深孔加工機床的可重構(gòu)研究

張 猛，吳伏家

(1.中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，太原 030051;2.西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，西安 710032)

0 引言

深孔加工是機械加工領(lǐng)域的一個重要分支，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于石油、煤炭采掘、船舶、車輛、航空航天、冶金、模具、化工等不同行業(yè)的裝備制造，且占有越來越重要的地位［1］。隨著經(jīng)濟全球化趨勢的深化，客戶需求日益多樣化和個性化，產(chǎn)品品種持續(xù)增多、市場生命周期不斷縮短;而目前專用的深孔機床加工對象是確定不變的，且功能單一、造價昂貴，完全無法適應(yīng)這種趨勢，這直接催生了可重構(gòu)深孔加工機床的研究。

1 深孔零件族分析

可重構(gòu)機床是面對零件族而非單一零件而設(shè)計制造的，加工任務(wù)改變時需要針對具體零件的特征而重構(gòu)機床(包括硬件和軟件)。在機械制造業(yè)中，一般將孔深超過孔徑5 倍的圓柱孔稱為深孔［2］，具有深孔特征的零件的集合稱之為深孔零件族。

深孔零件按工件的外形結(jié)構(gòu)可分為:回轉(zhuǎn)體零件和非回轉(zhuǎn)體零件。對于回轉(zhuǎn)體零件一般采用工件旋轉(zhuǎn)、刀具進給(或刀具旋轉(zhuǎn)并進給)的方式加工，工件的裝夾比較簡單，使用三爪卡盤和中心架即可;而對于非回轉(zhuǎn)體零件的加工則要采用工件固定、刀具旋轉(zhuǎn)的方式，且需根據(jù)工件的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計專門的工裝。

深孔零件按尺寸大小可分為:特小直徑深孔零件、小直徑深孔零件、中直徑深孔零件、大直徑深孔零件和超大直徑深孔零件。特小直徑深孔件是指直徑在1mm 以下的深孔，超大直徑深孔件指直徑大于180mm 的深孔，這兩類深孔件的加工一般不采用機械加工方式，而采用激光、電解或電火花等特種加工技術(shù)加工，特種加工技術(shù)亦能解決各種超強、超硬、超韌、超脆或超軟材料的深孔加工問題;小直徑深孔件指直徑在1mm ～18mm 的深孔，這類深孔的加工常采用槍鉆，槍鉆的應(yīng)用范圍很廣，既可用于回轉(zhuǎn)體零件的加工，又可用于非回轉(zhuǎn)體零件的加工，如輔以相應(yīng)的措施，還可加工平行孔、坐標(biāo)孔、周邊孔、交叉孔和斷隔孔等;中直徑深孔件指直徑在18mm ～65mm的深孔，常采用BTA 鉆進行加工，BTA 鉆加工效率比槍鉆高，加工精度能滿足一般精度要求，如增加負壓裝置構(gòu)成DF 系統(tǒng)，亦可應(yīng)用于小直徑深孔的加工;大直徑深孔件指直徑在65mm ～180mm 的深孔，常常采用機夾式BTA 鉆或者采用擴孔鉆，在機床功率不足或工件為貴重金屬材料的情況下，可采用套料鉆加工。

深孔零件按精度等級可分為:精密級和普通精度級。零件要求的精度等級與采用的加工工具密切相關(guān)。一般情況下，槍鉆的加工精度要高于BTA 鉆，但由于BTA 鉆采用內(nèi)排屑的方式，避免了切屑與已加工孔壁的接觸，可有效的減少劃痕，故其表面粗糙度要優(yōu)于槍鉆。另外，工件坯料在采用實體鉆或套料鉆加工后，如果達不到規(guī)定的精度或粗糙度要求，就需要采用深孔精加工工具進行二次加工甚至更多次數(shù)的加工。用于深孔精加工的工具有槍鉸刀、減振鏜刀、精密磨頭和珩磨頭等。

2 深孔加工機床可重構(gòu)性分析

進行可重構(gòu)機床設(shè)計的主要目的是使機床能快速低成本地適應(yīng)被加工零件的各種變化，如尺寸大小變化、幾何形狀變化、產(chǎn)品批量變化、加工工藝變化、精度要求變化和材料屬性變化等［3］。

