采用深孔加工技術(shù)解決機(jī)床主軸深孔加工難題

才旦扎西 王風(fēng)山 陶宗亮

（青海一機(jī)數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司，青海西寧 810018）

1 機(jī)床主軸中的深孔及DF系統(tǒng)簡(jiǎn)介

在整個(gè)機(jī)床主軸的制造過程中，加工主軸松拉刀孔是制約主軸規(guī)?；a(chǎn)的主要瓶頸之一。松拉刀孔位于主軸中心，是一個(gè)貫穿整個(gè)主軸全長(zhǎng)的通孔，通過這個(gè)孔，拉刀桿將刀柄拉緊并定位于主軸前端的錐面上，如圖1所示。按照對(duì)深孔的界定，任何孔深大于10倍直徑都應(yīng)稱為深孔。通過對(duì)主軸序號(hào)為40和50的兩類鏜、銑類主軸的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，主軸拉刀孔的深徑比在26.6～35之間，均屬于深孔。

松拉刀孔之所以成為制約主軸生產(chǎn)的瓶頸有兩方面的原因。其一，由于主軸經(jīng)過鍛造后為一實(shí)心圓柱料，在實(shí)心料上用普通麻花鉆鉆深孔是不得已才采用的一種方法，因而也就成了最費(fèi)工，費(fèi)時(shí)的一項(xiàng)工作。僅鉆孔就占用了整個(gè)粗車工序近1/2～2/3的時(shí)間，孔的精度也只能達(dá)到IT11～I(xiàn)T14級(jí)，孔軸線的直線度偏斜量在實(shí)際加工過程中達(dá)到1～2 mm（在600 mm長(zhǎng)度上測(cè)量）。而且此孔是后序中加工外圓的工藝基準(zhǔn)，孔的質(zhì)量對(duì)后序影響很大，必須給予足夠的重視。

其二，現(xiàn)代機(jī)床制造技術(shù)向著高速、高精度的方向發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外加工中心的主軸最高轉(zhuǎn)速一般在8 000～12 000 r/min，而采用電主軸的高速機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速則更高。當(dāng)機(jī)床的主軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，即使只有很小的偏心距，也會(huì)產(chǎn)生非常大的不平衡離心力。不平衡量引起的振動(dòng)和噪聲會(huì)很大，使機(jī)床主軸無法達(dá)到設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)平衡程度等級(jí)的推薦值，機(jī)床主軸的平衡精度定為G1，這時(shí)主軸組件整體的偏心量也僅為幾個(gè)微米。雖然整個(gè)主軸組件的組成零件嚴(yán)格按對(duì)稱性來設(shè)計(jì)，但主軸孔內(nèi)的偏斜量就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這個(gè)限度，即使在后續(xù)加工工序中多次從外圓上去除材料來修正中心，但無法校正孔自身直線度差的缺陷，所以對(duì)于主軸部件來說還是很難達(dá)到高的平衡精度。故主軸深孔的加工問題不僅影響生產(chǎn)效率，而且還成了制約技術(shù)提高的瓶頸。

目前應(yīng)用的深孔加工系統(tǒng)可大致分為5種基本類型:（1）帶油孔的深孔麻花鉆系統(tǒng);（2）槍鉆系統(tǒng);（3）BTA系統(tǒng);（4）噴吸鉆系統(tǒng);（5）DF鉆系統(tǒng)。但從可能加工的深度、加工精度及加工效率方面來看，能代表現(xiàn)代深孔加工技術(shù)發(fā)展方向的是槍鉆系統(tǒng)、BTA系統(tǒng)、噴吸鉆系統(tǒng)和DF鉆系統(tǒng)。這4種深孔加工系統(tǒng)有2個(gè)共同之處:（1）采用有自導(dǎo)向作用的硬質(zhì)合金刀具實(shí)現(xiàn)高速高精度加工，加工質(zhì)量、加工效率大大提高;（2）都采用高壓切削液排出切屑，潤(rùn)滑刀具。

深孔加工有實(shí)體鉆削、擴(kuò)孔及套料鉆3種工藝方法，鉆孔的深徑比達(dá)到50～100，加工孔精度可達(dá)IT7～I(xiàn)T11級(jí)，孔的軸線偏斜量一般為0.1～0.3 mm/m，且生產(chǎn)效率較高，一次鉆削就達(dá)到半精加工能達(dá)到的精度及表面粗糙度。

