基于Z8016 深孔鉆床高速化改裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計*

馬 龍 沈興全 任曉敏

(①山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心 山西 太原030051;②中北大學(xué)，山西 太原030051)

在機(jī)械加工行業(yè)不斷向精密化、高速化方向發(fā)展的過程中，傳統(tǒng)的深孔加工機(jī)床在加工質(zhì)量、效率等方面已經(jīng)跟不上現(xiàn)代機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展步伐。Z8016 深孔鉆床是針對小直徑深孔(直徑小于20 mm)加工的專用設(shè)備，屬于60 年代國產(chǎn)老式深孔鉆床，其在加工速度與產(chǎn)品質(zhì)量等方面已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代深孔加工業(yè)越來越高的要求。通過將高速鉆削技術(shù)與深孔加工技術(shù)相結(jié)合，對Z8016 深孔鉆床進(jìn)行高速化改裝，可以使其加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量大大提升。

1 改裝參數(shù)

通過結(jié)合Z8016 深孔鉆床在生產(chǎn)加工過程中的使用經(jīng)驗和實際需要，對Z8016 深孔鉆床在高速化改裝后所要達(dá)到的加工參數(shù)如表1 所示。

表1 Z8016 深孔鉆床高速化改裝前和改裝后參數(shù)對比

2 高速化改裝總體設(shè)計

Z8016 深孔鉆床的高速化改裝主要針對機(jī)床和深孔加工系統(tǒng)兩大部分:機(jī)床部分包括主傳動系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)的改裝;深孔加工系統(tǒng)部分包括重新選擇一套適應(yīng)高速加工的深孔加工系統(tǒng)以及切削液壓力和流量的重新確定。改裝后機(jī)床總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，改裝后的部件要同時具備剛性好、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，以滿足機(jī)床高速度和高加速度的要求。

3 機(jī)床部分改裝

3.1 機(jī)床主傳動系統(tǒng)改裝

由于改裝后的Z8016 深孔鉆床加工過程中的主軸轉(zhuǎn)速很高，其主傳動方式(主電動機(jī)+皮帶傳動+齒輪變速)已經(jīng)不能滿足加工需求，需要改裝為電主軸直接驅(qū)動的主傳動方式［1］。電主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，轉(zhuǎn)動慣量很小，能提高主軸系統(tǒng)的剛性和臨界轉(zhuǎn)速值，并且使主軸系統(tǒng)更為平穩(wěn)，同時還能很好的解決傳統(tǒng)主軸系統(tǒng)振動和噪聲問題［2］。根據(jù)所要求的改裝后主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度等參數(shù)，經(jīng)過計算分析后選取的電主軸型號為SDS110 -30 -24Z/4.5。該型號電主軸冷卻方式采用水冷，由于其轉(zhuǎn)速相對較低，潤滑方式采用脂潤滑。

3.1.1 電主軸的安裝

電主軸在Z8016 深孔鉆床上的安裝如圖2 所示，電主軸通過專用支座1 固定在機(jī)床床身上，通過支座的內(nèi)壁與電主軸外圓面之間的配合將電主軸進(jìn)行定位;通過調(diào)節(jié)螺栓2 帶動壓蓋7 向左運(yùn)動產(chǎn)生夾緊力，夾緊力通過過渡壓塊4 傳向壓環(huán)8，進(jìn)而傳向壓塊6，最終均勻作用于彈簧漲套3，彈簧漲套產(chǎn)生形變，將電主軸鎖緊。這種電主軸專用夾緊機(jī)構(gòu)具有較高的夾緊剛度，且其對中性好，安裝簡單方便，夾緊可靠［3］。

3.1.2 卡盤的選取

改裝后的Z8016 深孔鉆床進(jìn)行高速加工時卡盤會產(chǎn)生很大的應(yīng)力和離心力，由于其所使用的三爪卡盤不適用于主軸轉(zhuǎn)速很高的加工過程，所以將其替換為專用的高速多層卡盤，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速很高時，能夠產(chǎn)生很大離心力，使離心塊向外運(yùn)動，帶動楔形夾緊內(nèi)環(huán)向右滑動，通過擠壓由彈性材料制成的工件夾緊塊將工件夾得更緊［1］。

3.2 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)改裝

高精度機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)一般需要滿足摩擦系數(shù)小、慣量小、諧振頻率高、精度等級高、無間隙以及阻尼比大小適宜的設(shè)計要求，以保證加工精度和工作平穩(wěn)性［4］。小直徑深孔的加工過程一般都是一次鉆成，其鉆削過程要求的加工精度很高［5］，所以改裝后的Z8016 深孔鉆床采用內(nèi)循環(huán)浮動式墊片預(yù)緊滾珠絲杠副，使用伺服電動機(jī)通過聯(lián)軸器對滾珠絲杠進(jìn)行驅(qū)動，保證進(jìn)給速度的穩(wěn)定。機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

