□ 譚德寧 □ 魏紅梅 □ 孟凡召

山東華宇工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院 山東德州 253034

1 設(shè)計(jì)背景

TSK2120、TSK2135系列數(shù)控深孔鉆鏜床通常用于加工等直深孔,也可以用于加工內(nèi)環(huán)形槽深孔、錐度深孔。

目前,數(shù)控深孔鉆鏜床能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)循環(huán),有插補(bǔ)運(yùn)動(dòng),但面對(duì)航空航天行業(yè)的深孔零件,內(nèi)孔為異形,難以加工,國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有很好的解決方案。由此可見(jiàn),研究異形深孔加工的新工藝、新技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急,筆者提出一種異形深孔數(shù)控鏜削工藝。

2 零件情況

異形深孔零件如圖1所示,零件外圓直徑為210 mm,全長(zhǎng)為3 m,要求鏜削的孔徑最小為110 mm,最大為160 mm,材料為20CrMnTi低碳合金鋼,內(nèi)孔表面粗糙度Ra要求為1.6 μm。正弦曲線公式為y=20sin(5x),心形線由x(t)=50cost(1+cost)和y(t)=50sint(1+cost)聯(lián)立,其中,x為軸向位移量,y為徑向位移量,t為位移參變量。無(wú)論內(nèi)孔是什么形狀,只要是平滑過(guò)渡,就可以用公式曲線表述,進(jìn)而可以采用數(shù)控鏜削加工。

經(jīng)常有用戶需要加工異形工件,如圖2所示承壓測(cè)試管,最小直徑為122 mm,最大直徑為170 mm,已經(jīng)試制成功,可以批量生產(chǎn)。

現(xiàn)有的異形深孔鏜刀結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)書(shū)籍上無(wú)法查詢到,加工方法也涉及不多,處于研究階段。

3 鏜削要求

對(duì)圖1異形深孔零件鏜削的基本要求如下:

(1)異形深孔鏜刀裝置在軸向移動(dòng)時(shí)能自動(dòng)擴(kuò)大和縮小,同時(shí)徑向移動(dòng)和軸向移動(dòng)可以采用數(shù)控;

▲圖1 異形深孔零件

▲圖2 承壓測(cè)試管

(2)在加工異形深孔時(shí),無(wú)法使用導(dǎo)向塊與已加工好的孔壁配合來(lái)定位,只能采用新型定位方式;

(3)采用菱形涂層硬質(zhì)合金刀片,便于更換和保證尺寸精度;

(4)刀片選用內(nèi)孔切槽車刀的角度,采用機(jī)夾菱形帶花紋刀片,側(cè)面有7°斜面,具有斷屑槽作用;

(5)由授油器供切削油,流向床頭箱的方向,經(jīng)過(guò)床頭箱排屑斗,流入后部的儲(chǔ)屑箱;

(6)鏜刀徑向移動(dòng)采取螺旋盤盤扣帶動(dòng)鏜刀徑向變化的結(jié)構(gòu),類似三爪卡盤的卡爪移動(dòng),基于自鎖特性保證刀具在斷電情況下不會(huì)讓刀,徑向尺寸大小由數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)編程來(lái)控制;

(7)數(shù)控異形深孔鏜刀采用交流伺服電機(jī)控制,效果較好,便于與數(shù)控系統(tǒng)連接,整個(gè)過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程和自動(dòng)加工。

4 異形深孔數(shù)控鏜床工藝方案布局

在設(shè)計(jì)數(shù)控深孔機(jī)床時(shí),既要求功能完善、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,又要求工作原理與工作性能可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工,并且體積不能過(guò)大,成本不能過(guò)高。針對(duì)異形深孔零件的結(jié)構(gòu),筆者設(shè)計(jì)了數(shù)控鏜床的機(jī)械機(jī)構(gòu)和控制方法,具體設(shè)計(jì)方案有兩個(gè)。

(1)方案一。采用現(xiàn)有TK2120數(shù)控鉆鏜床的結(jié)構(gòu),成本低,但是加工長(zhǎng)度不能超過(guò)1 m,否則由于鏜桿的下垂,下垂量為15～25 mm,會(huì)導(dǎo)致鏜刀在內(nèi)孔中擺動(dòng),產(chǎn)生打刀現(xiàn)象,從而使零件報(bào)廢。

