中大孔徑錐度深孔加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)工程分公司,天津 300452)

自18世紀(jì)初美國(guó)人發(fā)明扁鉆以來(lái)，深孔加工的研究一直沒(méi)有間斷過(guò)。在20世紀(jì)初，由于二戰(zhàn)對(duì)槍炮的大量需求，深孔加工技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)品的更新?lián)Q代十分頻繁，新型高強(qiáng)度，高硬度的難加工零件不斷出現(xiàn)，無(wú)論是對(duì)深孔加工的質(zhì)量、加工效率，還是刀具的性能都提出了更高的要求。因此研究深孔加工的新工藝，深孔加工刀具的新機(jī)構(gòu)，深孔加工的檢測(cè)方法和檢測(cè)系統(tǒng)，已經(jīng)成為目前最熱門(mén)的方向[1-5]。

1 中大孔徑錐度深孔加工系統(tǒng)改造

設(shè)計(jì)以CW6163機(jī)床為基礎(chǔ)做深孔加工和數(shù)控系統(tǒng)的改造，去掉原有機(jī)床的刀具和油路系統(tǒng)，另行設(shè)計(jì)油路和尾座刀具系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了對(duì)于深孔加工所需的授油器，其功用是正確引導(dǎo)鉆頭并向切削區(qū)供給高速冷卻液;設(shè)計(jì)了機(jī)床尾座裝置，利用步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)軸，齒輪和齒輪軸將步進(jìn)電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為刀具拉桿的軸向直線運(yùn)動(dòng);利用珩磨頭原理設(shè)計(jì)刀具、刀體裝置，通過(guò)尾座拉桿，拉動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀尖的漲縮;增加合適的數(shù)控系統(tǒng)，可根據(jù)需要選擇合適的現(xiàn)成數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)普通機(jī)床的數(shù)控化改造，提高生產(chǎn)效率，減輕勞動(dòng)力。

2 總體方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)是基于CW6163機(jī)床的深孔加工系統(tǒng)改造，其涉及的改造部分有刀具系統(tǒng)，尾座裝置和油路系統(tǒng)。不改變?cè)?chē)床性能，只將車(chē)床上的刀架拆除，換上授油器、中心架以及必要的進(jìn)給裝置，原機(jī)床主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不變，另配油路系統(tǒng)、油箱和排屑箱，在授油器上接冷卻潤(rùn)滑油路。

總體方案設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1，在CW6163機(jī)床的基礎(chǔ)上采用工件旋轉(zhuǎn)的方式，增加中心架、授油器、尾座進(jìn)給裝置、數(shù)控面板裝置、刀具系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)是針對(duì)中大孔徑錐孔加工的機(jī)床設(shè)計(jì)。以CW6163機(jī)床為基礎(chǔ)做深孔加工和數(shù)控系統(tǒng)的改造。主要設(shè)計(jì)進(jìn)給系統(tǒng)，首先考慮到加工孔為錐形孔，這就要求不能利用普通的鉆頭鉆削，應(yīng)設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)使得鉆頭上刀塊能在后進(jìn)給力傳動(dòng)下向徑向張開(kāi)，達(dá)到切削錐度的目的。鉆桿由尾座部分傳遞動(dòng)力，將齒輪的嚙合傳動(dòng)轉(zhuǎn)換為軸向的直線運(yùn)動(dòng)，使刀頭在軸向沿直線進(jìn)給。同時(shí)，刀塊向徑向漲開(kāi)需要一種漲芯結(jié)構(gòu)，這就考慮利用珩磨加工的原理，將漲芯體在拉桿的帶動(dòng)下移動(dòng)，使得漲芯座支撐體沿徑向漲開(kāi)，使刀塊壓向工件加工表面，達(dá)到切削的目的。由于工件旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，刀具既在軸向進(jìn)給，又向徑向漲開(kāi)，這樣刀具走出的軌跡就會(huì)是錐形。

