才旦扎西 王風(fēng)山 陶宗亮

（青海一機(jī)數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司，青海西寧 810018）

1 機(jī)床主軸中的深孔及DF系統(tǒng)簡介

在整個(gè)機(jī)床主軸的制造過程中，加工主軸松拉刀孔是制約主軸規(guī)?；a(chǎn)的主要瓶頸之一。松拉刀孔位于主軸中心，是一個(gè)貫穿整個(gè)主軸全長的通孔，通過這個(gè)孔，拉刀桿將刀柄拉緊并定位于主軸前端的錐面上，如圖1所示。按照對深孔的界定，任何孔深大于10倍直徑都應(yīng)稱為深孔。通過對主軸序號為40和50的兩類鏜、銑類主軸的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，主軸拉刀孔的深徑比在26.6～35之間，均屬于深孔。

松拉刀孔之所以成為制約主軸生產(chǎn)的瓶頸有兩方面的原因。其一，由于主軸經(jīng)過鍛造后為一實(shí)心圓柱料，在實(shí)心料上用普通麻花鉆鉆深孔是不得已才采用的一種方法，因而也就成了最費(fèi)工，費(fèi)時(shí)的一項(xiàng)工作。僅鉆孔就占用了整個(gè)粗車工序近1/2～2/3的時(shí)間，孔的精度也只能達(dá)到IT11～I(xiàn)T14級，孔軸線的直線度偏斜量在實(shí)際加工過程中達(dá)到1～2 mm（在600 mm長度上測量）。而且此孔是后序中加工外圓的工藝基準(zhǔn)，孔的質(zhì)量對后序影響很大，必須給予足夠的重視。

其二，現(xiàn)代機(jī)床制造技術(shù)向著高速、高精度的方向發(fā)展，目前國內(nèi)外加工中心的主軸最高轉(zhuǎn)速一般在8 000～12 000 r/min，而采用電主軸的高速機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速則更高。當(dāng)機(jī)床的主軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，即使只有很小的偏心距，也會產(chǎn)生非常大的不平衡離心力。不平衡量引起的振動(dòng)和噪聲會很大，使機(jī)床主軸無法達(dá)到設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)平衡程度等級的推薦值，機(jī)床主軸的平衡精度定為G1，這時(shí)主軸組件整體的偏心量也僅為幾個(gè)微米。雖然整個(gè)主軸組件的組成零件嚴(yán)格按對稱性來設(shè)計(jì)，但主軸孔內(nèi)的偏斜量就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這個(gè)限度，即使在后續(xù)加工工序中多次從外圓上去除材料來修正中心，但無法校正孔自身直線度差的缺陷，所以對于主軸部件來說還是很難達(dá)到高的平衡精度。故主軸深孔的加工問題不僅影響生產(chǎn)效率，而且還成了制約技術(shù)提高的瓶頸。

目前應(yīng)用的深孔加工系統(tǒng)可大致分為5種基本類型:（1）帶油孔的深孔麻花鉆系統(tǒng);（2）槍鉆系統(tǒng);（3）BTA系統(tǒng);（4）噴吸鉆系統(tǒng);（5）DF鉆系統(tǒng)。但從可能加工的深度、加工精度及加工效率方面來看，能代表現(xiàn)代深孔加工技術(shù)發(fā)展方向的是槍鉆系統(tǒng)、BTA系統(tǒng)、噴吸鉆系統(tǒng)和DF鉆系統(tǒng)。這4種深孔加工系統(tǒng)有2個(gè)共同之處:（1）采用有自導(dǎo)向作用的硬質(zhì)合金刀具實(shí)現(xiàn)高速高精度加工，加工質(zhì)量、加工效率大大提高;（2）都采用高壓切削液排出切屑，潤滑刀具。

深孔加工有實(shí)體鉆削、擴(kuò)孔及套料鉆3種工藝方法，鉆孔的深徑比達(dá)到50～100，加工孔精度可達(dá)IT7～I(xiàn)T11級，孔的軸線偏斜量一般為0.1～0.3 mm/m，且生產(chǎn)效率較高，一次鉆削就達(dá)到半精加工能達(dá)到的精度及表面粗糙度。