(2)方案二。如果鏜桿不是懸臂結(jié)構(gòu),而是在零件的兩端采用固定支承結(jié)構(gòu),那么能有效消除鏜頭下垂和擺動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)于長(zhǎng)度為3 m以上的零件,可以在TK2120數(shù)控鉆鏜床的結(jié)構(gòu)上增加相應(yīng)部件,采用φ90 mm鏜桿,但在零件的中間位置依然存在下垂現(xiàn)象,經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試,下垂量為1.5 mm左右。對(duì)此,在鏜桿的一頭采用液壓缸,使鏜桿受拉力拉緊,這樣鏜桿在工作時(shí)始終兩頭受拉,鏜桿下垂量可以控制在0.05～0.2 mm之間,能夠有效避免鏜桿下垂。

經(jīng)過(guò)對(duì)兩個(gè)設(shè)計(jì)方案的對(duì)比,采用方案二鏜桿受拉結(jié)構(gòu)比較合理。

數(shù)控鏜床總體布局如圖3所示。零件長(zhǎng)度為3 m,兩個(gè)支撐套的跨度為3.65 m,主軸的支承套配置滾動(dòng)軸承,消除鏜桿不轉(zhuǎn)而主軸旋轉(zhuǎn)的問(wèn)題。零件兩端加工有長(zhǎng)3 mm的60°錐面,作用為依靠錐盤頂緊、定位并傳遞摩擦力矩。液壓缸與鏜桿同軸,液壓缸活塞桿與鏜桿的直徑均為90 mm,通過(guò)雙頭矩形螺紋與數(shù)控鏜頭相連。床身總長(zhǎng)為16.49 m,將液壓缸、床頭箱、排屑斗、中心架、授油器、鏜桿支架、鏜桿固定架通過(guò)導(dǎo)軌定位在床身上部。在工作時(shí),數(shù)控鏜頭左右運(yùn)動(dòng),整根鏜桿始終兩頭受拉,可以有效防止鏜桿下垂。

數(shù)控鏜刀組件由進(jìn)給拖板帶動(dòng)前進(jìn)和后退,依靠交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器,帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)Z軸的軸向運(yùn)動(dòng)。數(shù)控化改造后,系統(tǒng)采用由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的半閉環(huán)控制系統(tǒng),由數(shù)控系統(tǒng)控制軸向和徑向運(yùn)動(dòng),兩軸聯(lián)動(dòng)。改造后的機(jī)床能夠加工內(nèi)孔為圓形面、斜面等的深孔零件,并能加工高強(qiáng)度和高硬度零件,滿足航空航天異形深孔零件的加工需求。

▲圖3 數(shù)控鏜床總體布局

5 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)圖1、圖2零件和數(shù)控鏜床總體布局,在數(shù)控深孔鏜床上設(shè)計(jì)深孔鏜刀和鏜桿裝置,在鏜桿固定架的后部安裝減速箱和交流伺服電機(jī),通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行伺服控制。加工零件時(shí),在鏜削完成的內(nèi)孔中進(jìn)行異形孔加工,加工方式采用零件旋轉(zhuǎn)、鏜桿不旋轉(zhuǎn)的軸向運(yùn)動(dòng),供油方式采用鏜桿內(nèi)部供油,從鏜頭流出,流向床頭箱排屑斗。采用硫化切削油。具體加工工藝路線為熱處理調(diào)質(zhì)、車端面倒角定位、鉆孔、粗鏜、半精鏜、尖刀精鏜,便于切屑排出,加工表面粗糙度Ra要求為1.6 μm。

5.1 鏜頭

數(shù)控深孔鏜頭結(jié)構(gòu)如圖4所示。鏜刀和驅(qū)動(dòng)軸通過(guò)螺旋盤連接為一體,可以徑向移動(dòng)且自鎖。當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),螺旋盤旋轉(zhuǎn),鏜刀徑向移動(dòng)。為了滿足切深較大的要求,液壓桿一個(gè)端面與鏜刀左側(cè)面配合。鏜頭體上開(kāi)有四方形孔,各面與鏜刀的對(duì)應(yīng)面配合,且鏜頭體上有可以容屑的缺槽。