3.2.1 滾珠絲杠副與伺服電動機(jī)的選用

滾珠絲杠副的精度將直接影響機(jī)床的加工精度。絲杠的剛度和轉(zhuǎn)動慣量都隨著直徑增大而增大，并且所選絲杠的精度高低直接影響進(jìn)給系統(tǒng)的精度和機(jī)床設(shè)計成本［5］。經(jīng)過綜合計算分析，改裝后的Z8016 深孔鉆床所選用的滾珠絲杠副為NFD5010 -4 型內(nèi)循環(huán)浮動式墊片預(yù)緊滾珠絲杠副，精度等級為3，同時選用ASMT07L250BK 型伺服電動機(jī)進(jìn)行進(jìn)給驅(qū)動，能夠滿足改裝后所要達(dá)到的各方面要求。

3.2.2 進(jìn)給系統(tǒng)支撐與聯(lián)接結(jié)構(gòu)的設(shè)計

為了滿足高速化改裝后Z8016 深孔鉆床的高加工精度，其滾珠絲杠副采用兩端固定的支撐方式，選用組合方式為面對面組配的接觸角為60°的推力角接觸球軸承單元，能夠更好的承受軸向載荷，并利用軸承的預(yù)緊力對絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸以避免熱變形對絲杠的影響。伺服電動機(jī)和滾珠絲杠間通過單向彈性膜片無鍵聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)，該聯(lián)軸器采用了漲緊套結(jié)構(gòu)，軸上不用加工鍵槽，使轉(zhuǎn)動間隙完全消除，轉(zhuǎn)動更加平穩(wěn)，裝卸更加方便［3］。

4 深孔加工系統(tǒng)改裝

4.1 深孔加工系統(tǒng)的重新確定

相對于改裝前的Z8016 深孔鉆床而言，高速化改裝后的Z8016 深孔鉆床因主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度有很大提高，致使切屑量很大，改裝方案采用了能保證大切屑量鉆削順利進(jìn)行的SIED(單管內(nèi)排屑噴吸鉆)深孔鉆削系統(tǒng)。SIED 技術(shù)是由中北大學(xué)王峻教授取得的研究成果，其采用了與DF(雙向供油)系統(tǒng)相類似的排屑方式，同時結(jié)合了槍鉆焊接刀桿、整體燒結(jié)鉆頭的特點(diǎn)(SIED 深孔鉆如圖5 所示)，適用于小直徑深孔加工，在加工過程中能夠?qū)η行己颓邢饕夯旌衔锸┘油?、吸雙重作用，促使其迅速向外排出，即使是連綿不斷的長螺卷狀切屑也能將其順利排出，運(yùn)用在Z8016 深孔鉆床的高速化改裝中能很好的解決了大切屑量排出問題［7］。

SIED 深孔鉆削系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6 所示，將流量為Q0的切削液(46#機(jī)械油與煤油以1∶ 3 比例混合物)通過可調(diào)節(jié)流閥分為Q1與Q2(比例為2∶ 1)兩部分，使Q1流量的切削液通過授油器對鉆削區(qū)和刀具進(jìn)行冷卻和潤滑，并通過鉆桿內(nèi)部進(jìn)行排屑作用，同時使Q2流量的切削液進(jìn)入聯(lián)接器間隙為δ 的射流噴嘴環(huán)形通道進(jìn)行負(fù)壓抽屑，加快排屑速度。

4.2 切削液壓力及流量的確定

由于Z8016 深孔鉆床所加工孔的直徑較小，常因斷屑排屑效果不好導(dǎo)致堵塞，鉆床經(jīng)過高速化改裝后切屑量大大增加，其斷屑排屑問題更加突出。通過對圖7 的理論建議值和生產(chǎn)過程中實際需要的綜合考慮下，高速化改裝后的Z8016 深孔鉆床在運(yùn)用SIED 深孔加工系統(tǒng)的基礎(chǔ)上將切削液最大壓力控制在8.3 MPa，最大流量控制在87 L/min，選擇YS5022 型三相異步電動機(jī)驅(qū)動CBF-E80 型中高壓齒輪泵以提供加工過程中切削液所需的壓力和流量［8］。

5 改裝后深孔鉆床使用結(jié)果

運(yùn)用高速化改裝后的Z8016 深孔鉆床加工軸類工件(硬度為140HB、材質(zhì)為鑄鐵、孔徑為15 mm、長度為700 mm)內(nèi)孔，采用4030 涂層硬質(zhì)合金刀片SIED 深孔鉆(焊接刀桿型)，通過對整個加工過程的跟蹤研究，得出了以下結(jié)果:

(1)工件的加工時間由25 min 縮短至8 min，且所加工出的內(nèi)孔直線度由1.5 mm 提高到0.8 mm 水平。

(2)加工過程中所產(chǎn)生的噪聲相對于改裝前明顯減小。

(3)所加工的深孔內(nèi)表面精度達(dá)到0.58 μm，滿足加工要求。

6 結(jié)語

本文通過對舊式Z8016 深孔鉆床進(jìn)行了高速化改裝，克服了其加工效率低，穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。與高速化改裝前相比，高速化改裝后的Z8016 深孔鉆床的加工效率與穩(wěn)定性明顯提高，加工出的產(chǎn)品質(zhì)量更優(yōu)，在使用過程中體現(xiàn)出了優(yōu)良的性能，對舊式深孔機(jī)床的現(xiàn)代化高速化改裝具有實際參考意義。

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