重特大型工件深孔加工BTA裝置的研制

楊順田 楊天雄 彭美武

（①四川工程職業技術學院，四川德陽618000;②哈爾濱工業大學管理學院，黑龍江哈爾濱 150001）

重、特大型非回轉體工件上的深孔，其深度往往大于1 000 mm，長徑比也大于10［1］，以前這類孔的加工一直采用“大型落地鏜床+扁鉆片或接長麻花鉆”方式加工，這種方式由于扁鉆片和麻花鉆無定位支撐，加上工件不旋轉，所加工深孔的直線度和孔徑精度很差，后續處理工序繁雜（如鏜、擴、鉸），加之上述兩種刀具材質為高速鋼，切削速度低，嚴重制約了深孔加工效率。因此，非回轉體上大直徑深孔加工是機器制造中的加工難題。

經過分析論證，BTA深孔加工技術具有加工精度高、效率高、排屑好等特點，能很好滿足現場深孔加工的需求;但是BTA系統一直是用在深孔加工設備上，如10 m、15 m、30 m等深孔鉆床［2］，并且是用于回轉體（如軸類工件）的深孔加工。因此，能否將BTA技術應用在大型落地鏜床上，加工大型、重型非回轉體工件上的深孔，成為解決問題的突破口。

1 鏜床用BTA深孔加工系統工作原理及結構

BTA系統也稱為單管系統（STS），加工時切削液從外面提供，切削液通過鉆管和加工孔之間的縫隙直接流到加工區域，帶走切屑并降低溫度，如圖1所示，切屑從鉆桿內孔中排出而不會劃傷已加工過的孔壁，孔的表面粗糙度Ra值很小、精度較高。具體工作原理如圖2所示。

1.1 BTA深孔加工裝置的工作原理

鏜床用深孔加工裝置安裝在重型落地鏜床上實現對非旋轉體、非軸心孔的大型工件的深孔加工。因工件（如機架、箱體類）無法旋轉，就不能采用深孔專機的鉆孔方法，經研究發現，可以通過技術移植手段，將BTA深孔鉆加工技術移植到落地鏜床上，達到在落地鏜床上應用BTA系統加工非回轉體工件上深孔的目的。由于工件不旋轉，只能依靠鏜床主軸一邊旋轉一邊作直線進給運動。根據前面分析，鏜床用BTA深孔加工裝置設計思想的核心是充分考慮導向與排屑、幾何精度、程序控制孔深，實現鉆孔深度逐級遞減循環加工即“變切深”深孔加工方法，如圖3所示。程序基本格式［3］如下:

1.2 BTA深孔加工裝置對機床的要求

要求如下:

（1）鏜床進給機構應穩定可靠，無爬行現象。

（2）鏜床主軸回轉精度要求較高，其徑向跳動應小于0.02 mm。

（3）深孔加工刀具針對不同材質所用的切削速度和進給量是不同的，要求機床主軸轉速和進給量可調，而且可調級數越密越好。

（4）鏜床應有滑枕機構，便于安裝裝置中的鉆削系統部分。

（5）根據BTA深孔系統刀具使用要求，鉆頭直徑應與機床提供功率相匹配。

2 鏜床用BTA深孔加工裝置設計

2.1 BTA深孔加工裝置結構

鏜床用BTA深孔加工裝置主要由鉆削系統和冷卻系統兩大部分組成，該套裝置在較短時間可完成組裝，無需對機床作任何特殊改動。

2.2 鉆削系統的組成

鉆削系統是完成孔加工的機械部分，如圖4所示，主要功能部件有:鉆頭、鉆桿、導向套、旋轉連接器和支架。其中鉆頭、鉆桿和導向套是BTA系統必須的組成部分，支架和回油器是為滿足鏜床應用增加的項目。

2.3 系統功能特點

系統功能特點如下:

（1）鉆頭及定位支撐 鉆頭是深孔加工刀具，它通過鉆桿由機床主軸提供切削力矩和軸向進給，完成對金屬的切削。深孔加工過程中依靠已加工表面（孔壁）作為定位支撐。在刀具未切入工件前采用導向套作為支撐，為保證導向套與機床主軸軸心一致，設計了支架，支撐套通過支架整體安裝于機床滑枕上，保證刀具與機床主軸同軸。同時，支架與機床聯為一體，便于加工時快速找正孔的坐標。

（2）多級鉆桿及裝卸 不同規格的鏜床，其鉆桿軸向行程一般均能滿足孔深加工需要，但落地鏜床的主軸軸向行程一般為1 000 mm左右，對于孔深超過1 000 mm的深孔，孔深大于機床主軸行程，就無法滿足加工要求，必須采用加鉆桿分級進行方式。在滿足剛性前提下，支架兩側設計了長形窗口，使操作者在進行分段鉆削時，可以方便地裝卸鉆桿。

