數(shù)控深孔鉆鏜床的設(shè)計(jì)與研究

譚德寧 梁斌順 王一嶺 楊明朋

（山東普利森集團(tuán)有限公司，山東德州 253003）

當(dāng)今對內(nèi)孔加工的精度和表面質(zhì)量不斷提高，特別對淬火鋼（≤C32）、硬鋁合金和鈦合金等難加工材料的深孔加工，內(nèi)孔對外圓的同軸度不好保證，材料硬、鉆頭容易磨損、鉆削力大、鉆桿強(qiáng)度相對較弱和切削溫度高等因素，使切削用量受到限制，傳統(tǒng)的深孔鉆鏜床存在難以解決的問題，如圖1所示。實(shí)踐證明:深孔加工如果采用超聲振動(dòng)鉆削可局部地改善內(nèi)孔質(zhì)量，但不能明顯改善。

為此，本文研究設(shè)計(jì)了一種帶支承臺的鉆桿結(jié)構(gòu)，可以將支承臺放入已鉆削過的內(nèi)孔中導(dǎo)向，對于孔深≥3 m的加工工件效果特別顯著，作為精密內(nèi)孔的鉆削尤顯突出，可以明顯改善內(nèi)孔對外圓的同軸度，獲得傳統(tǒng)深孔鉆鏜床無可比擬的加工精度和效率。

1 深孔鉆削的內(nèi)排屑加工法

機(jī)床設(shè)計(jì)，對于深孔加工是一項(xiàng)難度較大的技術(shù)，到目前為止，仍處于不斷改進(jìn)、提高的階段。內(nèi)排屑深孔鉆在工作中，切屑是從鉆桿內(nèi)部排出而不與工件已加工面接觸，可獲得較好的加工表面質(zhì)量。內(nèi)排屑深孔鉆的工作原理如圖2所示，切削液在較高的壓力（約2～6 MPa）下，由工件孔壁與鉆桿外表面之間的空隙進(jìn)入切削區(qū)以冷卻并將切屑經(jīng)鉆頭前端的排屑孔沖入鉆桿內(nèi)部向后排出。內(nèi)排屑深孔鉆適合于加工直徑在20 mm以上、孔深與孔徑比不超過100的深孔，加工精度達(dá)IT7－IT9，表面粗糙度不超過Ra3.2 μm，但內(nèi)孔相對外圓的同軸度不高。對于加工1 m的工件，同軸度為0.1 mm;對于加工2 m的工件，同軸度為0.3 mm;對于加工3 m的工件，同軸度為0.8 mm;對于加工≥4 m的工件，同軸度為≥1.2 mm;對于加工6 m的工件，同軸度為3 mm。由此可知，工件長度越長同軸度越差，誤差逐漸增大。對于BTA噴吸鉆、DF噴吸鉆系統(tǒng)亦是如此。

2 帶支承臺的鉆桿結(jié)構(gòu)總體布局

2.1 起因

如圖3所示為等直徑鉆桿工作時(shí)的情況，由于鉆頭鉆削時(shí)受一個(gè)工件的軸向推力，鉆桿固定架或鉆桿箱推著鉆桿工進(jìn)，所以鉆桿為兩頭受壓的受力狀態(tài)，鉆桿會(huì)產(chǎn)生圖示徑向δ的彎曲變形，使得鉆頭軸心線與工件的軸心線有一個(gè)夾角，這是產(chǎn)生鉆孔偏斜的根本原因。

傳統(tǒng)的加工方法是通過深孔鏜削來消除鉆孔時(shí)的壁厚偏差，對于孔深≥3 m的工件校正很不方便，不僅效率低而且精度差。現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了新的加工工藝方法，可在鉆桿適當(dāng)?shù)妮S向長度上加幾個(gè)支承臺，縮短軸向懸長，減小彎曲變形量δ，孔的同軸度可以通過一次鉆削來實(shí)現(xiàn)，為下道工序如鏜削提供有利條件。

2.2 結(jié)構(gòu)總體布局

在現(xiàn)有深孔鉆技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用結(jié)構(gòu)革新和數(shù)控技術(shù)研究設(shè)計(jì)了一種帶支承的鉆桿結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

它由深孔鉆1和帶支承鉆桿2連接，安裝在雙點(diǎn)劃線所示的授油器3上，鉆頭直徑和支承臺名義尺寸一樣，支承臺尺寸比鉆頭直徑小0.01～0.03 mm，這樣在通過導(dǎo)向套和已加工內(nèi)孔時(shí)能安全導(dǎo)向;為了確保授油器后端冷卻油的密封，在鉆桿小徑處配有開合密封環(huán)5，材料為尼龍66，它由兩個(gè)水平液壓缸6實(shí)現(xiàn)對鉆桿的抱緊和松開，開合密封環(huán)5兩端有45°錐面，當(dāng)支承臺通過時(shí)可沿?fù)醐h(huán)4上的導(dǎo)向槽實(shí)現(xiàn)徑向定向移動(dòng)，通過擰緊鎖緊套7壓縮開合密封環(huán)5實(shí)現(xiàn)軸向有合適的壓力便于封油。水平液壓缸6實(shí)際為水平安裝，這樣與回油斗9不干涉。開合支承套8有3套，端面可參看A－A視圖，它由2個(gè)半環(huán)組成，材料為錫青銅，對鉆桿有減磨作用，打開時(shí)可以讓鉆桿上的支承臺通過，閉合時(shí)可以對鉆桿進(jìn)行定位支承，充當(dāng)鉆桿支承套的作用。3套開合支承套8的運(yùn)動(dòng)有一定的邏輯順序;在邏輯控制上，開合密封環(huán)5和開合支承套8總是一開一閉，兩者的進(jìn)、出油口反接串連，在此時(shí)可以適當(dāng)增大流量來保證了授油器內(nèi)腔的冷卻液正常供給。回油斗9安裝在授油器的后部，將帶支承鉆桿2和一個(gè)開合支承套8罩在里面，即使開合密封環(huán)5和開合支承套8有少量漏油，也能將油液通過回油斗9流回冷卻油箱。