DF系統(tǒng)是英文“Double Feeder”的縮寫，亦叫“單管噴吸鉆”或“雙加油器深孔鉆”，見圖2。它結(jié)合了當(dāng)前深孔內(nèi)排屑加工的兩種方法——噴吸鉆吸出切屑及BTA鉆推出切屑各自優(yōu)點(diǎn)的一種加工系統(tǒng)。其工作原理為:切削時(shí)約占總量2/3的冷卻液由孔的內(nèi)壁與鉆桿外徑之間的縫隙到達(dá)切削區(qū)，把切屑從鉆桿內(nèi)部推出，而另一小部分冷卻液（約占1/3）則從分路管中進(jìn)入噴嘴并向后噴射，流速增大形成噴射流。根據(jù)能量守恒原理（伯努力方程），當(dāng)比動(dòng)能增大，則比壓能下降，因此在這股噴射流的周圍形成低壓區(qū)，這樣在鉆管的前、后端存在一定的壓力差，產(chǎn)生一定的“吸力”，加速前端有切屑的冷卻液向后流動(dòng)，把切屑排出，所以特別適用于φ12 mm以上的中小直徑深孔加工。在可加工性差，不易斷屑的材料中使用時(shí)效果更為明顯。

2 方案分析與設(shè)計(jì)

在對(duì)主軸深孔的加工過程進(jìn)行分析和對(duì)幾種深孔加工方法做比較之后，我們最終選擇采用DF深孔加工系統(tǒng)，確定了在普通車床上通過技術(shù)改造，自主設(shè)計(jì)DF系統(tǒng)深孔加工所需的授油器、動(dòng)力頭及冷卻箱等主要部件，鉆頭和鉆桿選擇外購(gòu)的總體方案。

由于深孔技術(shù)屬于復(fù)雜的機(jī)械加工過程，有其獨(dú)特的工作機(jī)理，自主設(shè)計(jì)其主要部件必須要對(duì)深孔加工知識(shí)和工藝過程有深入了解之后才能進(jìn)行。另外這項(xiàng)工作還涉及到加工、刀具、流體、機(jī)械結(jié)構(gòu)、密封、檢測(cè)與控制等多方面的知識(shí)，總的來說難度不小。下面從主軸深孔的加工工藝和DF系統(tǒng)的主要部件設(shè)計(jì)要點(diǎn)兩方面來做說明。

2．1 對(duì)主軸深孔加工工藝的分析

機(jī)床主軸屬于回轉(zhuǎn)類零件，在對(duì)我公司40及50序號(hào)的主軸單元作統(tǒng)計(jì)后得出如下數(shù)據(jù):材料通常為滲碳合金鋼12 CrNi3、20 Cr2Ni4及調(diào)制合金鋼40Cr等，長(zhǎng)度小于1 000 mm，直徑小于φ150 mm，孔徑范圍為φ18～54 mm;鉆孔前經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理，硬度為150～260 HB。其中適于深孔加工的孔有通過拉桿的通孔（φ18 mm及φ28 mm，深徑比25～35）及碟簧安裝孔（φ33 mm及φ54 mm，深徑比10～15）。下面以合金滲碳鋼材料的主軸為例來說明。

在主軸的加工工藝中，深孔加工一般安排在主軸的預(yù)處理階段進(jìn)行。主軸在淬火前的工序?yàn)?鍛造—正火（校直，彎曲度小于0.5 mm）—粗車外圓及兩端面—鉆深孔—滲碳（校直，彎曲度小于0.2 mm）—找正內(nèi)孔車外圓、車內(nèi)孔及擴(kuò)孔等—鹽浴淬火。淬火后由于工件硬度提高，僅對(duì)非淬火部位進(jìn)行切削加工，而對(duì)于淬火部位只能進(jìn)行磨削，所以主要的切削過程及材料去除量要求在淬火前完成。

深孔加工適用于工件批量大、孔徑規(guī)格單一的場(chǎng)合。因?yàn)閷?duì)每種孔徑需要配備相應(yīng)規(guī)格的鉆頭、鉆管及其他附具，所以在使用時(shí)就應(yīng)最大程度地減少或統(tǒng)一孔徑規(guī)格，這樣不僅使刀附具的種類少，便于管理，也有利于加工成本的降低。而生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的情況卻與此要求相差很遠(yuǎn)，企業(yè)內(nèi)產(chǎn)品品種多，主軸的結(jié)構(gòu)類型和尺寸也不盡相同，若要深孔加工技術(shù)去適應(yīng)這種多規(guī)格的加工對(duì)象是很不適宜的，那么如何將深孔加工技術(shù)應(yīng)用到機(jī)床主軸的加工中去，這給我們出了一道難題。

