中大孔徑錐度深孔加工系統設計

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(中海油能源發展股份有限公司油田建設工程分公司,天津 300452)

自18世紀初美國人發明扁鉆以來，深孔加工的研究一直沒有間斷過。在20世紀初，由于二戰對槍炮的大量需求，深孔加工技術得到進一步發展。隨著科學技術的進步，產品的更新換代十分頻繁，新型高強度，高硬度的難加工零件不斷出現，無論是對深孔加工的質量、加工效率，還是刀具的性能都提出了更高的要求。因此研究深孔加工的新工藝，深孔加工刀具的新機構，深孔加工的檢測方法和檢測系統，已經成為目前最熱門的方向[1-5]。

1 中大孔徑錐度深孔加工系統改造

設計以CW6163機床為基礎做深孔加工和數控系統的改造，去掉原有機床的刀具和油路系統，另行設計油路和尾座刀具系統。設計了對于深孔加工所需的授油器，其功用是正確引導鉆頭并向切削區供給高速冷卻液;設計了機床尾座裝置，利用步進電機，傳動軸，齒輪和齒輪軸將步進電機的高速旋轉運動轉化為刀具拉桿的軸向直線運動;利用珩磨頭原理設計刀具、刀體裝置，通過尾座拉桿，拉動實現刀尖的漲縮;增加合適的數控系統，可根據需要選擇合適的現成數控系統，實現普通機床的數控化改造，提高生產效率，減輕勞動力。

2 總體方案設計

設計是基于CW6163機床的深孔加工系統改造，其涉及的改造部分有刀具系統，尾座裝置和油路系統。不改變原車床性能，只將車床上的刀架拆除，換上授油器、中心架以及必要的進給裝置，原機床主運動機構不變，另配油路系統、油箱和排屑箱，在授油器上接冷卻潤滑油路。

總體方案設計見圖1，在CW6163機床的基礎上采用工件旋轉的方式，增加中心架、授油器、尾座進給裝置、數控面板裝置、刀具系統。

圖1 系統設計原理

設計是針對中大孔徑錐孔加工的機床設計。以CW6163機床為基礎做深孔加工和數控系統的改造。主要設計進給系統，首先考慮到加工孔為錐形孔，這就要求不能利用普通的鉆頭鉆削，應設計一種結構使得鉆頭上刀塊能在后進給力傳動下向徑向張開，達到切削錐度的目的。鉆桿由尾座部分傳遞動力，將齒輪的嚙合傳動轉換為軸向的直線運動，使刀頭在軸向沿直線進給。同時，刀塊向徑向漲開需要一種漲芯結構，這就考慮利用珩磨加工的原理，將漲芯體在拉桿的帶動下移動，使得漲芯座支撐體沿徑向漲開，使刀塊壓向工件加工表面，達到切削的目的。由于工件旋轉的過程中，刀具既在軸向進給，又向徑向漲開，這樣刀具走出的軌跡就會是錐形。

3 后進給裝置設計

設計的最主要部分是后進給裝置，它在切削過程中起著關鍵的作用。因為刀具是靠尾座裝置實現漲縮的，每走完一個行程，鉆頭就需要漲縮一次，直到鉆削結束。這就同時需要一個獨立的數控系統。這個裝置需要傳動效果好，結構簡單，此外因為孔對中精度的準確性，就需保證傳動平穩，在鉆削過程中盡量保證對中和減弱振動，見圖2。

圖2 后進給系統結構示意

為實現刀具刀尖的錐度切削，尾座箱體采用鑄造的方式，箱體是在鉆桿連接套的連接下和鉆桿配合連接的。鉆桿與傳動軸的連接后，軸采用一端支承，右端孔使用推力球軸承，可以承受較大的軸向力，作用是保證齒輪的穩定性。兩軸通過齒輪傳動。箱體后端蓋的設計時需保證其有足夠的強度。

傳動軸的設計是為了將步進電機的旋轉運動最后轉化為拉桿的直線移動。為更好地傳遞運動，輸出端直接做成齒輪軸，軸端是和行星齒輪減速器通過聯軸器連接起來的。軸采用角接觸軸承支撐，各限制軸在一個方向的軸向移動。安裝時，通過調整軸承的內圈的軸向位置，可使軸承達到理想的游隙或所要求的預緊程度。

