薄壁件复合开孔工装创新设计
2020-2-21 来源：- 作者：周永龙，王小刚
摘 要：针对现有孔加工工装“成本高、使用繁、范围窄”的不足，明确了“分析工艺、综合刀具、钻铣组合”的创新思路，进行工作母盘、工作刀具的设计，探索了新型薄壁件复合开孔工装的实施方式，减少了加工成本，提高了加工效率，增加了适用类型，拓宽了应用范围。
关键词：孔加工；开孔；薄壁件；工装；母盘；刀具
内孔表面是组成机械零件的重要表面之一，在零部件中，内孔表面起到紧固连接、传动、调节质心分布等作用。孔的类型主要分为紧固连接孔、传动孔、工艺孔等。其中，紧固连接孔通过各种不同尺寸的螺钉孔、销钉孔或铆钉孔，把零件连接、固定起来；传动孔通过孔与轴的配合类型合理选择，能够让轴和孔之间产生相对运动；工艺孔通过孔的形态与分布，对机械零件本身起到调节、加工的作用，如油孔、减重孔、对定孔等。
孔加工是通过切削设备或成型设备对工件进行加工以产生符合要求的孔的加工过程，包括钻孔、铰孔、镗孔、拉孔、冲孔等方式。在机械零件中，带孔零件一般要占零件总数的 50%~80%，孔的种类也是多种多样的，有圆柱形孔、圆锥形孔、螺纹形孔和成形孔等。由于孔的种类多样、工件形式各异、加工环境不同，加工方式也不尽相同，对薄板、钣金等薄壁件进行开孔的常用方法是冲孔、钻孔的方式。冲孔适用于定型薄壁金属件的大批量生产，需要专用机床和模具进行冲压操作，不适应于薄板的单件小批量生产，因此在生产中，对于薄壁件通常采用钻孔加工的方式。钻孔加工设备可以是手钻、台钻、立式钻床等，刀具一般为麻花钻、锪孔钻，夹具多为弹性夹头。
1、 现有薄壁件开孔工装存在的问题
图 1 为市场现有薄壁件开孔工装
其基本结构为成组出现的圆盘刀具，根据开孔的规格大小，选择不同的刀具，在夹紧和传动方式上采用的螺纹旋合夹紧方式，其装配相对复杂耗时，整体表现出“成本高、使用繁、范围窄”的特点 。
由图 1 可知，当需要加工不同孔径的时候，就需要有相对应的开孔刀具，多种规格成套使用，携带不便，浪费金属材料。由于单个开孔刀具的某几个切削齿产生磨损甚至折断后，将影响到整个刀具的加工效果，因此就需要将整个刀具更换，从而造成了浪费，提高了成本。
2） 使用繁。一是安装繁杂。中心定位钻的安与普通夹头相似，在完成中心位钻安装后，还需要对盘刀进行安装，需要具有适当的预紧力。当孔径较大时，还需要增加扭力板以传递扭矩进行切削
加工。这些都增加了安装的难度。二是调节繁琐。当改变孔径从而更换刀具的时候，需要进行刀具的拆除，然后进行新刀具的对中安装。若还需要更换扭力板，则需要更进一步进行调整，以完成刀具的更换和切削。
3） 范围窄。对于单个刀具而言，由于其为定尺寸刀具，因此不仅加工的孔径固定，而且开孔的深度也固定。对于成组刀具而言，只能开通孔，不能加工盲孔，更不能加工异型面。
2 、薄壁件复合开孔工装的创新思路
该创新设计目的在于提供一种打孔工装，将刀具与夹具相结合，解决了现有的打孔装置规格多、适应性差的问题。创新思路的原则是“分析工艺、综合刀具、钻铣组合” 。
1） 分析钻孔的基本工艺。一是单个零件的钻孔工艺，通过单个孔的直接划线，确定位置后进行钻孔；二是引钻工艺，先钻一个孔，以此孔为基准，钻削加工其他的孔，可以利用已有面或钻窝进
行异向钻孔；三是组合钻工艺，将两个或多个零件用夹头夹紧或螺钉组合后形成一体，从而进行钻孔加工。
