張 猛，吳伏家

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051;2.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710032)

0 引言

深孔加工是機(jī)械加工領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于石油、煤炭采掘、船舶、車輛、航空航天、冶金、模具、化工等不同行業(yè)的裝備制造，且占有越來越重要的地位［1］。隨著經(jīng)濟(jì)全球化趨勢的深化，客戶需求日益多樣化和個(gè)性化，產(chǎn)品品種持續(xù)增多、市場生命周期不斷縮短;而目前專用的深孔機(jī)床加工對象是確定不變的，且功能單一、造價(jià)昂貴，完全無法適應(yīng)這種趨勢，這直接催生了可重構(gòu)深孔加工機(jī)床的研究。

1 深孔零件族分析

可重構(gòu)機(jī)床是面對零件族而非單一零件而設(shè)計(jì)制造的，加工任務(wù)改變時(shí)需要針對具體零件的特征而重構(gòu)機(jī)床(包括硬件和軟件)。在機(jī)械制造業(yè)中，一般將孔深超過孔徑5 倍的圓柱孔稱為深孔［2］，具有深孔特征的零件的集合稱之為深孔零件族。

深孔零件按工件的外形結(jié)構(gòu)可分為:回轉(zhuǎn)體零件和非回轉(zhuǎn)體零件。對于回轉(zhuǎn)體零件一般采用工件旋轉(zhuǎn)、刀具進(jìn)給(或刀具旋轉(zhuǎn)并進(jìn)給)的方式加工，工件的裝夾比較簡單，使用三爪卡盤和中心架即可;而對于非回轉(zhuǎn)體零件的加工則要采用工件固定、刀具旋轉(zhuǎn)的方式，且需根據(jù)工件的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專門的工裝。

深孔零件按尺寸大小可分為:特小直徑深孔零件、小直徑深孔零件、中直徑深孔零件、大直徑深孔零件和超大直徑深孔零件。特小直徑深孔件是指直徑在1mm 以下的深孔，超大直徑深孔件指直徑大于180mm 的深孔，這兩類深孔件的加工一般不采用機(jī)械加工方式，而采用激光、電解或電火花等特種加工技術(shù)加工，特種加工技術(shù)亦能解決各種超強(qiáng)、超硬、超韌、超脆或超軟材料的深孔加工問題;小直徑深孔件指直徑在1mm ～18mm 的深孔，這類深孔的加工常采用槍鉆，槍鉆的應(yīng)用范圍很廣，既可用于回轉(zhuǎn)體零件的加工，又可用于非回轉(zhuǎn)體零件的加工，如輔以相應(yīng)的措施，還可加工平行孔、坐標(biāo)孔、周邊孔、交叉孔和斷隔孔等;中直徑深孔件指直徑在18mm ～65mm的深孔，常采用BTA 鉆進(jìn)行加工，BTA 鉆加工效率比槍鉆高，加工精度能滿足一般精度要求，如增加負(fù)壓裝置構(gòu)成DF 系統(tǒng)，亦可應(yīng)用于小直徑深孔的加工;大直徑深孔件指直徑在65mm ～180mm 的深孔，常常采用機(jī)夾式BTA 鉆或者采用擴(kuò)孔鉆，在機(jī)床功率不足或工件為貴重金屬材料的情況下，可采用套料鉆加工。

深孔零件按精度等級(jí)可分為:精密級(jí)和普通精度級(jí)。零件要求的精度等級(jí)與采用的加工工具密切相關(guān)。一般情況下，槍鉆的加工精度要高于BTA 鉆，但由于BTA 鉆采用內(nèi)排屑的方式，避免了切屑與已加工孔壁的接觸，可有效的減少劃痕，故其表面粗糙度要優(yōu)于槍鉆。另外，工件坯料在采用實(shí)體鉆或套料鉆加工后，如果達(dá)不到規(guī)定的精度或粗糙度要求，就需要采用深孔精加工工具進(jìn)行二次加工甚至更多次數(shù)的加工。用于深孔精加工的工具有槍鉸刀、減振鏜刀、精密磨頭和珩磨頭等。

2 深孔加工機(jī)床可重構(gòu)性分析

進(jìn)行可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)的主要目的是使機(jī)床能快速低成本地適應(yīng)被加工零件的各種變化，如尺寸大小變化、幾何形狀變化、產(chǎn)品批量變化、加工工藝變化、精度要求變化和材料屬性變化等［3］。

