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        數(shù)控槍鉆組合機床關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計

        2019-12-26 05:59:04
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)套滑臺切削液

        劉 明

        (南京工程學(xué)院 科技與產(chǎn)業(yè)處,南京 211102)

        0 引言

        數(shù)控槍鉆組合機床是一種專用深孔加工機床,將數(shù)控技術(shù)用于深孔鉆削組合機床中,使得槍鉆工藝已成為柔性、智能、高效、高精度深孔的有效加工方法。數(shù)控槍鉆技術(shù)廣泛應(yīng)用于國防工業(yè)、航空航天、汽車、模具、機床、液壓、航天等行業(yè)。

        作為數(shù)控槍鉆組合機床關(guān)鍵部件的主軸箱,高速旋轉(zhuǎn)的主軸對其精度及其保持性的要求越來越高;鉆套箱作為槍鉆導(dǎo)向的主要部件,其制造精度和耐磨性決定了加工零件的精度和刀具的使用壽命;數(shù)控滑臺為機床提供運行平穩(wěn)的進給加工;而冷卻排屑系統(tǒng)能否為機床穩(wěn)定提供充足、高壓、潔凈的冷卻液,對刀具使用壽命、孔加工精度均有重要影響。為了提高數(shù)控槍鉆組合機床整機加工性能和可靠性,必須對數(shù)控鉆孔組合機床中主軸箱、鉆套箱、數(shù)控滑臺及冷卻系統(tǒng)等部件的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

        1 機床主要結(jié)構(gòu)及槍鉆加工工藝要求

        數(shù)控槍鉆組合機床主要部件:床身底座、主軸箱、鉆套箱、數(shù)控滑臺以及冷卻排屑、防護、電控系統(tǒng)等組成。槍鉆(FLB)用于加工深孔(長徑比>5)的單刃深孔鉆,主要加工直徑φ0.6~φ50mm的深孔,如鉆套箱導(dǎo)套采用雙支承導(dǎo)向和相應(yīng)加長數(shù)控滑臺的行程等措施后的鉆孔深度可以達到被加工孔直徑的200倍以上;孔的加工精度可達IT7,表面粗糙度Ra可達3.2~0.8μm,圓度<5μm,直線度可達0.1/1000mm。

        針對上述工藝要求,為數(shù)控槍鉆組合機床中各個零部件的設(shè)計增加了相應(yīng)難度,本文通過對其中的主軸箱、鉆套箱、數(shù)控滑臺及冷卻排屑系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件進行優(yōu)化改進設(shè)計,使得數(shù)控槍鉆組合機床調(diào)整方便、加工精度穩(wěn)定、運行可靠,效果較好。

        2 關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計

        2.1 主軸箱設(shè)計

        槍鉆機床的主軸箱采用前后端雙支承軸承的結(jié)構(gòu),由于是數(shù)控槍鉆專用組合機床多數(shù)采用多軸同時加工,由此,主軸采用中空內(nèi)冷結(jié)構(gòu),后端裝有提供高壓冷卻液的旋轉(zhuǎn)接頭。由于槍鉆加工時刀具的進給量比較小,最小可到0.005mm/r,因此對主軸的軸向竄動要求較高,應(yīng)控制在0.003mm以內(nèi),如軸向竄動量過大,會導(dǎo)致進給量不均勻,從而影響加工精度和損壞刀具。

        因此主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計時,不但在靜態(tài)下、連續(xù)工作時穩(wěn)定地控制主軸的軸向間隙,而且要持久保持主軸的精度,為此,對主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計、主軸材料選擇、主軸加工工藝等采取了優(yōu)化措施,具體如下:

        (1)加工直徑在φ5mm以下的槍鉆主軸箱(見圖1),由于其轉(zhuǎn)速較高,為了有效控制主軸的軸向間隙和精度保持性,主軸的前后端軸承采用高精度向心推力球軸承且配對使用,前端軸承的精度等級采用P4級,后端軸承的精度等級采用P5級,軸承內(nèi)外隔套厚度的實際尺寸要通過對軸承的載荷測量值進行精確計算,內(nèi)、外隔套的兩端面先平磨后再進行人工研磨,使其平行度控制在0.003mm以內(nèi)。

        圖1 主軸箱結(jié)構(gòu)圖

        (2) 根據(jù)槍鉆的加工特性,主軸的材料選用38CrMoAL,經(jīng)處理后具有足夠的剛性和穩(wěn)定性。主軸的加工工藝路線為:鍛造→退火→粗車→正火→精車→銑削→鉆軸向通孔及端面安裝孔→粗磨→人工時效→精磨→動平衡實驗→表面氮化處理→冷凍定性處理→超精磨。

        2.2 鉆套箱設(shè)計

        鉆套箱是一種導(dǎo)向裝置,實現(xiàn)槍鉆刀具的準(zhǔn)確切入,在加工過程中切屑和切削液的混合物在鉆套箱中被引流到排屑系統(tǒng)中,加工前需要導(dǎo)套前端(裝有密封墊)與被加工件貼緊密封,根據(jù)工件的狀態(tài),一般有工件隨夾具移動貼近導(dǎo)套箱和鉆套箱移動貼近工件這兩種情況。