3 后進(jìn)給裝置設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的最主要部分是后進(jìn)給裝置，它在切削過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用。因?yàn)榈毒呤强课沧b置實(shí)現(xiàn)漲縮的，每走完一個(gè)行程，鉆頭就需要漲縮一次，直到鉆削結(jié)束。這就同時(shí)需要一個(gè)獨(dú)立的數(shù)控系統(tǒng)。這個(gè)裝置需要傳動(dòng)效果好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，此外因?yàn)榭讓?duì)中精度的準(zhǔn)確性，就需保證傳動(dòng)平穩(wěn)，在鉆削過(guò)程中盡量保證對(duì)中和減弱振動(dòng)，見(jiàn)圖2。

圖2 后進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

為實(shí)現(xiàn)刀具刀尖的錐度切削，尾座箱體采用鑄造的方式，箱體是在鉆桿連接套的連接下和鉆桿配合連接的。鉆桿與傳動(dòng)軸的連接后，軸采用一端支承，右端孔使用推力球軸承，可以承受較大的軸向力，作用是保證齒輪的穩(wěn)定性。兩軸通過(guò)齒輪傳動(dòng)。箱體后端蓋的設(shè)計(jì)時(shí)需保證其有足夠的強(qiáng)度。

傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)是為了將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)最后轉(zhuǎn)化為拉桿的直線移動(dòng)。為更好地傳遞運(yùn)動(dòng)，輸出端直接做成齒輪軸，軸端是和行星齒輪減速器通過(guò)聯(lián)軸器連接起來(lái)的。軸采用角接觸軸承支撐，各限制軸在一個(gè)方向的軸向移動(dòng)。安裝時(shí)，通過(guò)調(diào)整軸承的內(nèi)圈的軸向位置，可使軸承達(dá)到理想的游隙或所要求的預(yù)緊程度。

齒輪軸通過(guò)齒輪嚙合將軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給傳動(dòng)軸并轉(zhuǎn)化為軸向直線運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)軸上的齒數(shù)和齒寬控制著拉桿的移動(dòng)速度，拉桿移動(dòng)速度控制著漲芯體的漲縮，從而控制刀尖的移動(dòng)，達(dá)到切削錐度的目的。

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移的執(zhí)行元件，可在寬廣的范圍內(nèi)調(diào)速。步進(jìn)電機(jī)的位移量與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成比例。它是后進(jìn)給系統(tǒng)的的動(dòng)力源。

減速器是原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間獨(dú)立的閉式傳動(dòng)裝置，用來(lái)降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩以滿足各種工作機(jī)械的需要。

4 刀具設(shè)計(jì)

因?yàn)楝F(xiàn)有的刀具都無(wú)法滿足加工大孔徑錐度深孔的要求，所以就需要另行設(shè)計(jì)一套刀具系統(tǒng)，使其能夠很好地切削并達(dá)到一定的精度要求，設(shè)計(jì)思路主要結(jié)合深孔鏜削和珩磨的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。珩磨加工是利用可漲縮的珩磨頭使珩磨條壓向工件表面，以產(chǎn)生一定的接觸面積和相應(yīng)的壓力，在適當(dāng)?shù)睦鋮s液作用下，珩磨條對(duì)被加工表面做旋轉(zhuǎn)和往復(fù)進(jìn)給的相對(duì)綜合運(yùn)動(dòng)。深孔鏜削在深孔加工中是加工精度較高的鉆削方式，它能校正已有孔上的缺陷，如圓度誤差，直線度誤差等，可獲得良好的幾何精度和表面粗糙度。利用珩磨的漲縮原理可設(shè)計(jì)刀具切削路徑，利用深孔鏜刀結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)提高加工精度。

