一種板體深孔精密加工方法

陳洪海，吳慶堂，聶鳳鳴，胡寶共，康 戰(zhàn)

(長春設(shè)備工藝研究所，長春 130012)

一種板體深孔精密加工方法

陳洪海，吳慶堂，聶鳳鳴，胡寶共，康 戰(zhàn)

(長春設(shè)備工藝研究所，長春 130012)

板體深孔加工機(jī)床是針對(duì)板體深孔加工而研制的一種高效、高精度加工設(shè)備。板體深孔加工機(jī)床采用交流伺服控制系統(tǒng)，通過伺服電機(jī)、直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠有效地控制工件軸的進(jìn)給速度，確保進(jìn)給速度穩(wěn)定；矩形導(dǎo)軌精確控制小溜板的進(jìn)給位置，保證板體雙孔平行度和加工剛度；主軸箱由交流變頻電機(jī)通過多楔帶及多楔帶輪驅(qū)動(dòng)，無級(jí)變速，低速性能穩(wěn)定；提高了板體加工的精度和表面粗糙度。機(jī)床控制面板采用觸摸屏工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、單步運(yùn)行、全自動(dòng)等功能，操作簡單、實(shí)用，提高了板體加工的自動(dòng)化程度和效率。

深孔加工；滾珠絲杠；直線導(dǎo)軌

0 引言

深孔加工技術(shù)在國防工業(yè)、石油采掘、航空航天、機(jī)床、汽車等行業(yè)獲得相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，且由于其高效、高精度等優(yōu)越性，深孔加工技術(shù)也在某些零件的淺孔加工中得到應(yīng)用。近年來，深孔加工技術(shù)的發(fā)展很快，我國機(jī)械制造加工業(yè)對(duì)深孔加工技術(shù)的研究也取得了長足的進(jìn)步，如將深孔鉆削與低頻振動(dòng)切削結(jié)合起來形成的深孔振動(dòng)鉆削技術(shù)；噴吸鉆系統(tǒng)、單管內(nèi)排屑噴吸鉆(SED)系統(tǒng)、槍鉆系統(tǒng)、BTA鉆削系統(tǒng)、深孔套料鉆削系統(tǒng)等也都有相應(yīng)的研究和創(chuàng)新[1]。

深孔加工難度高，加工工作量大，已成為機(jī)械加工的關(guān)鍵性工序，隨著技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代的迅速，新型高強(qiáng)度、高難度、難加工零件的不斷出現(xiàn)，對(duì)深孔加工的質(zhì)量、加工效率和刀具等都提出了更高的要求；由于深孔鉆床的特殊性，其價(jià)格比較昂貴對(duì)于非專業(yè)化深孔加工的廠家，成本過高，再加之每年需求量較大，加工任務(wù)重，因此在保證零件深孔加工精度的前提下降低加工成本、提高加工效率，設(shè)備制造周期短以及一床多用(深孔鉆削、車削，深孔鏜削和深孔珩磨)滿足企業(yè)的需求。生產(chǎn)要求板體內(nèi)孔的尺寸公差達(dá)到±0.1mm，兩孔相對(duì)于中心的位置尺寸公差±0.1mm，表面粗糙度達(dá)到Ra0.8，每件生產(chǎn)用時(shí)10min。

1 設(shè)計(jì)總體

板體深孔加工機(jī)床針對(duì)板體的深孔加工需求設(shè)計(jì)開發(fā)的深孔加工機(jī)床，機(jī)床由機(jī)械系統(tǒng)、冷卻排屑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)組成，機(jī)床總體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)簡圖

2 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)由主軸動(dòng)力總成部分、刀桿總成、夾具部件等組成。