2.3 新鉆桿結(jié)構(gòu)

帶支承鉆桿的結(jié)構(gòu)如圖5所示，以φ60 mm深孔鉆桿為實(shí)例進(jìn)行介紹，如圖5所示。它由通用鉆桿部分1、支承臺部分2和通油槽3組成，軸向間距為800 mm、1 500 mm和2 000 mm，這樣便于導(dǎo)向支承。從A－A截面視圖可知，支承臺部分2是四瓣圓弧結(jié)構(gòu)，開有4條通油槽為冷卻液通過提供通道，外徑φ60g6，槽底直徑φ44 mm（便于加工），4條通油槽的空間尺寸完全滿足所需流量的供給要求。這種結(jié)構(gòu)既能起定位支承又能過油，滿足內(nèi)排屑深孔鉆削要求。800 mm+1 500 mm+2 000 mm=4 300 mm，可以滿足5～8 m的加工工件的要求，如果需要加工4.5 m以下的工件時(shí)可以刪去最后一個(gè)支承臺。

3 液壓開合卡具設(shè)計(jì)

圖6所示為液壓開合卡具，是實(shí)現(xiàn)開合支承套定時(shí)開閉的裝置，用液壓控制。授油器內(nèi)部的開合支承套，只需縮小油缸5外徑或削扁即可安裝。開合支承套4、8內(nèi)襯材料為錫青銅，對鉆桿有減磨作用。它的開合依靠撥動(dòng)臂1、10帶動(dòng)。油缸5由兩個(gè)活塞桿3、7和兩個(gè)端蓋2、9組成。撥動(dòng)臂1、10的運(yùn)動(dòng)由活塞桿3、7帶動(dòng)，而活塞桿3、7的運(yùn)動(dòng)方向由液壓系統(tǒng)的電磁換向閥控制。開合支承套4、8采用燕尾導(dǎo)軌導(dǎo)向，間隙由斜鑲條11調(diào)整。鉆桿6的支承臺通過依靠液壓卡具的開合來實(shí)現(xiàn);液壓缸閉合時(shí)的限位依靠缸體內(nèi)臺階控制，活塞桿3、7移動(dòng)到與缸體內(nèi)臺階相碰時(shí)就停止運(yùn)動(dòng)，確保了定心位置的準(zhǔn)確性。為了保證液壓缸的長期使用，外面采用YX密封圈，內(nèi)部使用3排O型密封圈。

4 數(shù)控系統(tǒng)

因?yàn)楹髢蓚€(gè)液壓開合卡具是安裝在移動(dòng)拖板上的，在工作時(shí)位置是隨時(shí)變動(dòng)的，所以，在3個(gè)開合支承套的后部必須都安裝接近開關(guān)，卡具的即時(shí)張開與閉合保證了不會(huì)誤動(dòng)作妨礙鉆桿通行;接近開關(guān)利用鉆桿直徑的變化來發(fā)送電信號，當(dāng)鉆桿支承臺靠近開合支承套時(shí)，接近開關(guān)發(fā)出一個(gè)相應(yīng)的電信號輸入到數(shù)控系統(tǒng)（圖7），數(shù)控系統(tǒng)分析是哪一個(gè)開合支承套應(yīng)該打開，發(fā)出相應(yīng)的控制命令輸出給液壓系統(tǒng)，控制二位五通電磁換向閥的得電或失電，液壓系統(tǒng)控制相應(yīng)的液壓缸動(dòng)作實(shí)現(xiàn)帶支承鉆桿順利通行。鉆桿的支承臺長度L1與開合支承套的長度L2是一個(gè)定值，當(dāng)接近開關(guān)發(fā)送一個(gè)電信號時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)進(jìn)給速度與時(shí)間的乘積為（L1+L2+10）mm時(shí)就發(fā)出相應(yīng)的控制命令輸出給液壓系統(tǒng)，開合支承套閉合實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)向。

同理，當(dāng)加工完工件后，鉆桿開始后退，也需要保證帶支承鉆桿順利通行。每個(gè)鉆桿支承臺前進(jìn)時(shí)對授油器后端支承臺的軸向位置是固定的，數(shù)控系統(tǒng)具有記憶功能，能夠?qū)⒚看伍_合的軸向位置輸入RAM存儲器，設(shè)其中一個(gè)軸向位置是a，那么當(dāng)鉆桿后退到（a+2L1+L2+10）mm時(shí)數(shù)控系統(tǒng)就發(fā)出相應(yīng)的控制命令輸出給液壓系統(tǒng)，開合支承套張開保證鉆桿順利通行。這樣，通過數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)儲存和計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)了鉆桿的安全后退。

5 結(jié)語

通過上面的論述，帶支承臺的鉆桿和普通鉆桿一樣都能順利通過鉆桿支承架、授油器和已加工工件的內(nèi)孔，滿足內(nèi)排屑深孔鉆的鉆削條件，數(shù)控深孔鉆鏜床與普通深孔鉆鏜床一樣能正常工作，這樣就減小了傳統(tǒng)鉆桿軸向過長產(chǎn)生的彎曲變形，從而降低了加工工件內(nèi)孔對外圓的出口偏差，使內(nèi)孔相對外圓的同軸度得到提高，因此，使深孔鉆削技術(shù)邁上一個(gè)新臺階。

［1］陳心昭.現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］李鶴軒.機(jī)電一體化技術(shù)手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.