刀具在切屑工件時(shí)，隨著尾座的作用，拉桿直線移動(dòng)，帶動(dòng)漲芯體移動(dòng)。漲芯座隨著漲芯體的移動(dòng)而沿徑向均勻地漲開(kāi)，使刀塊逐漸壓向工件加工表面，隨著工件的旋轉(zhuǎn)和刀頭的軸向進(jìn)給及徑向漲開(kāi)，加工出的軌跡是倒錐形面。當(dāng)漲芯座漲到最大行程時(shí)，在后進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)作用下迅速退回原位置，完成一次行程，多次進(jìn)給加工達(dá)到加工的目的。這種結(jié)構(gòu)吸收了珩磨頭結(jié)構(gòu)和鏜刀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，刀體上設(shè)置有兩個(gè)導(dǎo)向塊，提高了刀具在加工中的穩(wěn)定性和拉桿的剛性，減輕了振動(dòng)，提高了加工精度。在保證可靠斷屑的條件下，采用一定壓力的大流量切削液進(jìn)行冷卻、潤(rùn)滑和排屑，避免了切屑對(duì)已加工表面的劃傷，保證了表面加工精度，而刀頭在切削中產(chǎn)生的徑向切削分力由導(dǎo)向塊的支反力來(lái)平衡，減弱了切削中的彎曲振動(dòng)。導(dǎo)向塊采用硬質(zhì)合金材料，起到有效導(dǎo)向作用，當(dāng)?shù)毒咄顺龉ぜr(shí)起到定心作用。刀具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 刀具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

5 授油器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中，機(jī)床主軸部分結(jié)構(gòu)沒(méi)有改變，仍沿用原機(jī)床結(jié)構(gòu)，工件是利用卡盤(pán)裝夾在機(jī)床上的，工件是旋轉(zhuǎn)的，此外，鉆孔孔徑較大，由此，采用旋轉(zhuǎn)式的授油器結(jié)構(gòu)形式。授油器工作時(shí)，輸油管連接到進(jìn)油連接頭上，旋轉(zhuǎn)手輪使伸縮軸靠向工件表面，壓力油通過(guò)伸縮軸進(jìn)入，經(jīng)由鉆桿與導(dǎo)向套形成的環(huán)形縫隙進(jìn)入切削區(qū)，達(dá)到冷卻潤(rùn)滑的目的。后密封圈部分是防止壓力油從鉆桿漏出而設(shè)置的，鉆頭進(jìn)入工件時(shí)，由導(dǎo)向套引導(dǎo)穩(wěn)定鉆削，支撐體上的鎖緊螺釘壓在芯軸上，防止芯軸周向旋轉(zhuǎn)。手輪部分，與工字型旋套連接緊定的是一種兩個(gè)半圓形卡在一塊的形式，這樣可以方便拆卸，拓寬拆卸空間，不致使拆卸時(shí)要拆掉手柄，是一種比較靈活的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)授油器優(yōu)點(diǎn)在于能正確引導(dǎo)鉆頭切削，同時(shí)也能向切削區(qū)提供冷卻液，支撐體是沿導(dǎo)軌面可移動(dòng)位置的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作。

芯軸外表面加工精度要求較高，是因?yàn)槠涓鞅砻嫘枰c軸承內(nèi)圈以及授油器支撐體內(nèi)表面配合，工作時(shí)，芯軸是隨鉆桿的軸向進(jìn)給而直線運(yùn)動(dòng)的，芯軸與支撐體之間用鎖緊螺釘固定，目的是為了防止芯軸周向旋轉(zhuǎn)。授油器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。

圖4 授油器結(jié)構(gòu)示意

6 中心架的設(shè)計(jì)

中心架是深孔加工裝置中必不可少的組成部分，其主要功能是支承、扶正旋轉(zhuǎn)的工件，與普通車(chē)床的中心架的功能相同。通常深孔加工零件較重，工件外圓速度較高，因此，必須使用滾動(dòng)支撐。目前使用的中心架的結(jié)構(gòu)比較多，有機(jī)械加固式、局部滾動(dòng)式、整體滾動(dòng)式，也有機(jī)械控制形式的，也有氣壓或液壓形式控制的。

