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(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽618000;②哈爾濱工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

重、特大型非回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，所加工深孔的直線度和孔徑精度很差，后續(xù)處理工序繁雜（如鏜、擴(kuò)、鉸），加之上述兩種刀具材質(zhì)為高速鋼，切削速度低，嚴(yán)重制約了深孔加工效率。因此，非回轉(zhuǎn)體上大直徑深孔加工是機(jī)器制造中的加工難題。

經(jīng)過分析論證，BTA深孔加工技術(shù)具有加工精度高、效率高、排屑好等特點(diǎn)，能很好滿足現(xiàn)場深孔加工的需求;但是BTA系統(tǒng)一直是用在深孔加工設(shè)備上，如10 m、15 m、30 m等深孔鉆床［2］，并且是用于回轉(zhuǎn)體（如軸類工件）的深孔加工。因此，能否將BTA技術(shù)應(yīng)用在大型落地鏜床上，加工大型、重型非回轉(zhuǎn)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(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)

BTA系統(tǒng)也稱為單管系統(tǒng)（STS），加工時(shí)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(qū)域，帶走切屑并降低溫度，如圖1所示，切屑從鉆桿內(nèi)孔中排出而不會(huì)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(shí)現(xiàn)對(duì)非旋轉(zhuǎn)體、非軸心孔的大型工件的深孔加工。因工件（如機(jī)架、箱體類）無法旋轉(zhuǎn)，就不能采用深孔專機(jī)的鉆孔方法，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，可以通過技術(shù)移植手段，將BTA深孔鉆加工技術(shù)移植到落地鏜床上，達(dá)到在落地鏜床上應(yīng)用BTA系統(tǒng)加工非回轉(zhuǎn)體工件上深孔的目的。由于工件不旋轉(zhuǎn)，只能依靠鏜床主軸一邊旋轉(zhuǎn)一邊作直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。根據(jù)前面分析，鏜床用BTA深孔加工裝置設(shè)計(jì)思想的核心是充分考慮導(dǎo)向與排屑、幾何精度、程序控制孔深，實(shí)現(xiàn)鉆孔深度逐級(jí)遞減循環(huán)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(duì)機(jī)床的要求

要求如下:

（1）鏜床進(jìn)給機(jī)構(gòu)應(yīng)穩(wěn)定可靠，無爬行現(xiàn)象。

（2）鏜床主軸回轉(zhuǎn)精度要求較高，其徑向跳動(dòng)應(yīng)小于0.02 mm。

（3）深孔加工刀具針對(duì)不同材質(zhì)所用的切削速度和進(jìn)給量是不同的，要求機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量可調(diào)，而且可調(diào)級(jí)數(shù)越密越好。

（4）鏜床應(yīng)有滑枕機(jī)構(gòu)，便于安裝裝置中的鉆削系統(tǒng)部分。

（5）根據(jù)BTA深孔系統(tǒng)刀具使用要求，鉆頭直徑應(yīng)與機(jī)床提供功率相匹配。

2 鏜床用BTA深孔加工裝置設(shè)計(jì)

2.1 BTA深孔加工裝置結(jié)構(gòu)

鏜床用BTA深孔加工裝置主要由鉆削系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)兩大部分組成，該套裝置在較短時(shí)間可完成組裝，無需對(duì)機(jī)床作任何特殊改動(dòng)。

2.2 鉆削系統(tǒng)的組成

鉆削系統(tǒng)是完成孔加工的機(jī)械部分，如圖4所示，主要功能部件有:鉆頭、鉆桿、導(dǎo)向套、旋轉(zhuǎn)連接器和支架。其中鉆頭、鉆桿和導(dǎo)向套是BTA系統(tǒng)必須的組成部分，支架和回油器是為滿足鏜床應(yīng)用增加的項(xiàng)目。

2.3 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

系統(tǒng)功能特點(diǎn)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(jī)床主軸提供切削力矩和軸向進(jìn)給，完成對(duì)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(dǎo)向套作為支撐，為保證導(dǎo)向套與機(jī)床主軸軸心一致，設(shè)計(jì)了支架，支撐套通過支架整體安裝于機(jī)床滑枕上，保證刀具與機(jī)床主軸同軸。同時(shí)，支架與機(jī)床聯(lián)為一體，便于加工時(shí)快速找正孔的坐標(biāo)。