        導(dǎo)套的材料、熱處理后硬度、精度以及與槍鉆的間隙都是影響工件加工質(zhì)量的因素之一,導(dǎo)套與槍鉆的配合間隙一般在0.005~0.015mm之間,當(dāng)間隙大于0.02mm時應(yīng)更換導(dǎo)套,導(dǎo)套的材料一般用硬質(zhì)合金或GCr15,要求熱處理后硬度達到HRC60以上。

        2.3 數(shù)控滑臺設(shè)計

        由于槍鉆加工時進給量很小,因此要求滑臺運行平穩(wěn),避免爬行現(xiàn)象,通常選用HJC高精度機械滑臺,隨著數(shù)控技術(shù)的廣泛應(yīng)用,現(xiàn)在普遍采用數(shù)控滑臺代替機械滑臺,而數(shù)控滑臺有硬軌和線軌兩種結(jié)構(gòu)形式,采用滾珠絲桿傳動,三支承導(dǎo)向,精度保持性好,滑臺的穩(wěn)定性好,導(dǎo)向精度高,動態(tài)性能好。加工孔徑大于12mm的深孔可選用相應(yīng)寬度規(guī)格尺寸的長行程的硬軌數(shù)控滑臺。

        2.4 排屑系統(tǒng)設(shè)計

        槍鉆加工是采用內(nèi)冷外排的工藝,鉆頭為中空結(jié)構(gòu),高壓冷卻液從鉆柄尾部中心孔流入,在高壓作用下,鐵屑沿V形槽排出工件,帶走切削熱,同時也可以減少刀具與工件的摩擦損耗,提高了鉆孔精度。

        數(shù)控槍鉆組合機床的冷卻排屑系統(tǒng)能否穩(wěn)定地供給充足、高壓、干凈的切削液,對刀具的壽命、孔的表面粗糙度以及尺寸精度均有重要影響。有效的冷卻排屑能起到以下的作用:①減少刀具與導(dǎo)套的磨損;②冷卻刀具,減少和消除摩擦熱和切削熱;③切削液在高壓和正常溫度作用下,在工件和刀具表面形成一層薄的油膜,可預(yù)防刀具和工件的咬死;④在高壓切削液的作用下連續(xù)排除切屑;⑤可有效抑制積屑瘤的產(chǎn)生。

        為了能使冷卻排屑系統(tǒng)穩(wěn)定地為機床供給充足、高壓、干凈的切削液,在設(shè)計該系統(tǒng)時對切削液的凈化、流量、壓力作優(yōu)化設(shè)計處理,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 排屑系統(tǒng)

        系統(tǒng)的工作流程為:切削液和大量的切屑進入磁性排屑器后,大部分的切屑被排出并送到積屑小車,摻著部分碎屑的切削液溢流到沉淀箱內(nèi),切屑與切削液的初步分離;用提升泵將切削液送到過濾箱中,過濾箱中裝有兩排共12套吸油過濾器,切屑液經(jīng)過吸油過濾器再一次過濾,此時,切削液得到第2次的凈化,其過濾精度可達到20μm;經(jīng)過濾器過濾后的切削液回流到3次凈化箱中,在切削液的回流通道中裝有5套條形磁鐵,其上下交錯放置,形成切削液回流的迷宮,使得流經(jīng)的切削液中含有粉狀的切屑被吸附起來,切削液即得到第3次的凈化,其過濾精度可達到5~10μm。另外必須定期對吸油過濾器和調(diào)形磁鐵進行清洗,清除表面的鐵屑粉末,以保持穩(wěn)定的凈化效果。

        在槍鉆加工過程中,必須為切削液提供一定的壓力和流量,選用油泵時可根據(jù)加工孔徑尺寸及材料來確定其額定流量和壓力,加工時根據(jù)其效果,可通過壓力調(diào)節(jié)閥來進行調(diào)整。

        切削液溫度控制。槍鉆加工過程中,由于金屬切屑的變形、刀具的鉆削等產(chǎn)生大量的熱量,因而切削液的溫度上升很快,必須加以控制,在其系統(tǒng)中用匹配的油冷機來對切削液進行冷卻,將其溫度穩(wěn)定在20℃~45℃之間,超過50℃時,不但不能使刀具處于良好的冷卻狀態(tài)下進行切削,而且切削液的狀況也將變得惡化,從而影響潤滑效果;當(dāng)切削液的溫度低于20℃時,會因為低溫遇到高溫切削區(qū),容易導(dǎo)致刀具表面形成小塊泡沫,使得刀具的正常切削遭到破壞而造成不良后果,因此切削液油箱的大小除了具有足夠的容積外,還需要配有與之相匹配的溫控裝置(即油冷機),才能使得機床連續(xù)保持良好的切削性能。

        在冷卻排屑系統(tǒng)中要對系統(tǒng)的壓力、液位等進行監(jiān)控,當(dāng)壓力或液位低于設(shè)定值時,機床的控制系統(tǒng)能自動退刀或采取其它的相應(yīng)的保護措施,以保證工件、刀具、機床的安全。

        3 結(jié)束語

        在設(shè)計深孔加工數(shù)控槍鉆組合機床時,通過對其中的主軸箱、鉆套箱、數(shù)控滑臺、冷卻排屑系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件進行優(yōu)化改進設(shè)計,實際運行后機床性能穩(wěn)定,達到了預(yù)期的效果,為相關(guān)深孔加工機床設(shè)計提供了一定借鑒。

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