2.1 主軸動(dòng)力總成與刀桿總成部分

機(jī)床主軸采用推力向心雙列深溝球軸承，保證主軸的旋轉(zhuǎn)精度，提高軸向剛度[2]。

圖2 刀桿和刀體

針對(duì)工件的結(jié)構(gòu)，采用單管擴(kuò)孔刀具，刀具由刀桿、刀體、刀塊、導(dǎo)向塊以及輥壓塊組成，刀桿尾部是5#錐柄，與主軸配合，前端是帶有定位面的梯形螺紋，便于保證刀體快速更換；刀體分為三部分：刀塊部位、導(dǎo)向塊部位、輥壓塊部位，由精密數(shù)控銑床加工，三者呈一定角度布置，有效地分解切削力，使導(dǎo)向塊和輥壓塊始終與已加工表面貼合，起到良好的導(dǎo)向和輥壓作用；刀塊采用兩面刃切削結(jié)構(gòu)，前刃起主切削作用，切削大量加工余量，側(cè)刃起精切削作用，進(jìn)行微量和精密切削，保證孔的加工質(zhì)量；導(dǎo)向塊是保證深孔的形狀精度；輥壓塊進(jìn)一步提高深孔的表面質(zhì)量[3]。

2.2 夾具部件組成

夾具部件由定位和夾緊機(jī)構(gòu)等組成。對(duì)板體和小溜板的定位夾緊，①板體雙管定位夾緊：主要針對(duì)板體加工，板體采用左邊和后邊定位。在加工中分為兩個(gè)工位，工件采用一次裝夾定位，小溜板采用兩次夾緊。工件固定在小溜板上，加工第一個(gè)孔時(shí)，工件夾緊在溜板上，溜板固定在床身上，加工完第一個(gè)孔后，松開小溜板，移動(dòng)小溜板至第二個(gè)位置，加緊溜板及工件，加工第二個(gè)孔。夾緊采用轉(zhuǎn)角油缸夾緊，為工件裝卸提供更大的空間，方便裝夾工件。如圖3所示。②小溜板定位夾緊。小溜板定位由交流伺服電機(jī)和滾珠絲杠確定，保證直線運(yùn)動(dòng)的位置精度，夾緊是于采用矩形導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)角油缸實(shí)現(xiàn)，采用矩形導(dǎo)軌主要提高小溜板的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和固定時(shí)的剛度，保證加工工件精度[4]。如圖4所示。

圖3 板體夾緊

圖4 小溜板夾緊

2.3 冷卻排屑系統(tǒng)與液壓控制系統(tǒng)

冷卻排屑系統(tǒng)由電機(jī)、液壓泵、過濾器、冷卻液高/低警告桿、壓力表和外排屑裝置等部件組成，該冷卻系統(tǒng)采用高壓大流量的循環(huán)冷卻系統(tǒng)，其主要目的有以下幾方面：從切削點(diǎn)移除切屑；清潔刀具與工件，冷卻刀具與工件；減少刀具磨損；提高切削精度。此外，切削液的潤滑能力可減少摩擦，延長刀具壽命，減少碎屑在切刀邊緣積聚，改善工件表面加工質(zhì)量。外排屑裝置采用磁性排屑器利用永磁材料所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場的磁力，將切屑吸附在排屑機(jī)的工作磁板上，輸送到指定的排屑地點(diǎn)或集屑箱中[5]。

液壓泵站是由電機(jī)-泵裝置、集成塊或閥組合、油箱及電氣盒等組合而成，液壓站可以按主機(jī)的要求提供可控制方向、壓力及流量的液壓油。控制轉(zhuǎn)角液壓缸的運(yùn)動(dòng)，對(duì)工件、小溜板夾緊。

3 電氣控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和PLC作為主要控制部分。本設(shè)備采用兩個(gè)伺服電機(jī)分別控制進(jìn)給量的大小以及工件定位的功能，完成對(duì)工件的進(jìn)給與定位的精確控制，實(shí)現(xiàn)工件的高精度、高效率加工。利用PLC與工控機(jī)的串口直接對(duì)伺服進(jìn)行通信，方便的控制加工工件的進(jìn)給量與定位操作[6]。上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)曲線的實(shí)時(shí)描繪與存儲(chǔ)，并可查詢相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)報(bào)表。主軸采用變頻調(diào)速電機(jī)來控制主軸轉(zhuǎn)速。上位機(jī)采用觸摸屏工控機(jī)，利用組態(tài)軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)作以及進(jìn)給量實(shí)時(shí)監(jiān)控。PLC通過本身輸入輸出接口數(shù)量有限，并加以擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)伺服電機(jī)實(shí)時(shí)控制。伺服電機(jī)通過伺服器將工作狀態(tài)實(shí)時(shí)的上傳給PLC，并在工控機(jī)上顯示，形成閉環(huán)控制[7]。控制系統(tǒng)的框圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)總框圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