(1)適應(yīng)零件外形尺寸變化

對于不同外形尺寸的零件，可相應(yīng)準(zhǔn)備具有不同尺寸大小的機床模塊庫，如床身庫、導(dǎo)軌庫、工作臺庫、主軸庫等，通過改變機床模塊實現(xiàn)機床的可重構(gòu)性。另外，床身還可做成標(biāo)準(zhǔn)分段式，便可根據(jù)加工工件的長度對床身隨時進行調(diào)整。

(2)適應(yīng)零件幾何形狀變化

對于具有不同幾何復(fù)雜性的零件，可通過添加新的運動單元或?qū)F(xiàn)有某一運動單元替換為多自由度地運動單元來增加機床的聯(lián)動軸數(shù)，從而實現(xiàn)機床的可重構(gòu)。例如，加工零件由回轉(zhuǎn)體單孔件改變?yōu)榉腔剞D(zhuǎn)體坐標(biāo)孔件時，就需要將機床由原來的工件旋轉(zhuǎn)、刀具進給加工方式變?yōu)楣ぜ潭?、刀具旋轉(zhuǎn)進給的方式，即將原來的主軸箱更換為兩坐標(biāo)工作臺(可升降和前后移動)，并添加鉆桿箱動力頭。

(3)適應(yīng)零件生產(chǎn)批量的變化

為了提高產(chǎn)品生產(chǎn)率，機床的主軸單元可由單主軸變?yōu)殡p主軸或多主軸單元。多主軸單元是提高產(chǎn)品生產(chǎn)率的有力工具，具有不同加工速度和加工能力的模塊化主軸單元是可重構(gòu)機床響應(yīng)產(chǎn)品批量變化的最佳途徑。

(4)適應(yīng)零件加工工藝變化

由于加工工藝的變化，不僅要改變加工刀具(如槍鉆、BTA 鉆、噴吸鉆等)，深孔機床的配置(前后裝置)也要做相應(yīng)的變化。例如，槍鉆系統(tǒng)的前裝置為導(dǎo)套和集屑箱，后裝置為鉆桿卡座和授油器;而BTA系統(tǒng)的前裝置為導(dǎo)套和授油器，后裝置為鉆桿卡座及排屑裝置。另外，當(dāng)需要車外圓及加工螺紋時，還可在深孔機床上集成車削模塊。

(5)適應(yīng)零件加工精度變化

與適應(yīng)零件加工工藝的變化相似，可通過改用深孔精加工工具及其輔具來適應(yīng)零件加工精度要求的變化。但值得注意的是，可重構(gòu)機床由模塊組成，其中每一模塊都具有特定的接口。在這種情況下，機床重構(gòu)會引起疊加誤差，影響機床精度。另外，加工精度同時還受機床的靜態(tài)剛度、動態(tài)剛度和熱變形的影響。

3 可重構(gòu)深孔機床的設(shè)計目標(biāo)

可重構(gòu)深孔加工機床的設(shè)計目標(biāo)是要提供一臺面向深孔零件族內(nèi)零件加工的可重構(gòu)機床，具體要求如下:

(1)可重構(gòu)深孔加工機床要具有模塊化的結(jié)構(gòu)及統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的接口，即實現(xiàn)深孔機床及其元、器、部件和軟件的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化。模塊化設(shè)計是實現(xiàn)可重構(gòu)的前提，以下目標(biāo)的實現(xiàn)都要以此為基礎(chǔ)。

(2)可重構(gòu)深孔加工機床要填平深孔機床在加工直徑范圍上的鴻溝，通過模塊的重新配置與組合，方便地實現(xiàn)槍鉆系統(tǒng)(外排屑方式)與BTA 系統(tǒng)、噴吸鉆系統(tǒng)及DF 系統(tǒng)(內(nèi)排屑方式)的轉(zhuǎn)換，使廣大企業(yè)不再為必須同時擁有內(nèi)、外排屑兩類機床而擔(dān)憂。企業(yè)可以根據(jù)自身所需要的深孔件孔徑范圍，選擇與之相適應(yīng)的功能模塊，組合成不同尺寸規(guī)格的深孔機床。