▲圖4 數(shù)控深孔鏜頭結(jié)構(gòu)

數(shù)控深孔鏜頭外形如圖5所示,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控鏜床總體布局的安裝要求?？紤]到工作時(shí)鏜桿受拉,采用雙頭矩形螺紋,能夠承受較大的切削力和拉力。注意螺紋的旋合長(zhǎng)度是標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的1.5～2倍,左側(cè)與過(guò)渡接頭螺紋連接?？紤]鏜桿在裝配后自始至終都不旋轉(zhuǎn),對(duì)接處采用φ60H7/g6基孔制間隙配合,并采用三個(gè)φ16 mm圓錐銷定位,由此實(shí)現(xiàn)鏜桿、數(shù)控鏜刀、活塞桿的連接。在工作時(shí)鏜桿兩端受拉,有效避免鏜桿的下垂現(xiàn)象。

5.2 鏜桿

數(shù)控深孔鏜桿結(jié)構(gòu)如圖6所示。采用特制的鏜桿結(jié)構(gòu),鏜頭的徑向移動(dòng)依靠鏜桿內(nèi)部的芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制,芯軸的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置控制。芯軸與鏜桿間采用軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)支承,鏜桿固定,芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)。數(shù)節(jié)芯軸通過(guò)錐銷連成一體,鏜桿依然采用矩形螺紋連接來(lái)加長(zhǎng)。由此,鏜桿的長(zhǎng)度可以根據(jù)用戶需要實(shí)現(xiàn)變化。

▲圖5 數(shù)控深孔鏜頭外形

5.3 驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置如圖7所示,由行星齒輪減速機(jī)、交流伺服電機(jī)組成。行星齒輪減速機(jī)可以解決交流伺服電機(jī)與鏜桿直聯(lián)后力矩不足的問(wèn)題。

徑向移動(dòng)、軸向移動(dòng)均由交流伺服電機(jī)控制,可以進(jìn)行兩軸聯(lián)動(dòng),此時(shí)將控制徑向走刀的旋轉(zhuǎn)軸假設(shè)為直線運(yùn)動(dòng)的虛擬軸,便于數(shù)控自動(dòng)編程。由數(shù)控系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)交流伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn),按順序?qū)α慵?nèi)孔各個(gè)曲面進(jìn)行鏜削。整個(gè)加工過(guò)程采用數(shù)控,編程自動(dòng)完成,保證零件各個(gè)異形孔加工尺寸的一致性。

▲圖6 數(shù)控深孔鏜桿結(jié)構(gòu)

▲圖7 驅(qū)動(dòng)裝置

數(shù)控鏜床的控制裝置具有X軸徑向移動(dòng)和Z軸軸向移動(dòng)進(jìn)給電氣間隙補(bǔ)償功能,在進(jìn)給拖板、鏜刀體每次反向運(yùn)動(dòng)時(shí)均能自動(dòng)進(jìn)行一次反向間隙補(bǔ)償。

