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偏心式微調(diào)鏜刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造要點

微調(diào)鏜刀是孔加工尤其是擴孔加工過程中一種必不可少的刀具。微調(diào)鏜刀操作簡單，在一定尺寸范圍內(nèi)用一把鏜刀可以連續(xù)加工具有一定精度的不同直徑的孔，大大減少所用刀具的品種規(guī)格和孔加工工序，節(jié)省加工工時。微調(diào)鏜刀的種類很多，常見的微調(diào)鏜刀有細螺紋進給式、帶導(dǎo)軌移動或?qū)е苿邮?、螺紋緊定或液壓緊定式等。一般的微調(diào)鏜刀刀頭采用直線移動方式，具有示值明確、孔的尺寸精度連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點，但由于其結(jié)構(gòu)元件多，層次多，因此剛性欠佳，同時刀頭尺寸大，難以加工?30mm以下的小孔。

1.刀柄座 2.刀桿座 3.彈簧墊圈
4.螺母 5.T形螺釘 6.刀具 7.緊定螺釘
圖1

1.T形槽 2.偏心盤 3.定位圓柱
4.平衡 5.T形螺釘 6.刀柄座
圖2

1.T形螺釘緊定孔 2.偏心盤 3.定位圓柱
4.刀桿 5.方刀孔 6.緊定螺釘孔 7.減輕缺口
圖3

筆者設(shè)計了一種偏心式微調(diào)鏜刀，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該鏜刀刀頭尺寸小且刀頭無結(jié)構(gòu)元件，可加工?20mm以下的小孔。該鏜刀分為刀柄座和刀桿座兩部分，具有良好的可換性，只需更換刀桿座，就可以組成新規(guī)格的微調(diào)鏜刀。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 刀柄座的設(shè)計

由于刀柄座安裝在機床(如鏜床、銑床、車床、鉆床等)的主軸孔內(nèi)，由機床主軸帶動其作旋轉(zhuǎn)運動，因此刀柄座的形狀尺寸由機床主軸孔的形狀尺寸所決定，一般為莫氏錐度或7:24錐度的圓錐柱體。刀柄座的結(jié)構(gòu)見圖2。

在刀柄座上有一個與刀柄中心偏心距為e的偏心圓盤，刀桿座由T形螺釘固定在盤上的T形環(huán)槽內(nèi)。旋轉(zhuǎn)時，該微調(diào)鏜刀以刀柄座(主軸)的中心線為旋轉(zhuǎn)中心，由于偏心距e的存在，刀柄座偏心盤必將產(chǎn)生偏心振動力，尤其是在高速旋轉(zhuǎn)時，有可能造成主軸振動，影響鏜孔精度。因此在設(shè)計偏心盤時，應(yīng)在保證聯(lián)接剛性的前提下，一方面盡量縮小偏心盤的直徑和厚度尺寸，以減少偏心質(zhì)量：另一方面以刀柄的旋轉(zhuǎn)中心線(機床主軸線)為中心，在偏心距的對稱一方設(shè)計一個“平衡槽”(平衡槽的尺寸與偏心盤質(zhì)量以及偏心距e的大小有關(guān))。平衡槽除了使偏心盤的重心盡量靠近刀柄的旋轉(zhuǎn)中心線外，還為T形螺釘提供了安裝路徑。

在偏心盤上設(shè)計有一個刀桿座定位圓柱，定位圓柱的定位高度通常為4～6mm，使定位圓柱面只能限制兩個自由度，消除刀柄座和刀桿座兩個偏心盤大平面相互夾緊時因過定位產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，確保微調(diào)可靠。偏心盤的大平面對刀柄(主軸)旋轉(zhuǎn)中心線的不垂直度≤0.02mm。

刀柄座常用材料為45號鋼，熱處理硬度為HBS217～255。

1.2 刀桿座的設(shè)計

刀桿座的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。刀桿座也設(shè)計有一個偏心盤，其偏心距和刀柄座的偏心距e相等：偏心盤上有兩個T形螺釘?shù)木o定孔。該偏心盤通過定位圓孔與刀柄座偏心盤的定位圓柱配合(配合精度為H8/f9)，實現(xiàn)定位：刀桿座偏心盤大平面對刀桿中心線的不垂直度≤0.02mm：刀具固定在刀桿上，改變刀桿中心線和刀柄中心線的距離，即可實現(xiàn)加工孔徑的連續(xù)微調(diào)。

為了降低離心振動力，在滿足加工要求的前提下，設(shè)計時應(yīng)盡量減小刀桿的直徑和長度。同時，在刀桿偏心座上還設(shè)計了兩個質(zhì)量相等的減輕缺口，兩減輕缺口的弓形弦分別位于定位圓孔中心和刀桿中心連心線的兩側(cè)且相互平行，其作用也是減少離心振動力。

刀桿座材料選用45號調(diào)質(zhì)鋼，硬度為HBS217～255。

1.3 偏心距e的設(shè)計

為了方便設(shè)計、使用和測量，通常取刀桿座與刀柄座的偏心距e相等。由于偏心距e越大，越難做到重心平衡，故設(shè)計時一般取偏心距e=0.25～2.5mm：對特殊要求大偏心距的情況，只能在低速鏜孔的條件下進行設(shè)計。