齒輪軸通過齒輪嚙合將軸的旋轉運動傳遞給傳動軸并轉化為軸向直線運動。傳動軸上的齒數和齒寬控制著拉桿的移動速度，拉桿移動速度控制著漲芯體的漲縮，從而控制刀尖的移動，達到切削錐度的目的。

步進電機是一種將電脈沖信號轉換成角位移的執行元件，可在寬廣的范圍內調速。步進電機的位移量與輸入脈沖數嚴格成比例。它是后進給系統的的動力源。

減速器是原動機和工作機之間獨立的閉式傳動裝置，用來降低轉速和增大轉矩以滿足各種工作機械的需要。

4 刀具設計

因為現有的刀具都無法滿足加工大孔徑錐度深孔的要求，所以就需要另行設計一套刀具系統，使其能夠很好地切削并達到一定的精度要求，設計思路主要結合深孔鏜削和珩磨的結構特點。珩磨加工是利用可漲縮的珩磨頭使珩磨條壓向工件表面，以產生一定的接觸面積和相應的壓力，在適當的冷卻液作用下，珩磨條對被加工表面做旋轉和往復進給的相對綜合運動。深孔鏜削在深孔加工中是加工精度較高的鉆削方式，它能校正已有孔上的缺陷，如圓度誤差，直線度誤差等，可獲得良好的幾何精度和表面粗糙度。利用珩磨的漲縮原理可設計刀具切削路徑，利用深孔鏜刀結構優點提高加工精度。

刀具在切屑工件時，隨著尾座的作用，拉桿直線移動，帶動漲芯體移動。漲芯座隨著漲芯體的移動而沿徑向均勻地漲開，使刀塊逐漸壓向工件加工表面，隨著工件的旋轉和刀頭的軸向進給及徑向漲開，加工出的軌跡是倒錐形面。當漲芯座漲到最大行程時，在后進給系統步進電機作用下迅速退回原位置，完成一次行程，多次進給加工達到加工的目的。這種結構吸收了珩磨頭結構和鏜刀結構的特點，刀體上設置有兩個導向塊，提高了刀具在加工中的穩定性和拉桿的剛性，減輕了振動，提高了加工精度。在保證可靠斷屑的條件下，采用一定壓力的大流量切削液進行冷卻、潤滑和排屑，避免了切屑對已加工表面的劃傷，保證了表面加工精度，而刀頭在切削中產生的徑向切削分力由導向塊的支反力來平衡，減弱了切削中的彎曲振動。導向塊采用硬質合金材料，起到有效導向作用，當刀具退出工件時起到定心作用。刀具系統結構設計見圖3。

圖3 刀具系統結構示意

5 授油器設計

設計中，機床主軸部分結構沒有改變，仍沿用原機床結構，工件是利用卡盤裝夾在機床上的，工件是旋轉的，此外，鉆孔孔徑較大，由此，采用旋轉式的授油器結構形式。授油器工作時，輸油管連接到進油連接頭上，旋轉手輪使伸縮軸靠向工件表面，壓力油通過伸縮軸進入，經由鉆桿與導向套形成的環形縫隙進入切削區，達到冷卻潤滑的目的。后密封圈部分是防止壓力油從鉆桿漏出而設置的，鉆頭進入工件時，由導向套引導穩定鉆削，支撐體上的鎖緊螺釘壓在芯軸上，防止芯軸周向旋轉。手輪部分，與工字型旋套連接緊定的是一種兩個半圓形卡在一塊的形式，這樣可以方便拆卸，拓寬拆卸空間，不致使拆卸時要拆掉手柄，是一種比較靈活的結構。這種結構授油器優點在于能正確引導鉆頭切削，同時也能向切削區提供冷卻液，支撐體是沿導軌面可移動位置的，結構簡單易操作。

芯軸外表面加工精度要求較高，是因為其各表面需要與軸承內圈以及授油器支撐體內表面配合，工作時，芯軸是隨鉆桿的軸向進給而直線運動的，芯軸與支撐體之間用鎖緊螺釘固定，目的是為了防止芯軸周向旋轉。授油器結構設計見圖4。