對(duì)于機(jī)床主軸中像松拉刀孔這類孔，應(yīng)用深孔加工技術(shù)的目的主要是提高效率和降低勞動(dòng)強(qiáng)度，并為孔及外圓的后序加工提供一個(gè)好的基準(zhǔn)。所以我們采用如下的方法:在工件（主軸）還是實(shí)心料狀態(tài)時(shí)，將不同種類主軸上松拉刀的孔的孔徑統(tǒng)一成一至兩種，采用深孔加工方法完成通孔加工，而像碟簧安裝孔等其余規(guī)格的孔再以通孔為基礎(chǔ)用麻花鉆擴(kuò)孔來完成。此方法的優(yōu)點(diǎn)是，將不同種類的工件統(tǒng)一匯總后使工件的批量得到加大，孔徑規(guī)格得到統(tǒng)一，可以充分發(fā)揮深孔加工技術(shù)在實(shí)心料鉆孔中的高效和高精度的優(yōu)勢(shì)，而對(duì)其余深徑比不大的各孔，在通孔的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)孔其加工難度也比以前大大降低，不再成為影響生產(chǎn)進(jìn)度的一個(gè)瓶頸問題。

2．2 DF系統(tǒng)主要部件的設(shè)計(jì)要求

（1）授油器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

授油器的主要功能是為鉆頭提供穩(wěn)定的、帶壓力的切削液。授油器安裝在車床的導(dǎo)軌上（圖3），工作時(shí)靠緊工件端面、密封切削液、并隨著工件旋轉(zhuǎn)。當(dāng)工件的長(zhǎng)度改變時(shí)還應(yīng)便于移動(dòng)和拆卸。授油器前端隨工件進(jìn)行低速旋轉(zhuǎn)，后端隨鉆桿高速旋轉(zhuǎn)，在鉆桿方向還要有一定的移動(dòng)量，以便于與工件端面密封、工件裝夾、鉆頭裝卸和檢查。授油器前端的導(dǎo)向套定心精度要求高，磨損后要便于更換。該授油器的設(shè)計(jì)工作范圍是從φ15～65 mm，覆蓋整個(gè)DF系統(tǒng)深孔鉆適宜的加工范圍。

（2）連接器及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

這部分結(jié)構(gòu)的主要功能是為鉆管提供動(dòng)力和在鉆桿末端產(chǎn)生吸出切屑的負(fù)壓。連接器固定在車床的溜板箱上，隨溜板箱的移動(dòng)產(chǎn)生進(jìn)給。設(shè)計(jì)的加工范圍是φ18.4～28 mm，能滿足常用的從40號(hào)主軸到50號(hào)鏜、銑類加工中心主軸的深孔加工。由于深孔加工對(duì)切屑的形狀有特殊的要求，需要切削速度和進(jìn)給量的配合來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同材料切屑形狀的控制，以滿足排屑的要求。這需要鉆頭的速度在一定的范圍能調(diào)整，另外當(dāng)孔徑不同時(shí)，鉆頭的轉(zhuǎn)速也應(yīng)隨著變化，以滿足功效的要求。所以鉆頭的驅(qū)動(dòng)裝置還應(yīng)有調(diào)速功能，此功能用變頻器來實(shí)現(xiàn)。

（3）冷卻及排屑系統(tǒng)

切削液在深孔加工中起著冷卻、潤(rùn)滑、沖刷、減振和消聲的作用。冷卻排屑系統(tǒng)主要由油箱、排屑箱、油泵、過濾裝置和液壓件等組成。

在加工鋼件時(shí)宜選用低粘度油類冷卻潤(rùn)滑液，最好選用專用的深孔加工切削液。我們?cè)谠囼?yàn)時(shí)選用的“長(zhǎng)城”牌特種切削油（M0006），使用效果也不錯(cuò)。使用時(shí)保持冷卻液的清潔非常重要。臟的冷卻液會(huì)導(dǎo)致孔壁上潤(rùn)滑膜的破壞，或使直徑小的深孔鉆油路堵塞，也容易使油泵和閥門等液壓元件過早地磨損。我們采取的措施是采用迷宮式的回油路線，以盡量增加冷卻液在油箱內(nèi)的流動(dòng)距離，減緩流動(dòng)的速度，保證污物能有足夠的時(shí)間來沉淀;此外泵進(jìn)油口還需加裝一定精度的濾油裝置，并且在回流的路徑上及泵進(jìn)油口處放置磁鐵以吸附冷卻液中微小的鐵屑。

油泵的壓力和流量一般根據(jù)所加工孔的孔徑確定。查閱山特維克深孔加工樣本知，對(duì)于φ18.4～28 mm的孔，切削液流量小于100 L/min，壓力小于2 MPa。我們選取流量為80 L/min，壓力為2.5 MPa的齒輪泵。

