基于液壓減振技術(shù)的深孔鉆桿組件雙改設(shè)計

胡小青，楊紹杰

(1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系，四川德陽618000;2.上海彭浦機器廠有限公司，上海 200027)

深孔鉆 (鏜)床是深孔加工的重要設(shè)備。所謂深孔是指孔深與孔徑之比 (即深徑比L/D)大于3～5［1］。如機床的主軸孔、各種液壓油缸、氣缸的通孔、盲孔及階梯孔等均為深孔。這些孔的形狀精度要求很高，一般是在孔徑公差以內(nèi)，有些是在孔徑公差的1/2～1/3內(nèi)。深孔鉆 (鏜)床 (以下簡稱深孔鉆床)及鉆 (鏜)桿組件 (以下簡稱深孔鉆桿)等附件是共同保證精度的前提。現(xiàn)有兩種結(jié)構(gòu)的深孔鉆桿，分別是“上下半瓦”式與“四瓣瓦”式。這兩種結(jié)構(gòu)的鉆桿存在一定問題:“上下半瓦”式鉆桿在使用一段時間之后，其支架、支承套的孔徑磨損引起的間隙不僅導(dǎo)致振動，還容易損壞刀具;“四瓣瓦”式的鉆桿制造復(fù)雜，鉆桿容易縱向彎曲，新瓦更換操作繁瑣等。文獻［2－3］對深孔鉆床及鉆桿進行了比較深入的研究。在參考前人研究的基礎(chǔ)上，針對上述問題并采用新技術(shù)對鉆桿組件進行改進改型 (雙改)設(shè)計。

1 深孔鉆床組成與鉆桿特點

1.1 深孔鉆床組成

深孔鉆床主要由床身、床頭箱、卡盤、鉆桿箱、進給箱、授油器、冷卻部分、工件中心架、鉆鏜桿組件等組成［4］，用于鉆、鏜、擴、滾壓等。鉆孔采用內(nèi)排屑，鏜孔采用外排屑。

1.2 鉆桿組件的功能特點

鉆桿組件主要由不同規(guī)格的鉆桿、支架、支承套等組成。深孔鉆桿與對應(yīng)的鉆頭、鏜頭、滾壓頭、組合頭等相連接。單節(jié)鉆桿長度有0.5、1.5、2 m等，以適用不同機床、不同加工深度的需求，如果加工工件較長，可以將數(shù)節(jié)鉆桿連接起來。由于深孔鉆削采用內(nèi)排屑，所以深孔鉆桿是中空的，要求鉆桿外圓具有較高精度，須用專用設(shè)備進行加工，鉆桿內(nèi)孔要求較低，鉆通或擴孔到尺寸即可，若是套料鉆桿，則內(nèi)孔也應(yīng)加工到一定精度。為了防止鐵屑堵塞并減少不必要的接觸面，避免因摩擦產(chǎn)生高熱而燒壞鉆頭，鉆桿直徑通常小于鉆頭。

由此可見，在深孔加工中，由數(shù)節(jié)連接起來的鉆桿一般長達數(shù)米、數(shù)十米，如30 m深孔鉆床，連接起來的鉆桿總長超過33 m［5］，且是中空的，還要保證很強的剛性、鉆桿軸線與孔端面的垂直度等，因此鉆桿支架的作用就顯得尤其重要。

2 鉆桿支架在深孔加工中的作用

2.1 鉆桿支架

鉆桿支架在深孔加工中起到十分重要的作用，它由支架主體和支承套兩大部件裝配組成，支承套是鉆桿支架的重要部件，其設(shè)計質(zhì)量的高低與深孔鉆孔和套料加工效率有直接關(guān)系。

(1)支點作用

鉆桿支架支承鉆頭、套料刀、鏜頭和鉆桿等工藝裝備的重力，同時減弱或抵消工藝裝備重力對鉆桿產(chǎn)生的縱向彎曲變形。工作時，一方面使鉆桿通過該支點傳遞扭矩與進給;另一方面，穩(wěn)定整個鉆桿系統(tǒng)，使其保持動態(tài)平衡。

(2)確定中心高

鉆桿支架的結(jié)構(gòu)和尺寸確定后，鉆桿中心與機床床面的中心高也就確定了，具有鉆桿定位作用。

(3)消振作用

鉆桿支架能消除或減輕鉆桿 (含各種刀具、鏜頭)在加工過程中引起的振動，特別是在鉆孔和套料刀具切削過程中的振動，否則可能打壞刀具。因此，由鉆桿、支架、支承套組成的鉆桿支架系統(tǒng)具有消除鉆桿振動的作用。

2.2 鉆桿支架的數(shù)量

一般是根據(jù)深孔鉆鏜床的最大鉆孔深度來確定鉆桿支架的數(shù)量。

2～3 m深孔鉆床的支架是1個;

5～8 m深孔鉆床的支架是2個;

10～15 m深孔鉆床的支架是3個;