圖4 授油器結構示意

6 中心架的設計

中心架是深孔加工裝置中必不可少的組成部分，其主要功能是支承、扶正旋轉的工件，與普通車床的中心架的功能相同。通常深孔加工零件較重，工件外圓速度較高，因此，必須使用滾動支撐。目前使用的中心架的結構比較多，有機械加固式、局部滾動式、整體滾動式，也有機械控制形式的，也有氣壓或液壓形式控制的。

機械夾固式中心架結構簡單，操作方便，也經濟實用，廣泛用于普通機床上。液壓式中心架是一種新式的中心架，通過液壓系統的工作達到對工件的支撐，但對于普通機床改造來說，其需要有獨立的液壓系統，并且價格昂貴，不適于機床改造的應用。局部滾動式中心架與普通機床上使用的中心架結構相似，只是支撐采用了滾動方式，其優點是工件裝夾方便，但剛性較差，工件外圓必須預先車出定位基準，并且找正不太方便，一般還必須在工件端面上車出定位錐和授油器導向套上錐面配合定心。整體滾動式中心架適用于中小型深孔加工機床，通過調整4個支承螺釘進行對中，其結構剛性好，回轉精度高，找正也方便，但工件裝夾不太方便，需要移動中心架。

綜上所述，由于對錐孔的深孔加工精度需要精確的對中性，容易找正，其次工件較大，要求裝夾盡量方便。因此，選擇整體滾動式中心架結構，底座坐于機床導軌上，可沿機床導軌移動，符合設計要求。

中心架工作時是通過支撐螺釘對中夾緊定位，達到緊固工件的目的，工作方式同普通車床相似，可根據實際工作需要沿導軌移動，主要是起到支承和扶正旋轉工件的作用。選用雙列圓柱滾子軸承可承受較大的徑向載荷，因為直徑較大，軸承選擇內表面帶錐面的型號，這樣拆卸方便，錐度1∶12。這就要求與軸承配合的加工件內套有較高的精度，底座上的滑槽是與機床導軌面配合的，可通過上下調節拉緊螺桿來微調中心高。鎖緊螺母上開槽可方便拆卸，鎖緊螺釘沿徑向壓緊卡塊,達到鎖緊螺紋目的,防止軸承軸向松動。中心架結構設計見圖5。

圖5 中心架結構示意

7 數控系統的選擇

從幾種數控系統的特點中可以看出，在數控系統中半閉環數控系統控制精度較閉環數控系統要差，但穩定性好，成本較低，調試維修也比較容易，兼顧了開環數控系統與閉環控系統的優點，因此應用較普遍。

選擇數控系統類型時，主要應根據數控改造機床的類型及控制軸改造后機床要達到的各種精驅動電機的功率等要求確定數控系統的類型和功能。經濟型數控機床與舊機床的數控化改造多采用開環控制系統。加工精度要求高的各種機床選用半閉環數控系統與閉環數控系統。

8 結論

1)對于刀具系統的設計。首先刀具系統根據珩磨原理和鏜刀結構綜合設計的。這種結構吸收珩磨頭結構和鏜刀結構特點，刀體上設置有2個導向塊，大大提高了刀具在加工中的穩定性和拉桿的剛性，減輕了振動，提高了加工精度。

2)后進給裝置的設計。為了實現刀具的漲縮，另行增加了一個步進電機和減速器，通過齒輪軸，大齒輪和傳動軸將軸的旋轉運動轉化為拉桿的直線運動，再通過漲芯體，從而實現刀尖的漲縮。

[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] 朱 林.機電一體化系統設計[M].2版.北京：石油工業出版社，2008.

[3] 甘永立.幾何量公差與檢測[M].7版.上海：上海科學技術出版社，2005.

[4] 龔溎義，潘沛霖，陳 秀,等.機械設計課程設計圖冊.3版.北京高等教育出版社，2006.

[5] 鞠魯粵.工程材料與成形技術基礎.修訂版.北京高等教育出版社，2008.