(1)觸摸屏桌面上“運(yùn)行系統(tǒng)”圖標(biāo)，進(jìn)入狀態(tài)顯示界面。操作界面分布如圖6所示。

圖6 工控機(jī)控制界面分布圖

(2)狀態(tài)顯示界面說明：

1)報(bào)警：狀態(tài)顯示界面提示報(bào)警。如“伺服報(bào)警”、“伺服未就緒”、“水冷未開”。

2)顯示加工工藝參數(shù)：顯示進(jìn)給量、位置等參數(shù)。

3)加工時(shí)間以及加工量曲線：顯示二維曲線并存儲(chǔ)歷史曲線[8]。

4)停止鍵：運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，停止運(yùn)行。

5)復(fù)位鍵：當(dāng)出現(xiàn)異常報(bào)警時(shí)，恢復(fù)初始狀態(tài)，取消報(bào)警。

6)排屑鍵：運(yùn)行排屑電機(jī)，排出鐵屑。

7)參數(shù)設(shè)置鍵：啟動(dòng)前先要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如圖7所示。

圖7 板體加工參數(shù)設(shè)置

3.3 工藝參數(shù)計(jì)算

(1) 鉆套設(shè)計(jì)：

鉆套在鉆頭鉆入工件的初始階段起導(dǎo)向作用，為提高刀具壽命和孔的質(zhì)量，鉆套的直徑應(yīng)與鉆頭的名義直徑相同但要靠近上公差。該設(shè)備的鉆頭的直徑為37.85mm，所以鉆套的尺寸應(yīng)在37.859～37.875mm。該設(shè)備為擴(kuò)孔鉆床，根據(jù)鉆頭直徑為37.85mm，得到導(dǎo)向套的長度不小于37.5mm，所以在此使用的導(dǎo)向套的長度為65mm，滿足需要[9]。

(2) 切削參數(shù)的選擇

① 凈功率

板體為38SiMnTi，板體為高合金鋼：根據(jù)深孔加工手冊(cè)，可知特定切削力為2750N/mm2，Pc=fn·Vc·ap·kc·1.34·g·fb/240000，其中fn：每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量，Vc：切削速度，Dc：鉆頭直徑，kc：特定切削力，g：安全系數(shù)，選取Vc=100m/min,fn=0.30,g=2，fb：實(shí)際損耗系數(shù)，根據(jù)工件的擴(kuò)孔要求，由直徑35mm擴(kuò)到直徑38mm，可得到凈功率：

Pc=0.30×100×(38-35)×2750×1.43×2×1.4/240000=4.13kW，該主軸電機(jī)功率選用7.5kW，所以滿足實(shí)際要求[10]。

② 主軸轉(zhuǎn)速：vc：切削速度，Dc：鉆頭直徑，fn：每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，ap：切削深度，kr：切削刃角度。

最大轉(zhuǎn)速：nc=vc·1000/π·Dc=100×1000/3.14×38=838.1rev/min

③ 進(jìn)給速度：vf=fn·n=0.3×838.1=251.42mm/min

④ 金屬去除率：Q=ap·fn·(Vcmax-Vcmin)/2=1.5×0.3×20=0.0225，

⑤ 切向力：Fc=kc·fn·ap=2750×0.3×1.5=1237.5N

⑥ 進(jìn)給力：Ff=0.65·ap·fn·kc·sinkr=0.65×1.5×0.3×2750×0.26=209.14N

⑦ 扭矩：Mc=Dc·fn·ap·kc·(1.17-ap/Dc)/2000000=0.03kNm

(3)冷卻：冷卻液的壓力3PM，流量150～20l/min。

無額外冷卻的最大切削時(shí)間：

油：T=14.25V/p

水：T=33.8V/p

單管鉆的鉆頭直徑40mm，油箱容積：1m3，實(shí)際切削時(shí)間占50%，熱能合計(jì)：11kW；冷卻能：2kW；需要冷卻的多余熱能：11-2=9kW。