20～30 m深孔鉆床的支架是4～5個。

3 現(xiàn)有鉆桿支架研究

3.1 上下半瓦鉆桿支架

“上下半瓦”式鉆桿支架結(jié)構(gòu)如圖1所示。支承套的上、下兩半瓦一般由機床廠家采用黃銅鑄造再由機械精密加工而成，并隨機床配備;小支承套則根據(jù)深孔加工現(xiàn)場由用戶自行配作。為防止小支承套隨鉆桿前進、后退時從上、下半瓦孔中掉出，采用擋板、螺釘分別擋住兩端的小支承套。上、下半瓦右端外圓上加工有一凹槽，用于放置兩塊筋板，筋板可使上、下支承套與鉆桿支架上的φ310孔固定，以確定支承套與支架的相對位置。因鉆桿中心架的局限性，鉆桿套外圓直徑 φ310不能改變［6］，但長度可作適當(dāng)調(diào)整，當(dāng)鉆桿支架前、后移動時，上、下半瓦可同時移動。半瓦有兩種規(guī)格:320 mm寬的用于導(dǎo)向中心架，178 mm寬的用于鉆桿支架。其優(yōu)點為:

(1)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計、制造周期短;

(2)更換鉆桿時，可分別起吊上、下半瓦及鉆桿，故起吊時對鉆桿產(chǎn)生縱向彎曲變形影響較小。

圖1 上下半瓦式鉆桿支承套結(jié)構(gòu)

主要缺點是:

(1)支承套長期使用后，上、下半瓦之孔徑經(jīng)磨損后逐漸增大，與鉆桿外圓間隙也逐漸增大，又無法調(diào)整其間隙，振動很難消除，且容易損壞刀具。

(2)上、下半瓦的內(nèi)孔面均澆鑄有少量巴氏合金，巴氏合金中含有銻、銅、鉛、錫等金屬，價格較高。更換新瓦時費工費時。

(3)更換鉆桿時因分別吊起上半瓦、鉆桿和下半瓦，故輔助工時比整體式結(jié)構(gòu)支承套要增加一倍以上［7］。

3.2 四瓣瓦鉆桿支架

“四瓣瓦”鉆桿支架［8］如圖2所示。其優(yōu)點是:(1)因支承套內(nèi)采用四瓣瓦結(jié)構(gòu)，當(dāng)順時針方向擰緊螺帽時四瓣瓦產(chǎn)生徑向收縮，瓦的內(nèi)孔將鉆桿外圓抱緊，可消除瓦與鉆桿之間的間隙，可以及時消除鉆桿振動和減少刀具的損壞。(2)操作方便，瓦與鉆桿之間的間隙可隨時調(diào)整。(3)更換鉆桿時可一次起吊鉆桿和支承套，縮短輔助工時。(4)更換支承套時，依靠支承套外圓和縱向兩個凸臺可以達到與鉆桿支架孔迅速而準(zhǔn)確的定位。其缺點是:(1)該支承套內(nèi)的四瓣瓦制造較復(fù)雜，采用QT60-2材料，價格較高。(2)更換四瓣瓦時，手工操作較繁瑣。(3)更換鉆桿時，易引起鉆桿縱向彎曲，特別是直徑較小的鉆桿。

圖2 “四瓣瓦”鉆桿支架結(jié)構(gòu)

4 深孔鉆桿組件雙改設(shè)計

理論上講，只要鉆頭始終處于孔中心位置，且鉆桿的擺幅越小，加工出的孔就越直［8］。實際加工時，鉆桿始終處于進給和回轉(zhuǎn)的動態(tài)力學(xué)狀態(tài)，鉆桿的擺幅受兩個因素制約:軸向作用力和回轉(zhuǎn)的離心力。鉆孔時鉆桿受壓而不是受拉，細長桿必彎;鉆桿旋轉(zhuǎn)，受到離心力作用必然出現(xiàn)一定的擺幅。所以，鉆桿箱、鉆桿支架、鉆桿導(dǎo)向架等均會影響孔的加工精度;在進行改進改型的雙改設(shè)計中必需一起考慮。

4.1 采用液壓減振技術(shù)改造鉆桿支架

采用液壓減振技術(shù)研制的液壓減振支承套也叫減振器，結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中元件7為夾布膠木減振錐。工作時，壓力油分成兩路，一路進入到變壓力端的油缸，另一路進入到不變壓力端的油缸。壓力油由液壓缸供油系統(tǒng)供給。當(dāng)鉆桿與減振錐配合間隙較大時，變壓力端增大壓力推變壓力端降低壓力，減振錐退回變壓力端。這樣，液壓減振裝置既保證了減振錐與鉆桿緊密接觸并和鉆桿液一起轉(zhuǎn)動，又保證了鉆桿實現(xiàn)軸向進給運動。

圖3 液壓減振器結(jié)構(gòu)

采用液壓減振器對深孔鉆桿組件進行改型設(shè)計，需要在每個鉆桿支架上配備液壓缸，壓力大小根據(jù)鉆桿直徑來調(diào)整。參考數(shù)據(jù)見表1，通過自動控制系統(tǒng)來實現(xiàn)調(diào)整。