DF系統(tǒng)是英文“Double Feeder”的縮寫，亦叫“單管噴吸鉆”或“雙加油器深孔鉆”，見圖2。它結(jié)合了當(dāng)前深孔內(nèi)排屑加工的兩種方法——噴吸鉆吸出切屑及BTA鉆推出切屑各自優(yōu)點(diǎn)的一種加工系統(tǒng)。其工作原理為:切削時(shí)約占總量2/3的冷卻液由孔的內(nèi)壁與鉆桿外徑之間的縫隙到達(dá)切削區(qū)，把切屑從鉆桿內(nèi)部推出，而另一小部分冷卻液（約占1/3）則從分路管中進(jìn)入噴嘴并向后噴射，流速增大形成噴射流。根據(jù)能量守恒原理（伯努力方程），當(dāng)比動(dòng)能增大，則比壓能下降，因此在這股噴射流的周圍形成低壓區(qū)，這樣在鉆管的前、后端存在一定的壓力差，產(chǎn)生一定的“吸力”，加速前端有切屑的冷卻液向后流動(dòng)，把切屑排出，所以特別適用于φ12 mm以上的中小直徑深孔加工。在可加工性差，不易斷屑的材料中使用時(shí)效果更為明顯。

2 方案分析與設(shè)計(jì)

在對主軸深孔的加工過程進(jìn)行分析和對幾種深孔加工方法做比較之后，我們最終選擇采用DF深孔加工系統(tǒng)，確定了在普通車床上通過技術(shù)改造，自主設(shè)計(jì)DF系統(tǒng)深孔加工所需的授油器、動(dòng)力頭及冷卻箱等主要部件，鉆頭和鉆桿選擇外購的總體方案。

由于深孔技術(shù)屬于復(fù)雜的機(jī)械加工過程，有其獨(dú)特的工作機(jī)理，自主設(shè)計(jì)其主要部件必須要對深孔加工知識和工藝過程有深入了解之后才能進(jìn)行。另外這項(xiàng)工作還涉及到加工、刀具、流體、機(jī)械結(jié)構(gòu)、密封、檢測與控制等多方面的知識，總的來說難度不小。下面從主軸深孔的加工工藝和DF系統(tǒng)的主要部件設(shè)計(jì)要點(diǎn)兩方面來做說明。

2．1 對主軸深孔加工工藝的分析

機(jī)床主軸屬于回轉(zhuǎn)類零件，在對我公司40及50序號的主軸單元作統(tǒng)計(jì)后得出如下數(shù)據(jù):材料通常為滲碳合金鋼12 CrNi3、20 Cr2Ni4及調(diào)制合金鋼40Cr等，長度小于1 000 mm，直徑小于φ150 mm，孔徑范圍為φ18～54 mm;鉆孔前經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理，硬度為150～260 HB。其中適于深孔加工的孔有通過拉桿的通孔（φ18 mm及φ28 mm，深徑比25～35）及碟簧安裝孔（φ33 mm及φ54 mm，深徑比10～15）。下面以合金滲碳鋼材料的主軸為例來說明。

在主軸的加工工藝中，深孔加工一般安排在主軸的預(yù)處理階段進(jìn)行。主軸在淬火前的工序?yàn)?鍛造—正火（校直，彎曲度小于0.5 mm）—粗車外圓及兩端面—鉆深孔—滲碳（校直，彎曲度小于0.2 mm）—找正內(nèi)孔車外圓、車內(nèi)孔及擴(kuò)孔等—鹽浴淬火。淬火后由于工件硬度提高，僅對非淬火部位進(jìn)行切削加工，而對于淬火部位只能進(jìn)行磨削，所以主要的切削過程及材料去除量要求在淬火前完成。

