深孔鉆鏜床輸油器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究

張 煌，李耀明，沈興全，董 振

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

在深孔鉆削技術(shù)中，由于內(nèi)排屑深孔加工處于封閉狀態(tài)下進(jìn)行，加之惡劣的切削條件，獨(dú)特的加工工藝，形成了其加工過程中排屑難、冷卻難、潤(rùn)滑難、工具系統(tǒng)剛度低等經(jīng)典難題［1］．為此需要配置專用的輔具——輸油器，將高壓的切削液導(dǎo)入切削區(qū)來保證冷卻、排屑．同時(shí)要求輸油器主軸與機(jī)床主軸同心，旋轉(zhuǎn)精度高；密封性好，保證冷卻液不外溢；對(duì)不同直徑的刀具，要求更換方便，具有一定的通用性．

隨著鉆孔深度的增加，因供油通道或排屑通道過長(zhǎng)而產(chǎn)生油壓降低，鉆頭直徑的大小，對(duì)油壓和流量的要求不相同．對(duì)于一定的鉆頭直徑和切削液，油壓的合理值和合理的變動(dòng)范圍成為順暢排屑的必要條件［2］，更加突出了輸油器的重要性．

1 輸油器的作用

輸油器是深孔加工系統(tǒng)中輔具的關(guān)鍵要素之一，同時(shí)輸油器也是個(gè)薄弱環(huán)節(jié)［3］．其主要作用為：輸油器上的導(dǎo)向套與工件的尾端內(nèi)錐面緊密頂緊形成密封并定心，輸油器由液壓系統(tǒng)及牙輪包、齒輪齒條被夾緊在導(dǎo)軌上；切削液通過輸油器從鉆桿外壁與已加工表面之間的環(huán)形空間進(jìn)入，到達(dá)刀具頭部進(jìn)行潤(rùn)滑，并將切屑經(jīng)鉆桿內(nèi)部強(qiáng)迫推出，帶走大量的切削熱；導(dǎo)向套與工件嚴(yán)格同心，以正確引導(dǎo)刀具進(jìn)入工件；支撐鉆桿，增加其剛性，防止振動(dòng)．

2 輸油器問題分析

在實(shí)際加工中，所加工工件為空心車軸（如圖1 所示），其材料為EA4T，長(zhǎng)度為2 240mm，加工孔徑為Φ30＋1－0mm，長(zhǎng)徑比達(dá)到74∶1，粗糙度Ra0．8，尺寸精度IT5．所用設(shè)備是T2120深孔鉆鏜床，山東德州巨泰機(jī)床廠生產(chǎn)，主要技術(shù)規(guī)格為：鉆孔直徑Ф30 ～Ф80 mm；中心高度350mm；主軸轉(zhuǎn)速范圍61～1 000r／min，12級(jí)；進(jìn)給速度5～250mm／min（無級(jí)）；工件夾持直徑Ф60 ～Ф300 mm；主 電 機(jī)N ＝30 kW，n ＝1 460r／min．由于加工設(shè)備的限制及嚴(yán)格的加工要求，使得加工處于該機(jī)床加工范圍的臨界尺寸，這對(duì)深孔機(jī)床是個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而輸油器又兼顧多重的重要作用，在加工中便出現(xiàn)了問題．

圖1 空心車軸Fig．1 Hollow axles

2．1 鉆削加工缺陷

1）當(dāng)工件夾緊后，啟動(dòng)輸油器液壓裝置，輸油器內(nèi)部結(jié)構(gòu)即刻向前推進(jìn)2～3mm，導(dǎo)致加工系統(tǒng)不穩(wěn)定．

2）輸油器的前端如圖2 所示，加工0．5h 后溫度驟然升高，用手接觸有明顯的燙手感覺．

圖2 輸油器頭部Fig．2 Oil feeder head

3）軸承潤(rùn)滑脂不斷泄漏，導(dǎo)致要不斷地加潤(rùn)滑脂，以防止軸承干摩擦．

4）加工Ф60孔時(shí)，加工質(zhì)量良好；而同樣的材料、參數(shù)，在加工Ф30孔時(shí)，軸線偏斜嚴(yán)重，容易出現(xiàn)不合格品．實(shí)際加工后經(jīng)測(cè)量壁厚值為：內(nèi)孔Ф30．36mm，壁厚（如圖1 右）（56．26mm，55．70mm），（54．62mm，57．38mm）．