(1)適應(yīng)零件外形尺寸變化

對于不同外形尺寸的零件，可相應(yīng)準(zhǔn)備具有不同尺寸大小的機(jī)床模塊庫，如床身庫、導(dǎo)軌庫、工作臺(tái)庫、主軸庫等，通過改變機(jī)床模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)床的可重構(gòu)性。另外，床身還可做成標(biāo)準(zhǔn)分段式，便可根據(jù)加工工件的長度對床身隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

(2)適應(yīng)零件幾何形狀變化

對于具有不同幾何復(fù)雜性的零件，可通過添加新的運(yùn)動(dòng)單元或?qū)F(xiàn)有某一運(yùn)動(dòng)單元替換為多自由度地運(yùn)動(dòng)單元來增加機(jī)床的聯(lián)動(dòng)軸數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床的可重構(gòu)。例如，加工零件由回轉(zhuǎn)體單孔件改變?yōu)榉腔剞D(zhuǎn)體坐標(biāo)孔件時(shí)，就需要將機(jī)床由原來的工件旋轉(zhuǎn)、刀具進(jìn)給加工方式變?yōu)楣ぜ潭?、刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)給的方式，即將原來的主軸箱更換為兩坐標(biāo)工作臺(tái)(可升降和前后移動(dòng))，并添加鉆桿箱動(dòng)力頭。

(3)適應(yīng)零件生產(chǎn)批量的變化

為了提高產(chǎn)品生產(chǎn)率，機(jī)床的主軸單元可由單主軸變?yōu)殡p主軸或多主軸單元。多主軸單元是提高產(chǎn)品生產(chǎn)率的有力工具，具有不同加工速度和加工能力的模塊化主軸單元是可重構(gòu)機(jī)床響應(yīng)產(chǎn)品批量變化的最佳途徑。

(4)適應(yīng)零件加工工藝變化

由于加工工藝的變化，不僅要改變加工刀具(如槍鉆、BTA 鉆、噴吸鉆等)，深孔機(jī)床的配置(前后裝置)也要做相應(yīng)的變化。例如，槍鉆系統(tǒng)的前裝置為導(dǎo)套和集屑箱，后裝置為鉆桿卡座和授油器;而BTA系統(tǒng)的前裝置為導(dǎo)套和授油器，后裝置為鉆桿卡座及排屑裝置。另外，當(dāng)需要車外圓及加工螺紋時(shí)，還可在深孔機(jī)床上集成車削模塊。

(5)適應(yīng)零件加工精度變化

與適應(yīng)零件加工工藝的變化相似，可通過改用深孔精加工工具及其輔具來適應(yīng)零件加工精度要求的變化。但值得注意的是，可重構(gòu)機(jī)床由模塊組成，其中每一模塊都具有特定的接口。在這種情況下，機(jī)床重構(gòu)會(huì)引起疊加誤差，影響機(jī)床精度。另外，加工精度同時(shí)還受機(jī)床的靜態(tài)剛度、動(dòng)態(tài)剛度和熱變形的影響。

3 可重構(gòu)深孔機(jī)床的設(shè)計(jì)目標(biāo)

可重構(gòu)深孔加工機(jī)床的設(shè)計(jì)目標(biāo)是要提供一臺(tái)面向深孔零件族內(nèi)零件加工的可重構(gòu)機(jī)床，具體要求如下:

(1)可重構(gòu)深孔加工機(jī)床要具有模塊化的結(jié)構(gòu)及統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的接口，即實(shí)現(xiàn)深孔機(jī)床及其元、器、部件和軟件的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化。模塊化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的前提，以下目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)都要以此為基礎(chǔ)。

(2)可重構(gòu)深孔加工機(jī)床要填平深孔機(jī)床在加工直徑范圍上的鴻溝，通過模塊的重新配置與組合，方便地實(shí)現(xiàn)槍鉆系統(tǒng)(外排屑方式)與BTA 系統(tǒng)、噴吸鉆系統(tǒng)及DF 系統(tǒng)(內(nèi)排屑方式)的轉(zhuǎn)換，使廣大企業(yè)不再為必須同時(shí)擁有內(nèi)、外排屑兩類機(jī)床而擔(dān)憂。企業(yè)可以根據(jù)自身所需要的深孔件孔徑范圍，選擇與之相適應(yīng)的功能模塊，組合成不同尺寸規(guī)格的深孔機(jī)床。

(3)可重構(gòu)深孔加工機(jī)床除要兼容實(shí)體鉆、擴(kuò)鉆、套料加工之外，還要兼容鏜、鉸、珩磨等深孔精加工，甚至可集成激光、電解和超聲振動(dòng)鉆削等特種加工功能，使深孔加工方法實(shí)現(xiàn)全方位化。