4.2 鉆桿支架布局分析

要提高深孔加工精度，除了找好機床各部件的幾何精度外，鉆桿支架的合理布局也是鉆桿系統(tǒng)改進改型設(shè)計的重要內(nèi)容。

深孔切削中，鉆桿受壓，細長的深孔鉆桿會發(fā)生彎曲變形，鉆桿系統(tǒng)實際受力與變形如圖4所示。L1、L2、L3越大，δ1、δ2、δ3就越大［9］。對于一個鉆桿支架來說，鉆桿支架不是位于導(dǎo)向架和鉆桿箱的中間位置而是位于靠近導(dǎo)向架為好，這樣δ1小，鉆頭的傾斜越小，鉆出的孔偏心就小。由傳遞順序和衰減次數(shù)的關(guān)系［1］可知:δ4是經(jīng)過 δ3、δ2到 δ1的，是 2次指數(shù)衰減;δ3是經(jīng)過δ2到δ1的，是1次指數(shù)衰減;所以δ4大了δ1卻不大。對于多個鉆桿支架，它們之間的間距并非均勻布置，而是從導(dǎo)向架向后間距逐漸增大的。因此，為了便于調(diào)整鉆桿各支架之間的距離，以適應(yīng)不同工況，故將多個支架做成活動可調(diào)的。

圖4 鉆桿系統(tǒng)實際受力與變形

4.3 鉆桿支架改進設(shè)計

根據(jù)鉆桿支架的布局分析，對鉆桿支架進行改進設(shè)計。鉆桿支架安裝在右部床身上，用于支持鉆桿。依靠掛鉤，由鉆桿箱牽引支架在床身上往復(fù)移動，借助支架外側(cè)的撞塊，可以將其停在所需要位置，性能可靠、操作輕便，能滿足φ50～300 mm孔加工的不同鉆桿支承需求。鉆削時，鉆桿支架盡可能前移縮短L1間距，鉆孔質(zhì)量更佳。

4.4 鉆桿箱單配潤滑系統(tǒng)及操控面板

鉆桿箱及電機安裝在托板上，在導(dǎo)軌上可作往復(fù)移動，單配潤滑系統(tǒng)可以改善潤滑條件并加快冷卻。正常走刀 (進給)由絲杠帶動，快速移動則由快速移動電機驅(qū)動減速器實現(xiàn)。鉆、鏜桿可以旋轉(zhuǎn)也可固定，若需固定鉆桿，只需將主軸前端的止動塊裝上即可，鉆桿箱具有12級變速，其轉(zhuǎn)速范圍為30～500 r/min，通過操縱控制面板進行操控。

4.5 采用導(dǎo)向中心架

導(dǎo)向裝在右部床身上，可沿導(dǎo)軌作2 m以內(nèi)的機動或手搖移動，導(dǎo)向孔內(nèi)支持著授油器，以便將具有較大壓力的冷卻液輸入工件孔內(nèi)。在授油器的前端裝有可換的刀具導(dǎo)向套，將刀具正確地導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)中心上。當(dāng)鏜孔時，取下授油器換上鏜削支承套，變?yōu)殓M削導(dǎo)向支承架。在導(dǎo)向架上設(shè)有主操作臺，操縱方便。

4.6 改進授油器適應(yīng)不同鉆頭或鉆桿

授油器裝在導(dǎo)向中心架上，它是一個圓柱形部件，用于鉆孔時內(nèi)排屑輸送壓力冷卻液。它前端的導(dǎo)向套可根據(jù)鉆頭直徑調(diào)換規(guī)格，后端鉆桿的支持套可根據(jù)鉆桿的直徑變換規(guī)格，授油器上配有操縱控制面板，方便卸拆授油器。

5 應(yīng)用效果

應(yīng)用液壓減振技術(shù)對Q1-024(8 m鉆)深孔鉆床的鉆桿組件等關(guān)鍵件進行雙改設(shè)計后，鉆孔質(zhì)量明顯改善，“雙改”后的Q1-024深孔鉆床，最大鉆孔深度為8 m，滿負(fù)荷鉆削時，液壓減振裝置支承套緊緊箍住鉆桿，徑向間隙小，鉆桿運動平穩(wěn)，加工精度高，孔出口最大偏差1.25 mm，最小0.5 mm;將鉆桿支架調(diào)整到適當(dāng)位置后，孔出口最大偏心可控制在0.7 mm以內(nèi)，精度比“雙改”前提高兩倍以上。

6 結(jié)束語

應(yīng)用液壓減振技術(shù)對Q1-024深孔鉆床的鉆桿組雙改取得成功后，又對Q1-010(10 m鉆)、TD21150(15 m鉆)進行了雙改，達到了預(yù)期效果，證明液壓減振器裝置——減振器的效果較好。減振器在鉆桿支架上的使用，極大改善了深孔加工刀具工作狀態(tài)，提高了刀具壽命和生產(chǎn)效率，液壓減振器技術(shù)預(yù)示了支承套的發(fā)展趨勢，對設(shè)備改造具有積極意義。

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