2．2 理論分析

2．2．1 輸油器力學(xué)分析

在加工Ф60的通孔時(shí)，加工質(zhì)量、機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)等都比較良好，當(dāng)加工孔徑減小1／2時(shí)，使得鉆桿外壁與已加工表面的環(huán)形空間減小，切削液流通量減小，切削液壓力升高，使斷屑、排屑困難．輸油器由液壓裝置及牙輪包由齒輪嚙合夾緊，啟動(dòng)機(jī)床輸油器內(nèi)部結(jié)構(gòu)向前推進(jìn)2～3mm，說明輸油器內(nèi)部油壓過高，這就需要降低切削液的壓力以平衡工件夾緊力．

輸油器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3 所示，計(jì)算液壓系統(tǒng)的夾緊力F夾緊，及切削液對(duì)輸油器的推力F推．

已知在實(shí)際加工中的夾緊壓力為2 MPa，切削液壓力為1．5 MPa，1 MPa＝10．2kg／cm2．查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［4］，

式中：S1為支撐軸的右端外截面面積；S2為支撐軸的右端內(nèi)截面面積；S3為空心軸內(nèi)截面面積；S4為BTA 鉆頭外圓面積；p 為油壓壓強(qiáng)，MPa．

圖3 輸油器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．3 Oil feeder system structure

由于軸承部分未定位，易發(fā)生錯(cuò)位，向前推移3mm，由力學(xué)關(guān)系可以得出

解得

夾緊力F夾緊與工件對(duì)輸油器的推力為作用力與反作用力，F(xiàn)夾緊遠(yuǎn)小于F推，而深溝球軸承的內(nèi)圈由空心軸2定位，導(dǎo)套座又與空心軸連接，工件與導(dǎo)套夾緊使得導(dǎo)套座、空心軸都得到定位，在切削液的作用下，軸承無法承受切削液的壓力，軸承的外圈與內(nèi)圈發(fā)生錯(cuò)位，這就使得輸油器內(nèi)部結(jié)構(gòu)向前推進(jìn)2～3mm，滾珠與內(nèi)外圈之間發(fā)生摩擦，導(dǎo)致輸油器頭部溫度急劇升高．

2．2．2 深溝球軸承摩擦熱量的計(jì)算

軸承運(yùn)行產(chǎn)生的熱源主要是由接觸區(qū)的摩擦損失和滾動(dòng)阻力共同作用的結(jié)果．運(yùn)用A．Palmgren［5］通過實(shí)驗(yàn)獲得的計(jì)算軸承摩擦力矩的經(jīng)驗(yàn)公式，摩擦力矩主要由空載時(shí)潤(rùn)滑油粘性產(chǎn)生的摩擦力矩Mo和與速度無關(guān)的載荷作用產(chǎn)生的摩擦力矩Mi兩部分組成，摩擦力矩分配在內(nèi)外溝道接觸區(qū)的局部分量為［6］

式中：Di為內(nèi)圈溝道直徑，m；Do為外圈溝道直徑；Db為滾子直徑；Dm為滾子節(jié)圓直徑；pr為當(dāng)量動(dòng)載荷（有插值法計(jì)算其參數(shù)），N；Z 為滾子數(shù)；fo為決定于設(shè)計(jì)和潤(rùn)滑的系數(shù)；f1為決定于設(shè)計(jì)與載荷的系數(shù)；vn為潤(rùn)滑脂的運(yùn)動(dòng)粘度；n 為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，r／min．

摩擦熱等于摩擦力矩與轉(zhuǎn)速的乘積，對(duì)于內(nèi)、外圈溝道接觸區(qū)產(chǎn)生的摩擦熱分別為［7］

2．3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

軸承的發(fā)熱量與軸承的結(jié)構(gòu)、載荷、潤(rùn)滑和運(yùn)動(dòng)等因素有關(guān)．通過分析可知引起軸承溫升的主要原因是軸承的摩擦力矩．軸承中的摩擦力矩主要由三部分組成：外載荷引起的摩擦力矩，粘性摩擦力矩，自旋摩擦力矩［8］．實(shí)例中，由于軸承受力過大，潤(rùn)滑脂不斷泄漏，其摩擦熱量的產(chǎn)生主要由外載荷作用引起．軸承內(nèi)、外圈與滾動(dòng)體接觸間隔很短，可以假設(shè)軸承內(nèi)、外圈各個(gè)部位同時(shí)與滾動(dòng)體接觸，將滾動(dòng)體簡(jiǎn)化為一個(gè)圓環(huán)處理，根據(jù)61852M 型深溝球軸承參數(shù)（外徑Do為320mm，內(nèi)徑Di為260mm，寬度為28mm，滾動(dòng)體直徑Db為30mm，滾動(dòng)體個(gè)數(shù)28，額定靜載荷為128kN，軸承平均直徑Dm為290mm，額定動(dòng)載荷為95kN），在Pro／E 中建立模型，導(dǎo)入Deform 軟件進(jìn)行模擬分析．實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證其在外載荷作用下軸承運(yùn)轉(zhuǎn)20min 后的溫度場(chǎng)分布．