5.4 液壓缸

液壓缸結(jié)構(gòu)如圖8所示。活塞套需要左右移動(dòng),密封圈左右各有一個(gè)在活塞套前進(jìn)、后退時(shí)均能起密封作用。在前后均有緩沖結(jié)構(gòu),避免急速?zèng)_擊。采用地腳式130 mm大直徑、4 m長(zhǎng)大行程液壓缸安裝方法,地腳緊固螺栓一般有四個(gè),直徑根據(jù)液壓缸最大壓力進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算確定。為避免地腳螺栓直接承受軸向載荷,可以在液壓缸前端地腳支架的兩側(cè)安裝止推擋塊?；钊麠U伸出或縮回時(shí),所產(chǎn)生的載荷由止推擋塊直接承受,地腳螺栓僅承受豎直方向的作用力。液壓缸拆卸后再次安裝過(guò)程中,止推擋塊還能起到定位作用。壓墊只限制缸體上抬,有微量可移動(dòng)間隙,這樣液壓缸屬于不完全定位連接。在缸體承受一定大小的徑向力時(shí),缸體在水平方向和豎直方向會(huì)產(chǎn)生微量彈性位移。活塞桿受鏜刀的徑向切削力作用時(shí),會(huì)產(chǎn)生微量擺動(dòng)。由于缸體也產(chǎn)生微量彈性位移,所以可以有效減小活塞套上密封圈與缸體內(nèi)壁的摩擦,從而減小磨損。如果采用螺釘壓緊安裝,那么沒(méi)有壓墊和止推擋塊,這樣液壓缸被固定在某一確定方向,活塞桿受鏜刀的徑向切削力作用時(shí),活塞桿與缸體內(nèi)孔會(huì)產(chǎn)生同軸度誤差,導(dǎo)致活塞套上密封圈與缸體內(nèi)壁產(chǎn)生較大摩擦,從而產(chǎn)生較大的磨損,使密封圈失效而漏油。另外,液壓缸在工作2 h后,缸體溫度可升高25 K以上,產(chǎn)生熱變形,如果采用螺釘壓緊固定結(jié)構(gòu),會(huì)加大活塞桿和缸體內(nèi)壁的同軸度誤差,所以采用螺釘壓緊液壓缸的安裝方法是不合適的。

液壓缸的活塞桿在工作過(guò)程中始終受到一個(gè)向左的液壓力,將鏜桿拉緊。在安裝和拆卸零件時(shí),需要拆卸、安裝鏜桿,此時(shí)需要液壓缸快速空載運(yùn)動(dòng)。液壓系統(tǒng)如圖9所示。

根據(jù)工作情況要求,考慮成本和經(jīng)濟(jì)性,采用單活塞桿液壓缸作為執(zhí)行元件。由于需要快進(jìn)和快退,因此只有差動(dòng)連接能夠滿足要求,于是液壓缸無(wú)桿腔的有效面積為有桿腔有效面積的兩倍。

液壓缸的類型選定后,要求快進(jìn)、快退時(shí)流量大,供油時(shí)間比較短。在正常前進(jìn)時(shí),所需流量較小,供油時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。因此從提高系統(tǒng)效率、節(jié)省能源的角度考慮,系統(tǒng)供油方式不宜采用定量泵,采用限壓式變量葉片泵供油方式較為合理。

▲圖8 液壓缸結(jié)構(gòu)

▲圖9 液壓系統(tǒng)

針對(duì)快進(jìn)和快退時(shí)的速度要求,需要在無(wú)桿腔進(jìn)油口處采用調(diào)速閥調(diào)速。針對(duì)正常前進(jìn)時(shí)速度低的要求,考慮到系統(tǒng)負(fù)載變化小,采用調(diào)速閥進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路可以節(jié)約能源。

對(duì)于快進(jìn)和正常前進(jìn)之間速度的變換,為便于對(duì)換接位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,采用兩位兩通行程閥比較方便。另外,采用液控順序閥與單向閥來(lái)切斷差動(dòng)回路。換接回路為行程與壓力聯(lián)合控制方式。

采用三位五通電磁閥進(jìn)行換向,可以滿足系統(tǒng)的換向要求。選用三位五通電磁閥的M型中位機(jī)能,可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)在中途停止運(yùn)動(dòng)的要求。為提高換向的可靠性,采用壓力繼電器進(jìn)行監(jiān)控。

為了實(shí)現(xiàn)正反向均為向左的拉力,設(shè)置平衡閥、減壓閥。平衡閥與單向閥配合,形成單向調(diào)壓回路。調(diào)定平衡閥和減壓閥的壓力值,可以控制液壓缸向左的拉力。

6 結(jié)束語(yǔ)

在鏜削內(nèi)孔時(shí),一般采用管材鏜削來(lái)降低成本,但有時(shí)零件受外圓和壁厚尺寸的限制,沒(méi)有合適的管材,必須鉆孔加工。筆者設(shè)計(jì)了一種異形深孔數(shù)控鏜削工藝,通過(guò)液壓控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控鏜刀和鏜桿兩端受拉的結(jié)構(gòu)布局,通過(guò)數(shù)控鏜刀的兩軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng),可以進(jìn)行任意異形深孔的精密鏜削加工,解決了無(wú)法進(jìn)行精密異形深孔鏜削加工的難題。