(4)可重構(gòu)深孔機(jī)床應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)所有三種深孔加工方式(即工件旋轉(zhuǎn)，刀具進(jìn)給;工件固定，刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)給;工件與刀具相對旋轉(zhuǎn)，刀具進(jìn)給)，實(shí)現(xiàn)加工方式的全方位化。

4 可重構(gòu)深孔加工機(jī)床的模塊化設(shè)計(jì)

可重構(gòu)機(jī)床的主要特點(diǎn)在于其具有模塊化結(jié)構(gòu)和可重構(gòu)能力，即能夠通過對機(jī)床組成部件或模塊的重組與更替，調(diào)整其加工功能和某些性能，及時(shí)、高效地滿足被加工零件的各種變化需求。同時(shí)這也為機(jī)床部件在其生命周期內(nèi)反復(fù)重用，最大限度地實(shí)現(xiàn)設(shè)備改造、更新的節(jié)約化、高效化提供了一條有效途徑?？芍貥?gòu)機(jī)床的特點(diǎn)決定了它必須采用模塊化設(shè)計(jì)［4］。目前，深孔加工技術(shù)發(fā)展的已比較成熟，深孔裝備逐步趨向標(biāo)準(zhǔn)化，這為深孔機(jī)床的模塊化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

4.1 功能模塊的劃分

功能模塊的劃分就是根據(jù)機(jī)床不同部件的不同功能對機(jī)床的總功能進(jìn)行分解，形成不同級(jí)別、不同層次的子功能，是模塊化設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性的工作。模塊的劃分既要滿足市場需求和使用要求，又要考慮生產(chǎn)管理方便;既要達(dá)到設(shè)計(jì)簡便、模塊數(shù)量盡可能少、降低制造成本，還要考慮到該模塊系列將來的進(jìn)一步擴(kuò)展及向相近類型產(chǎn)品的輻射［5］。

根據(jù)深孔加工機(jī)床的特點(diǎn)，依據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思想，首先劃分出深孔機(jī)床的一級(jí)功能模塊:支承部件、動(dòng)力與傳動(dòng)部件、刀輔具、液壓系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)。

一級(jí)功能模塊可繼續(xù)劃分二級(jí)子功能模塊:支承部件分為床身底座、床身、拖板、工作臺(tái)等;動(dòng)力與傳動(dòng)部件分為主軸箱(動(dòng)力頭)、標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)件、電力驅(qū)動(dòng)件等;刀輔具分為刀具導(dǎo)向裝置、鉆桿支承裝置、鉆桿夾持裝置、授油裝置和排屑裝置等;液壓系統(tǒng)分為冷卻排屑、液壓夾緊、導(dǎo)軌潤滑等三個(gè)子功能模塊;數(shù)控系統(tǒng)分為軟件部分和硬件部分。

當(dāng)然，根據(jù)實(shí)際需要，二級(jí)功能模塊還可以繼續(xù)劃分。例如，主軸箱可進(jìn)一步分解為主軸、變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和箱體三個(gè)單元;冷卻排屑功能模塊又可分為切屑分離裝置、切削液過濾裝置及切削液冷卻裝置等。對功能模塊進(jìn)行分解，其劃分可大可小，可粗可細(xì)，取決于用戶對產(chǎn)品的要求及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的結(jié)果。

4.2 結(jié)構(gòu)模塊化

結(jié)構(gòu)模塊化也就是模塊具體實(shí)現(xiàn)的過程。根據(jù)機(jī)床功能與屬性的映射關(guān)系，求解出滿足對應(yīng)子功能要求的結(jié)構(gòu)模塊。其目標(biāo)是以最少的模塊組合出盡可能多種類的機(jī)床。通過機(jī)床模塊的重新組合，達(dá)到系統(tǒng)的柔性要求［6］。具體地說，可重構(gòu)深孔加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)模塊化，就是依據(jù)可重構(gòu)理論及功能模塊劃分的結(jié)果對深孔機(jī)床的各功能模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。以下將對一些重構(gòu)頻率較高的模塊加以分析。