其分布特點(diǎn)如圖4 和圖5 所示．圖4 中，外圈與滾珠接觸處溫度最高，可達(dá)198 ℃，由于外圈不動(dòng)，吸收的熱量只能靠外表面于箱體的熱傳導(dǎo)及滾動(dòng)體帶走熱量的方法散熱，此處受到大量的摩擦熱量來不及散出，從而使外圈的溫度很高；最低溫度分布在內(nèi)圈，為124 ℃．外圈的溫度變化范圍在160～198 ℃之間，滾珠的溫度變化范圍在143～198 ℃之間；圖5 中，內(nèi)圈溫度變化在127～167 ℃之間．所用潤(rùn)滑脂的工作溫度范圍在－20～120 ℃，在外載荷的作用下軸承的最低溫度明顯高于其正常工作溫度．

圖4 外載荷作用下溫度分布Fig．4 Temperature distribution under external loading

圖5 內(nèi)圈溫度分布Fig．5 Inner ring temperature distribution

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)過對(duì)問題的解析，得出了影響輸油器的最主要原因，即：切削液作用到輸油器的壓力過大，流量減小．針對(duì)問題，在不更換輸油器，不改變液壓系統(tǒng)及輸油器外部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)輸油器內(nèi)部系統(tǒng)加以優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)［9－12］．

為解決問題的根本（減小力F），而F＝S×p，p 由液壓系統(tǒng)所決定，在不改變液壓系統(tǒng)的前提下，只有減小切削液作用面積S．在原有輸油器的基礎(chǔ)上，拆除61852M 型軸承組，嵌入如圖6所示輸油器結(jié)構(gòu)（包括軸承座、軸承組、輸油器連接軸）取代原先的導(dǎo)套座、空心軸等組件，以用較小型號(hào)的6020型軸承組及軸承座，并加入輸油器連接軸代替，將輸油口安裝在輸油連接軸上，使得切削液只是進(jìn)入輸油連接軸的內(nèi)部，作用面積也只是輸油連接軸的內(nèi)部空腔面積．這樣既減小了切削液的作用面積，減小了切削液作用力，也保證了斷屑排屑所需油壓［13］．同時(shí)，為拆卸簡(jiǎn)便，連接軸用螺栓與軸承座連接．當(dāng)加工較大直徑孔時(shí)可以將此結(jié)構(gòu)拆除換用原先的結(jié)構(gòu)，使得此深孔機(jī)床得以充分利用，擴(kuò)大了其加工范圍．

圖6 改進(jìn)后輸油器Fig．6 Improved oil feeder

改進(jìn)后的輸油器受力

式中：S5為導(dǎo)套座的外截面面積．

切削液作用到輸油器的壓力遠(yuǎn)小于軸承的額定負(fù)荷，從而使軸承能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)熱量控制在允許范圍內(nèi)．同時(shí)，由于深孔加工技術(shù)和不同加工方法、不同刀具直徑，其油壓和流量是不同的，一般根據(jù)實(shí)際操作中的經(jīng)驗(yàn)值選取，油壓、流量的配合，以能實(shí)現(xiàn)正常的排屑為限．在BTA 鉆頭［14－15］上增加凹馳（如圖7 和圖8 所示），以增大通油量，使其配合油壓保障正常排屑．

圖7 正常鉆頭Fig．7 Normal drill

經(jīng)改進(jìn)后的輸油器，根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)，用上述同樣的實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證輸油器軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)5h后的溫度場(chǎng)，結(jié)果如圖9 所示．溫度最高為103 ℃，分布在軸承的外圈；最低溫度為50．9 ℃，分布在內(nèi)圈上．其溫度處于潤(rùn)滑脂的正常工作溫度范圍內(nèi)．

圖8 改進(jìn)后鉆頭Fig．8 Improved drill

圖9 軸承溫度分布Fig．9 Bearing temperature distribution

4 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)分析，軸承在切削液的作用力下，溫度明顯升高，運(yùn)轉(zhuǎn)20min 后其最低溫度也達(dá)到124 ℃，明顯高于潤(rùn)滑脂的工作溫度范圍．針對(duì)遇到的問題，在不換輸油器，不改變液壓系統(tǒng)、油壓范圍及輸油器外部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)輸油器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)，減小了切削液作用面積，降低了切削液對(duì)輸油器的作用力；在鉆頭上加凹槽，增大了通流量，保障了正常排屑，使得切削液帶走更多的熱量，從而解決了輸油器發(fā)熱及系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題，確保了加工質(zhì)量．

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