機(jī)械夾固式中心架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，也經(jīng)濟(jì)實(shí)用，廣泛用于普通機(jī)床上。液壓式中心架是一種新式的中心架，通過(guò)液壓系統(tǒng)的工作達(dá)到對(duì)工件的支撐，但對(duì)于普通機(jī)床改造來(lái)說(shuō)，其需要有獨(dú)立的液壓系統(tǒng)，并且價(jià)格昂貴，不適于機(jī)床改造的應(yīng)用。局部滾動(dòng)式中心架與普通機(jī)床上使用的中心架結(jié)構(gòu)相似，只是支撐采用了滾動(dòng)方式，其優(yōu)點(diǎn)是工件裝夾方便，但剛性較差，工件外圓必須預(yù)先車(chē)出定位基準(zhǔn)，并且找正不太方便，一般還必須在工件端面上車(chē)出定位錐和授油器導(dǎo)向套上錐面配合定心。整體滾動(dòng)式中心架適用于中小型深孔加工機(jī)床，通過(guò)調(diào)整4個(gè)支承螺釘進(jìn)行對(duì)中，其結(jié)構(gòu)剛性好，回轉(zhuǎn)精度高，找正也方便，但工件裝夾不太方便，需要移動(dòng)中心架。

綜上所述，由于對(duì)錐孔的深孔加工精度需要精確的對(duì)中性，容易找正，其次工件較大，要求裝夾盡量方便。因此，選擇整體滾動(dòng)式中心架結(jié)構(gòu)，底座坐于機(jī)床導(dǎo)軌上，可沿機(jī)床導(dǎo)軌移動(dòng)，符合設(shè)計(jì)要求。

中心架工作時(shí)是通過(guò)支撐螺釘對(duì)中夾緊定位，達(dá)到緊固工件的目的，工作方式同普通車(chē)床相似，可根據(jù)實(shí)際工作需要沿導(dǎo)軌移動(dòng)，主要是起到支承和扶正旋轉(zhuǎn)工件的作用。選用雙列圓柱滾子軸承可承受較大的徑向載荷，因?yàn)橹睆捷^大，軸承選擇內(nèi)表面帶錐面的型號(hào)，這樣拆卸方便，錐度1∶12。這就要求與軸承配合的加工件內(nèi)套有較高的精度，底座上的滑槽是與機(jī)床導(dǎo)軌面配合的，可通過(guò)上下調(diào)節(jié)拉緊螺桿來(lái)微調(diào)中心高。鎖緊螺母上開(kāi)槽可方便拆卸，鎖緊螺釘沿徑向壓緊卡塊,達(dá)到鎖緊螺紋目的,防止軸承軸向松動(dòng)。中心架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。

圖5 中心架結(jié)構(gòu)示意

7 數(shù)控系統(tǒng)的選擇

從幾種數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)中可以看出，在數(shù)控系統(tǒng)中半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)控制精度較閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)要差，但穩(wěn)定性好，成本較低，調(diào)試維修也比較容易，兼顧了開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)與閉環(huán)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用較普遍。

選擇數(shù)控系統(tǒng)類型時(shí)，主要應(yīng)根據(jù)數(shù)控改造機(jī)床的類型及控制軸改造后機(jī)床要達(dá)到的各種精驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率等要求確定數(shù)控系統(tǒng)的類型和功能。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床與舊機(jī)床的數(shù)控化改造多采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。加工精度要求高的各種機(jī)床選用半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)與閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。

8 結(jié)論

1)對(duì)于刀具系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先刀具系統(tǒng)根據(jù)珩磨原理和鏜刀結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)的。這種結(jié)構(gòu)吸收珩磨頭結(jié)構(gòu)和鏜刀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，刀體上設(shè)置有2個(gè)導(dǎo)向塊，大大提高了刀具在加工中的穩(wěn)定性和拉桿的剛性，減輕了振動(dòng)，提高了加工精度。

2)后進(jìn)給裝置的設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)刀具的漲縮，另行增加了一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和減速器，通過(guò)齒輪軸，大齒輪和傳動(dòng)軸將軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為拉桿的直線運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)漲芯體，從而實(shí)現(xiàn)刀尖的漲縮。

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