由于偏心距相等，刀桿中心線與刀柄中心線在0位起點線處相互同軸，此時適合對工件進行粗鏜孔加工：而精鏜時則通過調(diào)整兩中心線的相對角度即可改變鏜刀的可加工直徑范圍。圖4如圖4所示，在微調(diào)過程中，刀桿中心O2繞起始點刀柄中心O1轉(zhuǎn)動一個角度θ。設(shè)初始時兩偏心盤在起點位置O1時，鏜刀刀尖至刀桿(或刀柄)中心的距離為R：當(dāng)?shù)稐U座微調(diào)角度θ后，刀尖至刀桿中心的距離仍為R，但刀尖距刀柄旋轉(zhuǎn)中心的距離變?yōu)镽_θ。

在ΔO₁K₂O₂中，由∠O₁O₂K₂=π/2+θ/2，O₁O₂=2esin(θ/2)，O₁K₂=R_θ，O₁O₃=O₂O₃=e，O₁K₁=O₂K₂=R可得

Rsub>θ=	√
		R²+(2esin	θ	)²-2R(2esin	θ	)cos(	π	+	θ	)

			2		2		2		2

(1)

將式(1)化簡后得

R_θ=	√
		R²+4e(R+e)sin²	θ

			2

(2)

由式(2)可知:當(dāng)θ=0時，R_θ=R，刀桿中心與刀柄中心重合：當(dāng)θ=π時，R_θ=R+2e，即刀尖的旋轉(zhuǎn)半徑增大2e(其鏜孔范圍增大4e)。

由上述分析可見，采用偏心式微調(diào)鏜刀可將鏜孔范圍增大四倍偏心距，大大擴展了鏜刀的鏜削范圍。

此外，式(2)也表明隨著θ的變化，R_θ是一個曲線函數(shù)，難以用偏心盤上的刻度線清楚表示，即刻度示值操作性差。這是偏心式微調(diào)鏜刀的最大缺陷，但這個缺陷可通過現(xiàn)代測試手段進行彌補。

圖4

圖5

2 制造要點

偏心式微調(diào)鏜刀的制造關(guān)鍵是要確保刀柄座和刀桿座的偏心距e相等且符合設(shè)計要求。加工時用三爪卡盤裝夾工件，首先車削加工偏心盤。裝夾時在偏心盤上墊上一塊厚度為δ的墊片(見圖5)，當(dāng)偏心距e≤5～6mm時，經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，δ的計算公式為

δ=1.5e[1-e(/2D)]

(3)

式中：δ——墊片厚度(mm)

D——偏心盤直徑(mm)

e——設(shè)計的偏心距(mm)

計算實例:設(shè)計一種偏心微調(diào)鏜刀，其偏心盤的直徑D=75mm，要求偏心距e=1.5mm。根據(jù)式(3)，在加工刀柄或刀桿時，墊片厚度δ為δ=1.5×1.5×[1-1.5(/2×75)]=2.2(4mm)即加工時采用厚度為2.24mm的墊片墊在三爪卡盤的偏心盤上，車削出的刀柄座或刀桿座的偏心距即可相等且滿足圖紙設(shè)計要求。

加工時需注意:(1)刀柄座和刀桿座的偏心盤直徑必須相等：(2)在車削加工前，應(yīng)劃線找出偏心盤的0位起點線，并使墊片相對該0位起點線對稱放置。

偏心式微調(diào)鏜刀的刻度線一般按轉(zhuǎn)動角度分度。根據(jù)需要，可將半個圓周分為36等分或90等分，這樣的刻度雖然不是鏜刀刀尖旋轉(zhuǎn)角度的示值，但作為一個參考值，可給人均勻直觀的感覺。通?？潭染€從0位起點線開始，以180°(π)作為終點線，對稱地刻在刀柄座偏心盤的圓周上：而刀桿座偏心盤的圓周上只刻0位起點線，用以指示刀桿繞定位圓柱轉(zhuǎn)動的角度(見圖2、圖3)。

3 應(yīng)用實例

筆者根據(jù)本文設(shè)計要求設(shè)計了偏心式微調(diào)鏜刀，利用工廠閑置的C6125車床成批加工孔徑僅為?16^+0.027mm的自行車曲柄孔(左、右曲柄孔分別深18mm、30mm)。我們將偏心式微調(diào)鏜刀裝在車床主軸上，將車床的刀架卸下，設(shè)計了工件專用夾具，將車床改裝成曲柄專用鏜床，發(fā)揮偏心式微調(diào)鏜刀在小孔精加工方面的優(yōu)勢，取得了令人滿意的效果。實踐證明，偏心式微調(diào)鏜刀具有結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)合面層次少、剛性好、調(diào)節(jié)范圍大、調(diào)整快捷且不帶旋轉(zhuǎn)方向性以及容易實現(xiàn)自動操作等優(yōu)點。