當(dāng)使用水進(jìn)行冷卻時(shí)，需要T=33.8V/p=33.8×8/9=30.1h，使箱體上升至50℃。這說明在單班工序中，無需額外的冷卻。

(4)進(jìn)給工藝參數(shù)：本品為高合金鋼，n：主軸轉(zhuǎn)速 350r/min，fn：每轉(zhuǎn)進(jìn)給量0.18～0.3mm/rev。

4 實(shí)用性與可靠性分析

通過不斷分析、研究和試驗(yàn)，對(duì)設(shè)備和工藝路線進(jìn)行了改進(jìn)，取得了很好的效果。從以下兩方面分析：

(1)經(jīng)過實(shí)際加工檢驗(yàn)，取得較好的測量結(jié)果，內(nèi)孔的尺寸精度達(dá)到±0.05mm，兩孔相對(duì)于中心的位置尺寸公差±0.05mm，表面粗糙度達(dá)到Ra0.3～0.5。系統(tǒng)的加工精度和穩(wěn)定性都達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

(2)筆者開發(fā)的板體深孔加工設(shè)備增加了減少了人工參與，提供了自動(dòng)化的程度，大大提高了加工效率，同時(shí)也減少了人工成本。以前一件板體加工用時(shí)15min，現(xiàn)在只需要5min。

實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，切實(shí)可行。該設(shè)備可以應(yīng)用于石油、化工、電力等工業(yè)領(lǐng)域。

[1] 丁加軍，盛靖琪.自動(dòng)機(jī)與自動(dòng)線[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2] 全燕鳴.機(jī)械制造自動(dòng)化[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2008.

[3] 尚久潔.自動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2006.

[4] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械業(yè)出版社，2007.

[5] 袁維義.電機(jī)及電氣控制[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[6] 廖常初.可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2003.

[7] 襲著燕，路長厚，潘偉，等.帶有摩擦前饋步長的伺服控制器設(shè)計(jì)的研究[J].控制與檢測，2006(12)：55-57.

[8] 王成勇，秦哲，吳世雄.淬硬鋼模具的高速銑削加工[J].模具制造，2009(4)：74-77.

[9] 方沂，田美麗，陳小潤，等.高速加工切削參數(shù)優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)分析[J].工藝與檢測，2008(11):71-74.

[10] 王宗才，何文平，孟奎.淬硬鋼高速切削加工技術(shù)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(7)：120-122.

(編輯 李秀敏)

A Plate Body Deep Hole Machining Method

CHEN Hong-hai，WU Qing-tang，NIE Feng-ming，HU Bao-gong，KANG Zhan

(ChangChun Equipment & Technology Research Institute,Changchun 130012,China)

The plate body deep hole processing machine tool is a kind of high efficiency, high precision machining equipment for processing deep hole plate. The plate body deep hole processing machine adopts AC servo control system, through the feed speed servo motor, linear guide, ball screw and effectively control the workpiece axis, to ensure that the feed rate stability; feed position precise control of small rectangular guide rail sliding plate, ensure the plate body double parallelism and processing stiffness; spindle box is composed of AC frequency conversion motor through wedge belt, multi wedge belt wheel drive, stepless speed, stable performance; improve the plate body machining accuracy and surface roughness. The machine control panel with touch screen computer, realize manual, single step operation, automatic functions, simple operation, the utility, improves the plate processing automation and efficiency.

deep hole machining; ball screw；linear guide

1001-2265(2014)07-0142-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.041

2013-10-28；

2013-12-06

陳洪海(1982—)，男，吉林舒蘭人，長春設(shè)備工藝研究所工程師，碩士，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化技術(shù)，(E-mail)houli_1983@sina.com。

TH162;TG65

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