深孔加工適用于工件批量大、孔徑規(guī)格單一的場合。因?yàn)閷γ糠N孔徑需要配備相應(yīng)規(guī)格的鉆頭、鉆管及其他附具，所以在使用時(shí)就應(yīng)最大程度地減少或統(tǒng)一孔徑規(guī)格，這樣不僅使刀附具的種類少，便于管理，也有利于加工成本的降低。而生產(chǎn)現(xiàn)場的情況卻與此要求相差很遠(yuǎn)，企業(yè)內(nèi)產(chǎn)品品種多，主軸的結(jié)構(gòu)類型和尺寸也不盡相同，若要深孔加工技術(shù)去適應(yīng)這種多規(guī)格的加工對象是很不適宜的，那么如何將深孔加工技術(shù)應(yīng)用到機(jī)床主軸的加工中去，這給我們出了一道難題。

對于機(jī)床主軸中像松拉刀孔這類孔，應(yīng)用深孔加工技術(shù)的目的主要是提高效率和降低勞動(dòng)強(qiáng)度，并為孔及外圓的后序加工提供一個(gè)好的基準(zhǔn)。所以我們采用如下的方法:在工件（主軸）還是實(shí)心料狀態(tài)時(shí)，將不同種類主軸上松拉刀的孔的孔徑統(tǒng)一成一至兩種，采用深孔加工方法完成通孔加工，而像碟簧安裝孔等其余規(guī)格的孔再以通孔為基礎(chǔ)用麻花鉆擴(kuò)孔來完成。此方法的優(yōu)點(diǎn)是，將不同種類的工件統(tǒng)一匯總后使工件的批量得到加大，孔徑規(guī)格得到統(tǒng)一，可以充分發(fā)揮深孔加工技術(shù)在實(shí)心料鉆孔中的高效和高精度的優(yōu)勢，而對其余深徑比不大的各孔，在通孔的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)孔其加工難度也比以前大大降低，不再成為影響生產(chǎn)進(jìn)度的一個(gè)瓶頸問題。

2．2 DF系統(tǒng)主要部件的設(shè)計(jì)要求

（1）授油器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

授油器的主要功能是為鉆頭提供穩(wěn)定的、帶壓力的切削液。授油器安裝在車床的導(dǎo)軌上（圖3），工作時(shí)靠緊工件端面、密封切削液、并隨著工件旋轉(zhuǎn)。當(dāng)工件的長度改變時(shí)還應(yīng)便于移動(dòng)和拆卸。授油器前端隨工件進(jìn)行低速旋轉(zhuǎn)，后端隨鉆桿高速旋轉(zhuǎn)，在鉆桿方向還要有一定的移動(dòng)量，以便于與工件端面密封、工件裝夾、鉆頭裝卸和檢查。授油器前端的導(dǎo)向套定心精度要求高，磨損后要便于更換。該授油器的設(shè)計(jì)工作范圍是從φ15～65 mm，覆蓋整個(gè)DF系統(tǒng)深孔鉆適宜的加工范圍。

（2）連接器及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

這部分結(jié)構(gòu)的主要功能是為鉆管提供動(dòng)力和在鉆桿末端產(chǎn)生吸出切屑的負(fù)壓。連接器固定在車床的溜板箱上，隨溜板箱的移動(dòng)產(chǎn)生進(jìn)給。設(shè)計(jì)的加工范圍是φ18.4～28 mm，能滿足常用的從40號主軸到50號鏜、銑類加工中心主軸的深孔加工。由于深孔加工對切屑的形狀有特殊的要求，需要切削速度和進(jìn)給量的配合來實(shí)現(xiàn)對不同材料切屑形狀的控制，以滿足排屑的要求。這需要鉆頭的速度在一定的范圍能調(diào)整，另外當(dāng)孔徑不同時(shí)，鉆頭的轉(zhuǎn)速也應(yīng)隨著變化，以滿足功效的要求。所以鉆頭的驅(qū)動(dòng)裝置還應(yīng)有調(diào)速功能，此功能用變頻器來實(shí)現(xiàn)。