(3)可重構(gòu)深孔加工機床除要兼容實體鉆、擴鉆、套料加工之外，還要兼容鏜、鉸、珩磨等深孔精加工，甚至可集成激光、電解和超聲振動鉆削等特種加工功能，使深孔加工方法實現(xiàn)全方位化。

(4)可重構(gòu)深孔機床應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)所有三種深孔加工方式(即工件旋轉(zhuǎn)，刀具進給;工件固定，刀具旋轉(zhuǎn)進給;工件與刀具相對旋轉(zhuǎn)，刀具進給)，實現(xiàn)加工方式的全方位化。

4 可重構(gòu)深孔加工機床的模塊化設(shè)計

可重構(gòu)機床的主要特點在于其具有模塊化結(jié)構(gòu)和可重構(gòu)能力，即能夠通過對機床組成部件或模塊的重組與更替，調(diào)整其加工功能和某些性能，及時、高效地滿足被加工零件的各種變化需求。同時這也為機床部件在其生命周期內(nèi)反復(fù)重用，最大限度地實現(xiàn)設(shè)備改造、更新的節(jié)約化、高效化提供了一條有效途徑?？芍貥?gòu)機床的特點決定了它必須采用模塊化設(shè)計［4］。目前，深孔加工技術(shù)發(fā)展的已比較成熟，深孔裝備逐步趨向標(biāo)準(zhǔn)化，這為深孔機床的模塊化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

4.1 功能模塊的劃分

功能模塊的劃分就是根據(jù)機床不同部件的不同功能對機床的總功能進行分解，形成不同級別、不同層次的子功能，是模塊化設(shè)計中的一項基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性的工作。模塊的劃分既要滿足市場需求和使用要求，又要考慮生產(chǎn)管理方便;既要達到設(shè)計簡便、模塊數(shù)量盡可能少、降低制造成本，還要考慮到該模塊系列將來的進一步擴展及向相近類型產(chǎn)品的輻射［5］。

根據(jù)深孔加工機床的特點，依據(jù)模塊化設(shè)計思想，首先劃分出深孔機床的一級功能模塊:支承部件、動力與傳動部件、刀輔具、液壓系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)。

一級功能模塊可繼續(xù)劃分二級子功能模塊:支承部件分為床身底座、床身、拖板、工作臺等;動力與傳動部件分為主軸箱(動力頭)、標(biāo)準(zhǔn)傳動件、電力驅(qū)動件等;刀輔具分為刀具導(dǎo)向裝置、鉆桿支承裝置、鉆桿夾持裝置、授油裝置和排屑裝置等;液壓系統(tǒng)分為冷卻排屑、液壓夾緊、導(dǎo)軌潤滑等三個子功能模塊;數(shù)控系統(tǒng)分為軟件部分和硬件部分。

當(dāng)然，根據(jù)實際需要，二級功能模塊還可以繼續(xù)劃分。例如，主軸箱可進一步分解為主軸、變速傳動機構(gòu)和箱體三個單元;冷卻排屑功能模塊又可分為切屑分離裝置、切削液過濾裝置及切削液冷卻裝置等。對功能模塊進行分解，其劃分可大可小，可粗可細，取決于用戶對產(chǎn)品的要求及技術(shù)經(jīng)濟分析的結(jié)果。

4.2 結(jié)構(gòu)模塊化

結(jié)構(gòu)模塊化也就是模塊具體實現(xiàn)的過程。根據(jù)機床功能與屬性的映射關(guān)系，求解出滿足對應(yīng)子功能要求的結(jié)構(gòu)模塊。其目標(biāo)是以最少的模塊組合出盡可能多種類的機床。通過機床模塊的重新組合，達到系統(tǒng)的柔性要求［6］。具體地說，可重構(gòu)深孔加工機床的結(jié)構(gòu)模塊化，就是依據(jù)可重構(gòu)理論及功能模塊劃分的結(jié)果對深孔機床的各功能模塊進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。以下將對一些重構(gòu)頻率較高的模塊加以分析。