(1)工作臺(tái)模塊

由以上對深孔零件族的分析可知，深孔零件可分為回轉(zhuǎn)類零件和非回轉(zhuǎn)類零件，零件的類型不同所采用的工作臺(tái)亦不同。對于回轉(zhuǎn)體零件，其工作臺(tái)(支承與定位部件)由三爪卡盤與工件中心架組成，如圖1 所示。對于非回轉(zhuǎn)體零件，可根據(jù)實(shí)際需要選用不同自由度(其中包括X 方向與y 方向的移動(dòng)自由度和繞y 方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度)的工作臺(tái)。例如，對于單孔或排成一直線的多孔的零件選用具有單個(gè)移動(dòng)自由度的工作臺(tái)即可;對于模具上的水孔、射銷孔等坐標(biāo)孔系則要選用具有兩個(gè)移動(dòng)自由度的工作臺(tái)，如圖2 所示;而對于斜孔的加工則需選用回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。

圖1 回轉(zhuǎn)體零件工作臺(tái)

圖2 兩坐標(biāo)工作臺(tái)

(2)刀輔具模塊

刀輔具是深孔加工機(jī)床中的關(guān)鍵部分，大致可分為前裝置、后裝置和鉆桿支承架等。其作用包括供油、排屑、定位夾緊、刀具導(dǎo)向和液壓密封等，為深孔加工提供了可靠的技術(shù)保證。刀輔具需隨加工零件的工藝的變化而重組，首先根據(jù)具體的加工工藝選用合適的刀具，然后根據(jù)刀具確定其配置及具體結(jié)構(gòu)。若只是零件的加工孔徑發(fā)生變化，而加工工藝未變，則只需對刀輔具與刀具及鉆桿配合的相關(guān)套件進(jìn)行重構(gòu)即可，其中包括刀具導(dǎo)向套、鉆桿支承套及鉆桿夾持組件，如圖3 所示。可將這些元件進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)，即同一尺寸系列里的元件的內(nèi)徑根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)成不同尺寸，而外徑均按這個(gè)系列的最大直徑來設(shè)計(jì)。

圖3 刀輔具中需頻繁重構(gòu)的套件

(3)動(dòng)力模塊

動(dòng)力模塊主要用于提供主軸、刀具軸及進(jìn)給所需的動(dòng)力，其重構(gòu)主要表現(xiàn)為機(jī)床的運(yùn)動(dòng)重構(gòu)和功率重構(gòu)，目的是適應(yīng)零件加工工藝及生產(chǎn)批量的變化。為方便機(jī)床在使用過程中進(jìn)行重構(gòu)，可考慮使用電主軸與直線電機(jī)等先進(jìn)技術(shù)。利用電主軸技術(shù)，可把機(jī)床主傳動(dòng)鏈長度縮短為零，使機(jī)床結(jié)構(gòu)極大簡化;使用直線電動(dòng)機(jī)技術(shù)，可在刀具可承受的范圍之內(nèi)根據(jù)工件的長度對機(jī)床隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，而對機(jī)床的其他結(jié)構(gòu)不造成影響。

4.3 接口設(shè)計(jì)

模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容是接口設(shè)計(jì)，它直接關(guān)系到模塊組合集成的操作性和可靠性?？芍貥?gòu)機(jī)床的模塊化要求機(jī)床結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫院湍K全壽命周期的重用性，因此特別強(qiáng)調(diào)模塊集成的接口“相乘效應(yīng)”，注重模塊接口的規(guī)范化設(shè)計(jì)與研究，包括各種接口形式(機(jī)械接口、動(dòng)力接口、控制接口)的標(biāo)準(zhǔn)化，機(jī)械接口界面的靜、動(dòng)力學(xué)特性的分析與評價(jià)，以及基于接口的模塊裝配精度保證手段與方法等［7］。

可重構(gòu)深孔加工機(jī)床的接口設(shè)計(jì)的重點(diǎn)即刀輔具與支承部件、動(dòng)力部件之間的接口，具體地說，即前裝置與拖板之間的接口，以及后裝置與動(dòng)力頭之間的接口。前者可采用燕尾槽定位、螺栓固定連接的方式，如圖4 所示;而后者可采用錐柄或法蘭盤，如圖5 所示。

圖4 前裝置接口

圖5 后裝置接口

5 結(jié)束語

可重構(gòu)機(jī)床作為可重構(gòu)制造系統(tǒng)的重要組成部分，其模塊化的設(shè)計(jì)使得機(jī)床在使用過程中可根據(jù)加工需要快速進(jìn)行功能轉(zhuǎn)換［8］，從而解決傳統(tǒng)深孔加工設(shè)備加工功能單一、無法調(diào)整加工任務(wù)、設(shè)備一次性投入較大等問題。文章從深孔零件族的分析入手，對深孔加工機(jī)床的可重構(gòu)性進(jìn)行了研究，最終完成了可重構(gòu)深孔加工機(jī)床的模塊化設(shè)計(jì)。

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