mm。在本加工实例中选取K₁=0.7mm，K₂=2.5mm，a₁=8°，a₂=15°，l=10°，k_r=60°，根据粗铰、精铰余量为2:1的分配关系，可求得粗铰余量为1.3156mm(双边)，精铰余量为0.0765(双边)。

根据计算结果，设计制造了采用不等齿距结构的专用铰刀(见图5)。该铰刀应用于实际生产后，加工效果良好，完全解决了原来存在的加工质量问题，且刀具耐用度提高了3倍。现已将铰刀设计过程程序化，实现了计算机辅助设计，并将该设计思路推广应用于其它孔加工刀具的设计。
图5 铰刀设计图

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