（3）冷卻及排屑系統(tǒng)

切削液在深孔加工中起著冷卻、潤滑、沖刷、減振和消聲的作用。冷卻排屑系統(tǒng)主要由油箱、排屑箱、油泵、過濾裝置和液壓件等組成。

在加工鋼件時(shí)宜選用低粘度油類冷卻潤滑液，最好選用專用的深孔加工切削液。我們在試驗(yàn)時(shí)選用的“長城”牌特種切削油（M0006），使用效果也不錯(cuò)。使用時(shí)保持冷卻液的清潔非常重要。臟的冷卻液會導(dǎo)致孔壁上潤滑膜的破壞，或使直徑小的深孔鉆油路堵塞，也容易使油泵和閥門等液壓元件過早地磨損。我們采取的措施是采用迷宮式的回油路線，以盡量增加冷卻液在油箱內(nèi)的流動(dòng)距離，減緩流動(dòng)的速度，保證污物能有足夠的時(shí)間來沉淀;此外泵進(jìn)油口還需加裝一定精度的濾油裝置，并且在回流的路徑上及泵進(jìn)油口處放置磁鐵以吸附冷卻液中微小的鐵屑。

油泵的壓力和流量一般根據(jù)所加工孔的孔徑確定。查閱山特維克深孔加工樣本知，對于φ18.4～28 mm的孔，切削液流量小于100 L/min，壓力小于2 MPa。我們選取流量為80 L/min，壓力為2.5 MPa的齒輪泵。

油箱容積在條件容許的情況下盡量的大。理想的情況是油箱容量一般為油泵每分鐘輸出量的5～10倍，以保證切削液能正常冷卻及污物的沉淀和分離。但在車床上進(jìn)行改造時(shí)，油箱高度和寬度要受到車床中心高和床身后面空間的限制，往往達(dá)不到上述要求。最后油箱的容積定為500 L，實(shí)際裝油量約為400 L。

（4）安全保護(hù)

由于深孔加工的刀具比較嬌貴，而且整個(gè)切削過程是在半封閉的狀況下進(jìn)行，所以安全檢測裝置顯得尤為重要。目前深孔加工中較為先進(jìn)的方法是對鉆桿的進(jìn)給力、轉(zhuǎn)矩及鉆管內(nèi)冷卻液壓力進(jìn)行的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。由于我們條件所限采取了下面的保護(hù)措施:用車床自身的落下蝸桿結(jié)構(gòu)來進(jìn)行進(jìn)給保護(hù)，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)定一個(gè)值，當(dāng)進(jìn)給力超出后，自動(dòng)斷開進(jìn)給傳動(dòng)鏈;采用壓力檢測保護(hù)，當(dāng)切屑發(fā)生阻塞時(shí)，授油器中的壓力會增高，壓力開關(guān)發(fā)出信號，由電氣控制停車;采用電氣順序保護(hù)，油泵電動(dòng)機(jī)與鉆桿驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)要有啟動(dòng)順序的要求，先起動(dòng)油泵電動(dòng)機(jī)再起動(dòng)連接器電動(dòng)機(jī)，以免因起動(dòng)順序錯(cuò)誤而造成連接器內(nèi)部機(jī)械密封裝置因干摩擦而損壞。雖然這些措施的效果和可靠性與動(dòng)態(tài)監(jiān)測的方法相比作用有限，但還是能避免出現(xiàn)嚴(yán)重的故障。