油箱容積在條件容許的情況下盡量的大。理想的情況是油箱容量一般為油泵每分鐘輸出量的5～10倍，以保證切削液能正常冷卻及污物的沉淀和分離。但在車床上進(jìn)行改造時(shí)，油箱高度和寬度要受到車床中心高和床身后面空間的限制，往往達(dá)不到上述要求。最后油箱的容積定為500 L，實(shí)際裝油量約為400 L。

（4）安全保護(hù)

由于深孔加工的刀具比較嬌貴，而且整個(gè)切削過程是在半封閉的狀況下進(jìn)行，所以安全檢測(cè)裝置顯得尤為重要。目前深孔加工中較為先進(jìn)的方法是對(duì)鉆桿的進(jìn)給力、轉(zhuǎn)矩及鉆管內(nèi)冷卻液壓力進(jìn)行的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。由于我們條件所限采取了下面的保護(hù)措施:用車床自身的落下蝸桿結(jié)構(gòu)來進(jìn)行進(jìn)給保護(hù)，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)定一個(gè)值，當(dāng)進(jìn)給力超出后，自動(dòng)斷開進(jìn)給傳動(dòng)鏈;采用壓力檢測(cè)保護(hù)，當(dāng)切屑發(fā)生阻塞時(shí)，授油器中的壓力會(huì)增高，壓力開關(guān)發(fā)出信號(hào)，由電氣控制停車;采用電氣順序保護(hù)，油泵電動(dòng)機(jī)與鉆桿驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)要有啟動(dòng)順序的要求，先起動(dòng)油泵電動(dòng)機(jī)再起動(dòng)連接器電動(dòng)機(jī)，以免因起動(dòng)順序錯(cuò)誤而造成連接器內(nèi)部機(jī)械密封裝置因干摩擦而損壞。雖然這些措施的效果和可靠性與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方法相比作用有限，但還是能避免出現(xiàn)嚴(yán)重的故障。

在本方案中利用車床的卡盤夾持工件，給鉆桿也配置了驅(qū)動(dòng)裝置，工件和鉆頭相對(duì)旋轉(zhuǎn)，并以鉆頭旋轉(zhuǎn)為主，工件作輔助低速轉(zhuǎn)動(dòng)。在鉆小直徑的孔時(shí)，要求轉(zhuǎn)速高而所需的功率較小，可以選擇鉆頭旋轉(zhuǎn)工件隨動(dòng)的方式。當(dāng)所加工的孔徑較大時(shí)，要求轉(zhuǎn)速有所降低而功率增大，可選擇工件旋轉(zhuǎn)而鉆頭不轉(zhuǎn)動(dòng)的方式，這時(shí)可充分發(fā)揮車床主軸功率大的優(yōu)勢(shì)，而不必為鉆桿配備大功率的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，從而簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，避免了浪費(fèi)。這種車床主軸和鉆桿都帶動(dòng)力的方案具有較強(qiáng)的靈活性和實(shí)際意義。例如用70 m/min的切削速度鉆φ18.4 mm的孔時(shí)，鉆頭的轉(zhuǎn)速達(dá)到近1 200 r/min，這時(shí)可選用鉆頭作高速旋轉(zhuǎn)，而工件作輔助的低速相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，不僅能滿足孔直線度要求，也避免了工件作高速轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的一系列問題。另外本方案不需要對(duì)工件端面預(yù)先加工導(dǎo)向孔，這點(diǎn)對(duì)于主軸的批量化生產(chǎn)有著重要意義。

表1

3 結(jié)語

以φ18 mm鉆頭加工長(zhǎng)度為630 mm的主軸為例，改進(jìn)前后的對(duì)比見表1。

通過表1可看出，采用DF系統(tǒng)深孔加工方法后孔的精度、表面粗糙度及直線度有很大程度的提高，刀具成本約為原來的4倍，工時(shí)降為原來的1/3。綜合考慮節(jié)省勞動(dòng)力成本和工件年產(chǎn)量的增加所帶來的效益來計(jì)算，總體的經(jīng)濟(jì)效益仍然可觀。而且從勞動(dòng)力成本逐年增加的趨勢(shì)來看，其意義會(huì)顯得越來越重要。

總的看來，通過這次的技術(shù)革新，普遍認(rèn)為費(fèi)用較高的深孔加工技術(shù)應(yīng)用到機(jī)床主軸類工件加工，是一次有益的嘗試，不僅解決了主軸批量化生產(chǎn)時(shí)效率低和勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題，而且提高了深孔的加工質(zhì)量，為降低主軸加工成本帶來了很大的空間。

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