（3）連接器設計 鏜床上應用BTA系統加工深孔與在深孔專機的另一個不同點是:必須配置一個能與鉆頭一起旋轉的連接器，如圖5所示。因鏜床主軸內無法通過冷卻液，冷卻液必須從鏜床主軸的前端排出。此連接器后部的外錐面與鏜床主軸內錐面相配合，前端連接鉆桿，將主軸動力傳遞給鉆桿和鉆頭，而接收切削液和切屑的外殼不隨內部構件旋轉。這樣切削液由鉆桿內進入旋轉連接器排到冷卻系統的過濾箱中。正是有了旋轉連接器，成功地解決了冷卻液回收和排屑問題，才使鏜床上應用BTA系統成為可能。

2.4 冷卻系統

冷卻系統如圖6所示，它是保證切削順利進行的重要部分，具有以下功能:向切削區輸送切削液;從旋轉連接器中回收切削液。

2.5 加工中的排屑問題

鏜床用BTA深孔加工裝置的排屑與專用深孔加工機床不同，切屑經過空間狹小的旋轉連接器隨切削液排出，要求切屑形狀必須形成微小的C形，對所選刀具的斷屑要求較高。

裝置試驗初期，由于對刀具認識不足，使用三金工車間的單刃鉆、某工具研究所提供的焊接式深孔鉆，由于這些鉆頭均采用手工刃磨［4］，刀具角度控制不好，斷屑情況很不穩定，每把刀的斷屑情況各異，無論怎樣調整切削用量，始終出現長屑堵塞鉆桿的現象。

選用SANDVIK（山特維克）T－MAX424.10可轉位鉆頭［5］，如圖7所示，切屑得到徹底改善。使用該鉆頭時，按照刀具提供商推薦的切削參數，切削速度70～100 m/min，進給量0.18～0.35 mm/r范圍內多次試驗，最終確定在切削速度80 mm/min，進給量0.30 mm/r情況較為穩定，形成短屑并順利排出。

3 鏜床用BTA深孔加工的應用與推廣

如圖8所示的工件為壓力機機座，其材質為ZG230～450，重量為 156 t，機座中心部位有 10個φ120）mm深度為2 550 mm的頂料孔，內孔粗糙度為Ra1.6 μm.該孔的主要技術要求為:

各孔母線直線度誤差不大于0.08 mm/1 000 mm。

各孔圓度誤差不大干孔徑公差的50%。

在大型銑床上加工技術條件如此嚴格、孔長徑比值為L/D=2 550/120=21.25的深孔，難度很大。

3.1 幾種方案比較

3.1.1 標準麻花鉆接長后加工

用標準麻花鉆接長后加工的工藝方案主要存在以下的困難:

（1）不能順利排屑，必須用退刀方法帶出切屑［6］。

（2）鉆頭冷卻困難，必須利用退刀方法進行冷卻。

（3）導向差，無有效可靠的導向，只能依靠鉆頭本身棱帶進行導向，因而鉆偏的可能性大。

（4）鉆頭本身斷面面積小，抗扭能力很差。若鑄鋼件毛坯中有夾渣、氣孔、砂眼等缺陷，鉆頭很可能從焊接接頭處扭斷。若扭斷的鉆頭留在工件孔內取不出來，將導致工件報廢。

（5）由于頻繁地從工件孔中退出鉆頭，輔助工時增加，生產效率很低，且工人勞動強度很大。

3.1.2 用深孔鉆扁鉆系統加工

用深孔扁鉆片系統加工可以形成有效的冷卻循環系統。鉆片的冷卻，排屑問題可以解決。扁鉆體上有導向鍵，導向問題也可以解決。但鉆孔效率較低，切削速度為20～30 m/min進給量平均為5～7 mm/min，鉆1個孔深為2 550 mm的孔需8.5 h機動工時;若鉆6個孔需51 h，尚不包括刃磨鉆片，研磨導向鍵等輔助工時［7］。

由于工件大而重，無法使工件轉動。只能采取鉆桿邊旋轉邊作直線進給運動的方法進行深孔加工;這種方法鉆偏的可能性大，若鉆偏量超過φ120（+0.30）mm精鏜界限時，則導致工件報廢。

3.1.3 深孔加工的BTA系統

此工藝方案的鉆孔效率、推鏜效率、精鏜效率和質量都遠遠高于麻花鉆、扁鉆兩種系統。排屑、冷卻、導向問題均能解決，但需要配套的工裝輔具較多，如送油器、送油器支承、鉆桿連接器、油泵、冷卻循環系統等，在很短的時間內要完成這些輔具的設計、制造、裝配和調整是不現實的。購買現成的裝置也不現實。

3.1.4 用鏜床BTA深孔加工

采用鉆頭結構為BTA系統的硬質合金雙刃三鍵內排屑鉆頭，此鉆頭與噴吸鉆系統和DF系統鉆頭略有不同。其特點為:

（1）硬質合金小刀頭分內刀、外刀兩種，與刀體連接的部分為小圓柱面定位，刀的下平面支承、夾緊小螺釘以防止退刀時松動。磨損或損壞后可以快速更換，換刀時間很短，并有互換性。