在本方案中利用車床的卡盤夾持工件，給鉆桿也配置了驅(qū)動(dòng)裝置，工件和鉆頭相對旋轉(zhuǎn)，并以鉆頭旋轉(zhuǎn)為主，工件作輔助低速轉(zhuǎn)動(dòng)。在鉆小直徑的孔時(shí)，要求轉(zhuǎn)速高而所需的功率較小，可以選擇鉆頭旋轉(zhuǎn)工件隨動(dòng)的方式。當(dāng)所加工的孔徑較大時(shí)，要求轉(zhuǎn)速有所降低而功率增大，可選擇工件旋轉(zhuǎn)而鉆頭不轉(zhuǎn)動(dòng)的方式，這時(shí)可充分發(fā)揮車床主軸功率大的優(yōu)勢，而不必為鉆桿配備大功率的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，從而簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，避免了浪費(fèi)。這種車床主軸和鉆桿都帶動(dòng)力的方案具有較強(qiáng)的靈活性和實(shí)際意義。例如用70 m/min的切削速度鉆φ18.4 mm的孔時(shí)，鉆頭的轉(zhuǎn)速達(dá)到近1 200 r/min，這時(shí)可選用鉆頭作高速旋轉(zhuǎn)，而工件作輔助的低速相對轉(zhuǎn)動(dòng)，不僅能滿足孔直線度要求，也避免了工件作高速轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的一系列問題。另外本方案不需要對工件端面預(yù)先加工導(dǎo)向孔，這點(diǎn)對于主軸的批量化生產(chǎn)有著重要意義。

表1

3 結(jié)語

以φ18 mm鉆頭加工長度為630 mm的主軸為例，改進(jìn)前后的對比見表1。

通過表1可看出，采用DF系統(tǒng)深孔加工方法后孔的精度、表面粗糙度及直線度有很大程度的提高，刀具成本約為原來的4倍，工時(shí)降為原來的1/3。綜合考慮節(jié)省勞動(dòng)力成本和工件年產(chǎn)量的增加所帶來的效益來計(jì)算，總體的經(jīng)濟(jì)效益仍然可觀。而且從勞動(dòng)力成本逐年增加的趨勢來看，其意義會顯得越來越重要。

總的看來，通過這次的技術(shù)革新，普遍認(rèn)為費(fèi)用較高的深孔加工技術(shù)應(yīng)用到機(jī)床主軸類工件加工，是一次有益的嘗試，不僅解決了主軸批量化生產(chǎn)時(shí)效率低和勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題，而且提高了深孔的加工質(zhì)量，為降低主軸加工成本帶來了很大的空間。

［1］王世清．深孔加工技術(shù)［M］．陜西:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003．

［2］郎慧勤．機(jī)床主軸動(dòng)平衡及其平衡精度標(biāo)準(zhǔn)選擇［J］．機(jī)床，1984（4）:26－29．

［3］樊鐵鑌．實(shí)心料的深孔加工［M］．成都:《工具展望》編輯部，1988．

［4］山特維克公司．深孔鉆削—產(chǎn)品樣本及應(yīng)用指南［Z］．2005．

［5］北京市《金屬切削理論與實(shí)踐》編委會．金屬切削理論與實(shí)踐:下冊:第一分冊［M］．北京:北京出版社，1980:544－545．

［6］薛萬夫，孫苗琴，孫國忠．深孔加工技術(shù)及其應(yīng)用［M］．陜西機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)，1990，6（3）:161 －169．

［7］程峰，鄭愛萍，關(guān)世璽．過載檢測與保護(hù)技術(shù)在深孔加工中的應(yīng)用［J］．機(jī)械管理開發(fā)，2005，86（5）:45－46．

［8］關(guān)世璽，程峰．一種新型的深孔負(fù)壓裝置研究［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009，5（5）:112 －114．

［9］王峻．現(xiàn)代深孔加工技術(shù)［M］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社．2005．

［10］張社就，楊曉紅．用車床加工深孔的方法與裝置［J］．工具技術(shù)，2008，42（8）:72 －73．

［11］呂云嵩．深孔槍鉆切削液系統(tǒng)改造［J］．中國設(shè)備工程，2002（10）:19－21．

［12］汪志明．DF深孔鉆削系統(tǒng)負(fù)壓機(jī)理研究［J］．太原機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)，1986，12（2）:75 －84．

［13］蘇俊清，左連春，劉志加．DF系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］．一重技術(shù)，2000（1）:40－42．