（2）多級(jí)鉆桿及裝卸 不同規(guī)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(duì)于孔深超過1 000 mm的深孔，孔深大于機(jī)床主軸行程，就無法滿足加工要求，必須采用加鉆桿分級(jí)進(jìn)行方式。在滿足剛性前提下，支架兩側(cè)設(shè)計(jì)了長形窗口，使操作者在進(jìn)行分段鉆削時(shí)，可以方便地裝卸鉆桿。

（3）連接器設(shè)計(jì) 鏜床上應(yīng)用BTA系統(tǒng)加工深孔與在深孔專機(jī)的另一個(gè)不同點(diǎn)是:必須配置一個(gè)能與鉆頭一起旋轉(zhuǎn)的連接器，如圖5所示。因鏜床主軸內(nèi)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(nèi)錐面相配合，前端連接鉆桿，將主軸動(dòng)力傳遞給鉆桿和鉆頭，而接收切削液和切屑的外殼不隨內(nèi)部構(gòu)件旋轉(zhuǎn)。這樣切削液由鉆桿內(nèi)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)連接器排到冷卻系統(tǒng)的過濾箱中。正是有了旋轉(zhuǎn)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(yīng)用BTA系統(tǒng)成為可能。

2.4 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)如圖6所示，它是保證切削順利進(jìn)行的重要部分，具有以下功能:向切削區(qū)輸送切削液;從旋轉(zhuǎn)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(jī)床不同，切屑經(jīng)過空間狹小的旋轉(zhuǎn)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(duì)所選刀具的斷屑要求較高。

裝置試驗(yàn)初期，由于對(duì)刀具認(rèn)識(shí)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(wěn)定，每把刀的斷屑情況各異，無論怎樣調(diào)整切削用量，始終出現(xiàn)長屑堵塞鉆桿的現(xiàn)象。

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

3 鏜床用BTA深孔加工的應(yīng)用與推廣

如圖8所示的工件為壓力機(jī)機(jī)座，其材質(zhì)為ZG230～450，重量為 156 t，機(jī)座中心部位有 10個(gè)φ120）mm深度為2 550 mm的頂料孔，內(nèi)孔粗糙度為Ra1.6 μm.該孔的主要技術(shù)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(shù)條件如此嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)麻花鉆接長后加工

用標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行冷卻。

（3）導(dǎo)向差，無有效可靠的導(dǎo)向，只能依靠鉆頭本身棱帶進(jìn)行導(dǎo)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(nèi)取不出來，將導(dǎo)致工件報(bào)廢。

（5）由于頻繁地從工件孔中退出鉆頭，輔助工時(shí)增加，生產(chǎn)效率很低，且工人勞動(dòng)強(qiáng)度很大。

3.1.2 用深孔鉆扁鉆系統(tǒng)加工

用深孔扁鉆片系統(tǒng)加工可以形成有效的冷卻循環(huán)系統(tǒng)。鉆片的冷卻，排屑問題可以解決。扁鉆體上有導(dǎo)向鍵，導(dǎo)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(jìn)給量平均為5～7 mm/min，鉆1個(gè)孔深為2 550 mm的孔需8.5 h機(jī)動(dòng)工時(shí);若鉆6個(gè)孔需51 h，尚不包括刃磨鉆片，研磨導(dǎo)向鍵等輔助工時(shí)［7］。

由于工件大而重，無法使工件轉(zhuǎn)動(dòng)。只能采取鉆桿邊旋轉(zhuǎn)邊作直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方法進(jìn)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(shí)，則導(dǎo)致工件報(bào)廢。

3.1.3 深孔加工的BTA系統(tǒng)

此工藝方案的鉆孔效率、推鏜效率、精鏜效率和質(zhì)量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于麻花鉆、扁鉆兩種系統(tǒng)。排屑、冷卻、導(dǎo)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(huán)系統(tǒng)等，在很短的時(shí)間內(nèi)要完成這些輔具的設(shè)計(jì)、制造、裝配和調(diào)整是不現(xiàn)實(shí)的。購買現(xiàn)成的裝置也不現(xiàn)實(shí)。

3.1.4 用鏜床BTA深孔加工

采用鉆頭結(jié)構(gòu)為BTA系統(tǒng)的硬質(zhì)合金雙刃三鍵內(nèi)排屑鉆頭，此鉆頭與噴吸鉆系統(tǒng)和DF系統(tǒng)鉆頭略有不同。其特點(diǎn)為:

（1）硬質(zhì)合金小刀頭分內(nèi)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(shí)松動(dòng)。磨損或損壞后可以快速更換，換刀時(shí)間很短，并有互換性。

（2）硬質(zhì)合金導(dǎo)向鍵與刀體為燕尾槽連接，并有螺釘防松。連接后穩(wěn)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(zhuǎn)速、大進(jìn)給量，故鉆孔效率高，最高可達(dá)6～7 m/h。鉆孔質(zhì)量好，孔表面粗糙度可達(dá)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(diào)整鉆頭直徑（微調(diào)）。而且外刀與內(nèi)刀的高度差值和外刀與導(dǎo)向鍵的高度差都可以通過厚薄不同的墊片進(jìn)行微調(diào)。

3.2 壓力機(jī)機(jī)座深孔加工方案

（1）工件側(cè)放按線找正壓緊，銑出X、Y、Z三個(gè)方向的找正帶、測量基準(zhǔn)。

（2）下機(jī)架底面向機(jī)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(jié)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(jí)φ110 mm、φ120 mm擴(kuò)孔鉆，鉆屑時(shí)為形成循環(huán)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(nèi)加工6－φ150H7 mm短孔，作為導(dǎo)向套定位之用。

（4）將旋轉(zhuǎn)連接器安裝到鏜桿主軸上，利用止口定位，將支架把合于機(jī)床滑枕上，然后依次將φ90 mm鉆桿和φ95 mm鉆頭裝好，機(jī)床滑枕移動(dòng)至支架前端φ150 mm的位置，定位圓放進(jìn)工件預(yù)先加工好的φ150H7 mm短孔內(nèi)后將支架壓緊，經(jīng)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(dǎo)向套及φ110 mm擴(kuò)孔鉆頭后，重復(fù)上述的壓緊過程。經(jīng)過兩次接鉆桿將φ110 mm孔擴(kuò)通，如圖9所示。

（6）φ110 mm擴(kuò)通后，換導(dǎo)向套及φ120 mm擴(kuò)孔鉆頭，重復(fù)壓緊。經(jīng)兩次接鉆桿，將φ120 mm孔擴(kuò)通。

3.3 鏜床用BTA深孔加工裝置操作

使用時(shí)，打開高壓泵站開關(guān)，啟動(dòng)主軸開始進(jìn)刀，冷卻液由授油器進(jìn)入壓力頭內(nèi)，潤滑冷卻切削刃，并攜帶切屑經(jīng)鉆桿內(nèi)孔流經(jīng)旋轉(zhuǎn)連接器、磁性過濾器回到副油箱，由循環(huán)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(huán)。

3.4 BTA深孔加工推廣情況

該裝置于自2009年開始應(yīng)用，均顯示其高精度、高效率的特點(diǎn)，整套裝置使用穩(wěn)定可靠。該裝置由機(jī)床主軸提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，有足夠的輸出扭矩，主軸進(jìn)給即實(shí)現(xiàn)刀具進(jìn)給。加工效率是傳統(tǒng)扁鉆片加工方式的5～7倍。表1為該裝置的應(yīng)用實(shí)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(jī)床結(jié)構(gòu)及功能。主體定形后，只要更換所對(duì)應(yīng)加工直徑的鉆頭、鉆桿和導(dǎo)向套等少許部件就可加工 φ50～120 mm（實(shí)際加工過 φ130 mm）的不同孔徑，加工中采取內(nèi)排屑法，勿需中途頻繁退屑。

表1 裝置應(yīng)用實(shí)例

4 結(jié)語

鏜床用BTA深孔加工系統(tǒng)的研制成功，解決了重特大型非回轉(zhuǎn)體工件深孔加工難題，并根據(jù)該裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)過制造工藝的不斷創(chuàng)新，繼續(xù)提高鏜床應(yīng)用BTA深孔加工水平，擴(kuò)大該裝置的應(yīng)用面，取得了顯著效果，對(duì)同類產(chǎn)品的制造有一定參考價(jià)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(duì)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(shí)，還需對(duì)刀具和切削用量選擇做進(jìn)一步摸索。

［1］王峻.現(xiàn)代深孔加工技術(shù)［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(shù)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(jī)床調(diào)整、刀具改進(jìn)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(yè)信息化，2002（1）.

［6］周澤華.金屬切削原理［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1989.

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

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