（2）硬質合金導向鍵與刀體為燕尾槽連接，并有螺釘防松。連接后穩定性好，磨損后也可以快速更換，有互換性。

（3）此鉆頭可采用較高切削速度、高轉速、大進給量，故鉆孔效率高，最高可達6～7 m/h。鉆孔質量好，孔表面粗糙度可達Ra6.3 ～3.2 μm［8］，鉆偏量較小。

（4）此鉆頭外刀與鉆頭軸線成25°夾角，故可用在刀體上增減刀墊的方法來調整鉆頭直徑（微調）。而且外刀與內刀的高度差值和外刀與導向鍵的高度差都可以通過厚薄不同的墊片進行微調。

3.2 壓力機機座深孔加工方案

（1）工件側放按線找正壓緊，銑出X、Y、Z三個方向的找正帶、測量基準。

（2）下機架底面向機床滑枕加工見平Ra3.2 μm，并且在6～φ120 mm孔位中心處分別鉆、攻節圓為φ155 mm的4－M8 mm的把合螺孔，以便在φ95 mm鉆通后采用兩級φ110 mm、φ120 mm擴孔鉆，鉆屑時為形成循環壓力和順利排屑，將出口用端蓋把合密封。

（3）工件底面向滑枕，兩者極限距離保證2 500 mm，以便更換鉆桿、鉆頭方便，在2 550 mm孔深的余量內加工6－φ150H7 mm短孔，作為導向套定位之用。

（4）將旋轉連接器安裝到鏜桿主軸上，利用止口定位，將支架把合于機床滑枕上，然后依次將φ90 mm鉆桿和φ95 mm鉆頭裝好，機床滑枕移動至支架前端φ150 mm的位置，定位圓放進工件預先加工好的φ150H7 mm短孔內后將支架壓緊，經過兩次接鉆桿，將φ95 mm鉆通。

（5）φ95 mm鉆通后，在出口的端蓋上用膠皮密封將孔口把合堵好，換導向套及φ110 mm擴孔鉆頭后，重復上述的壓緊過程。經過兩次接鉆桿將φ110 mm孔擴通，如圖9所示。

（6）φ110 mm擴通后，換導向套及φ120 mm擴孔鉆頭，重復壓緊。經兩次接鉆桿，將φ120 mm孔擴通。

3.3 鏜床用BTA深孔加工裝置操作

使用時，打開高壓泵站開關，啟動主軸開始進刀，冷卻液由授油器進入壓力頭內，潤滑冷卻切削刃，并攜帶切屑經鉆桿內孔流經旋轉連接器、磁性過濾器回到副油箱，由循環泵將其注入主油箱冷卻后再次由高壓泵站注入壓力頭形成循環。

3.4 BTA深孔加工推廣情況

該裝置于自2009年開始應用，均顯示其高精度、高效率的特點，整套裝置使用穩定可靠。該裝置由機床主軸提供旋轉動力，有足夠的輸出扭矩，主軸進給即實現刀具進給。加工效率是傳統扁鉆片加工方式的5～7倍。表1為該裝置的應用實例。

該裝置安裝拆卸極其方便，只需30 min左右就可完成，拆卸后不影響原機床結構及功能。主體定形后，只要更換所對應加工直徑的鉆頭、鉆桿和導向套等少許部件就可加工 φ50～120 mm（實際加工過 φ130 mm）的不同孔徑，加工中采取內排屑法，勿需中途頻繁退屑。

表1 裝置應用實例

4 結語

鏜床用BTA深孔加工系統的研制成功，解決了重特大型非回轉體工件深孔加工難題，并根據該裝置結構特點，經過制造工藝的不斷創新，繼續提高鏜床應用BTA深孔加工水平，擴大該裝置的應用面，取得了顯著效果，對同類產品的制造有一定參考價值。

值得注意的是，切屑必須形成折斷的C形才能順利排出，對刀具的斷屑能力要求較高。從切削理論上講，越軟的材料斷屑越困難，在加工諸如HT200～230或16Mn等材料時，還需對刀具和切削用量選擇做進一步摸索。

［1］王峻.現代深孔加工技術［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2005.

［2］TD21150（15米）深孔鉆鏜床［DB/OL］.http://www.jd37.com/Parameter/a/tc2.htm

［3］陳洪濤.數控加工工藝與編程［M］.北京:高等教育出版社，2002.

［4］王立朋，丁福海.機床調整、刀具改進及廢刀具的再利用［J］.哈爾濱軸承，2004，25（1）:37 －47.

［5］張凱，萬立新.葉輪加工［J］.CAD/CAM 與制造業信息化，2002（1）.

［6］周澤華.金屬切削原理［M］.上海:上海科學技術出版社，1989.

［7］葉偉昌，葉毅.涂層硬質合金刀具的發展與應用［J］.硬質合金，1998，15（1）:54 －57.

［8］鄭文虎.難切削材料加工技術［M］.北京:國防工業出版社，2008:81－104.