2） 综合运用钻孔工艺创新设计。在分析引钻、组合钻等工艺的基础上，以此原理为基础，结合夹头、刀具运动方式，进行新的结构设计，合理布局工装结构。其特点是结合中心钻和定心钻的基本作用，进行刀具方式新组合。其中，中心钻主要用于钻中心孔，也可用于麻花钻钻孔前预钻定心孔；定心钻主要用于麻花钻钻孔前预钻定心孔，主要有90°和 120°两种规格。
3） 钻铣组合。在现有夹具的基础上，以中心钻的引钻工艺为基础，将市场现有的多齿刀具进行分化设计，形成“中心为钻，周向加工为铣”的加工方式。
3 、薄壁件复合开孔工装的创新设计
在明确创新设计思想的基础上，确定创新设计技术方案。该方案采用了母盘，母盘中心设有夹持头，母盘的半径上设有若干条空心的刀具槽道，每条刀具槽道设有若干锥形刀具柄安装孔，刀具柄头设有凸起，刀具柄身为锥形面能够配合刀具柄安装孔的形状，刀具柄身两侧设有凸起的直柱。当刀具柄头插入刀具柄安装孔内时，刀具柄身的锥形面紧贴刀具柄安装孔的锥面，刀具柄身两侧凸起的直柱置于刀具柄安装孔旁的刀具槽道内，凸起伸出，刀具柄安装孔位于母盘上方，夹紧螺母用来夹紧凸起，将刀具夹紧在母盘上。此外，母盘中心底部还设有中心钻。
1） 工作母盘。图 2 为工作母盘。工作母盘为该薄壁件复合开孔工装的基体，起到连接、支承、传动的作用。在盘上面设置圆轴，在圆轴上端周向均布 3 个平面，作为夹持连接头，与钻床的三爪夹紧配合使用，对圆盘进行夹紧，从而有效驱动整个盘面的旋转。为了减少能耗，圆盘下端为中空结构，盘面均布 6 个刀具长槽，各槽中分布锥度孔，方便刀具快速精准定位、夹紧。每个锥度孔刻线标示其回转直径，便于快速读取数值。
图2 工作母盘
2） 各样刀具。
图 3 为刀具基本结构示例。刀柄的镀面部分可实现快速定位、方便夹紧。二侧矩形台面与母盘长槽相配合，防止单个刀具自身的旋转，从而对刀具头部起到定位作用。刀具尾部为螺纹结构，通过旋合螺母，扳手加力，即可螺旋锁紧。刀具头部根据需要设计成长柄、短柄，宽刃、异型面等类型。通过变换刀具的类型、位置，实现开通孔、锪孔的目标，可加工平底、异型面。
图 3 刀具基本结构示例
4 、薄壁件复合开孔工装的实施方式
该创新设计的具体实施方式详细情况如下：母盘中心设有夹持头，母盘的半径上设有若干条空心的刀具槽道，每条刀具槽道设有若干锥形的刀具柄安装孔，刀具的刀具柄头设有凸起，刀具柄身为锥形面能够配合刀具柄安装孔的形状，刀具柄身两侧设有凸起的直柱。当刀具柄头插入刀具柄安装孔内时，刀具柄身的锥形面紧贴刀具柄安装孔的锥面，刀具柄身两侧凸起的直柱置于刀具柄安装孔旁的刀具槽道内，凸起伸出，刀具柄安装孔位于母盘上方，夹紧螺母用来夹紧凸起，将刀具夹紧在母盘上。刀具的刀头能够根据需要设计成长刃、短刃，宽刃、异型面刃等类型。通过变换刀具的类型、位置，实现开通孔、锪孔的目标，可加工平底、异型面。刀具柄安装孔在刀具槽道中分布，方便刀具快速精准定位、夹紧。母盘中心底部还设有中心钻，中心钻起到中心定位作用，方便母盘的固定和取出。
图 4 薄壁件复合开孔工装整体装配示意图
图 5 为刀具定位示意图
5 、结束语
通过该薄壁件复合开孔工装的创新设计，特别是工作母盘的作用，减少了成组刀具的材料应用，从而降低了成本，通过多种锥面、台面的组合，实现快速定位与夹紧，从而减少了换刀的强度和技术要求，容易操作。通过刀具的类型选择、母盘安装位置的变化，现实了多样孔的加工。
投稿箱：
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