(1)工作臺模塊

由以上對深孔零件族的分析可知，深孔零件可分為回轉(zhuǎn)類零件和非回轉(zhuǎn)類零件，零件的類型不同所采用的工作臺亦不同。對于回轉(zhuǎn)體零件，其工作臺(支承與定位部件)由三爪卡盤與工件中心架組成，如圖1 所示。對于非回轉(zhuǎn)體零件，可根據(jù)實際需要選用不同自由度(其中包括X 方向與y 方向的移動自由度和繞y 方向的轉(zhuǎn)動自由度)的工作臺。例如，對于單孔或排成一直線的多孔的零件選用具有單個移動自由度的工作臺即可;對于模具上的水孔、射銷孔等坐標(biāo)孔系則要選用具有兩個移動自由度的工作臺，如圖2 所示;而對于斜孔的加工則需選用回轉(zhuǎn)工作臺。

圖1 回轉(zhuǎn)體零件工作臺

圖2 兩坐標(biāo)工作臺

(2)刀輔具模塊

刀輔具是深孔加工機床中的關(guān)鍵部分，大致可分為前裝置、后裝置和鉆桿支承架等。其作用包括供油、排屑、定位夾緊、刀具導(dǎo)向和液壓密封等，為深孔加工提供了可靠的技術(shù)保證。刀輔具需隨加工零件的工藝的變化而重組，首先根據(jù)具體的加工工藝選用合適的刀具，然后根據(jù)刀具確定其配置及具體結(jié)構(gòu)。若只是零件的加工孔徑發(fā)生變化，而加工工藝未變，則只需對刀輔具與刀具及鉆桿配合的相關(guān)套件進行重構(gòu)即可，其中包括刀具導(dǎo)向套、鉆桿支承套及鉆桿夾持組件，如圖3 所示?？蓪⑦@些元件進行系列化設(shè)計，即同一尺寸系列里的元件的內(nèi)徑根據(jù)實際需要設(shè)計成不同尺寸，而外徑均按這個系列的最大直徑來設(shè)計。

圖3 刀輔具中需頻繁重構(gòu)的套件

(3)動力模塊

動力模塊主要用于提供主軸、刀具軸及進給所需的動力，其重構(gòu)主要表現(xiàn)為機床的運動重構(gòu)和功率重構(gòu)，目的是適應(yīng)零件加工工藝及生產(chǎn)批量的變化。為方便機床在使用過程中進行重構(gòu)，可考慮使用電主軸與直線電機等先進技術(shù)。利用電主軸技術(shù)，可把機床主傳動鏈長度縮短為零，使機床結(jié)構(gòu)極大簡化;使用直線電動機技術(shù)，可在刀具可承受的范圍之內(nèi)根據(jù)工件的長度對機床隨時進行調(diào)整，而對機床的其他結(jié)構(gòu)不造成影響。

4.3 接口設(shè)計

模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要內(nèi)容是接口設(shè)計，它直接關(guān)系到模塊組合集成的操作性和可靠性?？芍貥?gòu)機床的模塊化要求機床結(jié)構(gòu)的拓撲性和模塊全壽命周期的重用性，因此特別強調(diào)模塊集成的接口“相乘效應(yīng)”，注重模塊接口的規(guī)范化設(shè)計與研究，包括各種接口形式(機械接口、動力接口、控制接口)的標(biāo)準(zhǔn)化，機械接口界面的靜、動力學(xué)特性的分析與評價，以及基于接口的模塊裝配精度保證手段與方法等［7］。

可重構(gòu)深孔加工機床的接口設(shè)計的重點即刀輔具與支承部件、動力部件之間的接口，具體地說，即前裝置與拖板之間的接口，以及后裝置與動力頭之間的接口。前者可采用燕尾槽定位、螺栓固定連接的方式，如圖4 所示;而后者可采用錐柄或法蘭盤，如圖5 所示。

圖4 前裝置接口

圖5 后裝置接口

5 結(jié)束語

可重構(gòu)機床作為可重構(gòu)制造系統(tǒng)的重要組成部分，其模塊化的設(shè)計使得機床在使用過程中可根據(jù)加工需要快速進行功能轉(zhuǎn)換［8］，從而解決傳統(tǒng)深孔加工設(shè)備加工功能單一、無法調(diào)整加工任務(wù)、設(shè)備一次性投入較大等問題。文章從深孔零件族的分析入手，對深孔加工機床的可重構(gòu)性進行了研究，最終完成了可重構(gòu)深孔加工機床的模塊化設(shè)計。

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