深孔加工机床的结构模块可重构设计.pdf

第 l 期 总 第 1 7 0期 2 O1 2年 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 ME CHANI CAL ENGI NE ERI NG ＆ AUTOMATI ON NO ．1 F e b ． 文章编号 1 6 7 2 - 6 4 1 3 2 0 1 2 0 1 0 0 9 0 0 2 深孔加工机床 的结构模块可重构设计 李 震 ，王 慧 ，崔瑞强 ，付雅 林 ，吴伏 家 1 ． 中北大学 机 电工程学院 ，山西 太原0 3 0 0 5 l ；2 ． 山西大学 教育科 学学 院，山西 太原0 3 0 0 0 6 摘要 首先 阐述 了可重构 系统及 深孔 加工机床 的概念，然后以结 构模 块作基础 ．设计 出切实可行 的方 案对 深 孔加工机床进 行重构 。使所设计 的设 备能完成 不同的深孔加 工任 务，具有深远的理论意义和实用价值。 关键词 可重构 ；深孔加工机床 ；结构模块 中图分类号 T G 5 2 文献标识 码 A 0 引 言 在机 械 制造 加工 中 ，总量 约 1 ／ 4为孔加工 ，而这 其 中深孔 加 工 量 又 约 占到 孔 加 工 总 量 的 4 0 9 ， 6 。深 孔 加工机床作为一种专用的加工设备 ，其机加工能力普 遍 受到较 大的 限制 。现 阶段 常 规 的深孔 加工设 备包 括 枪钻设备 、B TA设备、D F设备和喷吸钻设备等。对 于直径及工艺不同的工件 ，需要应用不同的设备 ，而 且不同的加工设备所需要的辅具也不相同，因此其所 要用到的专用机床的数量也就随着刀辅具设备 的发展 而 变得越 来 越庞 大 ，同时 占有 国 内很 大 比重 的深孔 机 床需 要从 国外 进 口，这 样 就 致 使 生 产成 本 居 高 不 下 。 在 此情况 下 ，深 孑 L 加 工机床 的结构 可重 构构想 就应 运 而 生 了。 可重构制造系统是指在市场的不确定需求突然改 变 时 ，很 快 地对 一类 产 品族 内的生 产 能力和 功能进 行 改 变 ，并 一起 对 结构 以及 硬 、软件 功 能模 块进 行快 速 改 变而 定义 的制 造 系统L 1 ] 。 1深 孔加 工 机加工 中，通常用长径 比 L ／ D 孔深 L同孔径 D 的 比来 区分深 孔和 浅孑 L 。一 般深 孔 是 指 L ／ D≥5 的孔 ；浅孔 是指 L／ D5的孔 。加工 深孔通 常 需 要专 用 的加 工 刀辅具 以及技 术支 持来 实现 。 1 ． 1 深孔 零件 所 需加 工方 式_ 2 j 深孔的制备加工与一般内孔的制备加工是有差别 的，通常通过工件固定 、刀具进给旋转来对一般 内孔 进行制备加工 ；而通过工件旋转 、刀具进给来制备加 工深孔零件。常见的深孔钻削有以下 3种方式 1 工 件旋 转 ，刀具 进给 ，如 盘类零 件 加工 。 2 工件 固定 ，刀具旋转进 给，如加 厚板材上 钻 孔 。 3 工件 旋 转 ，刀具旋 转进 给 ，如 管料 钻孔 、枪 炮 管加 工 。 1 ． 2深孔 刀辅 具分析 一 般来说，深孔机床上专用 的刀具和辅具被称作 深孑 L 刀 辅 具 。深 孔 刀 具 主 要 指 深 孔 扩 钻 、S I E D 钻 、 喷吸钻 、B TA钻 、D F钻 、枪 钻 等 。 2 机床 功 能结构 的模 块 化设计 [ 5 ] 具有标准接 口是对机床结构模 块化 的基本要求 。 在 分析 产 品功能 的前 提下 ，一 系列 结构 功能 模块 被划 分并设计出来 ，再通过选用相应的模块组合成不同功 能的机床 ，从而加工 出各类产品，这样的过程就叫做 模块化设计 。对机床模块化后 ，可 以只批量生产各标 准模块 ，在需要时 ，可 以对机 床部 件进行 “ 即插 即 用” ，随时 组装 形成 适合 加工 所需 产 品的机 床 。 2 ． 1模 块化 的形 成 按照可重构技术和方法及深孑 L 机床加工零件的特 点 ，可 将深 孔机 床 划分 为独立 床 身模 块 、直线 进给 床 身模块 、主轴模 块 和抽 屑动 力头模 块 。 2 ． 2 结 构 可行性 方案及 可 重构 性分 析 1 被加工工件尺寸发生变化时，通过调整可变 床身的长度或调整直线运动模块来达到需求。 2 被加工件几何复杂度发生变化时，通过调整 机床运动模式与改变数控程序来适应。 3 被加 工 件加工 工 艺发 生变 化时 ，通 过改 变加 收稿 日期 2 0 1 1 1 O 一 2 5 作者简介 李震 1 9 8 6 一 ， 男 ， 山西忻州人 ， 在读硕 士研究生 ， 研究方 向为航空宇航制造工程。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 l期 李震 ，等 深孔加工机床 的结构模块 可重 构设计 9 l 工刀辅具 以及程序来适应 。 3各结构 模块 的设 计 采用各模块使机床重构后 ，可以完成其特定的加 工任 务 ，设 想 具有 如下 的重构 方式 。 3 ． 1 基 本 的机床床 架 基本的机床床架 ，也就是所谓的底座，其作用是 承载其他设备 。 3 ． 2独 立 的承 栽模 块 该模块主要是为了承载工件而设置，如将以前的 一 体机床 改为分体设计。在该模块 内部设置升降装 置，方便对齐 。独立床身模块如图 1 所示。 ＼ I _ c ．．．．．．．．．一 j 二 ] f， l I I l j r -- 二 滑 台 工作 台 底座 图 l独立 床 身模 块 3 ． 3 直线进 给床 身模 块 该模块是可重构机床的一类很重要的结构组成部 分 ，一 定要 保证 足够 的精 度 ，且在 它导 轨上 表面要 做 好通用的标准接 口，以实现模块的插接组装 。它由进 给箱 、伺服电机 提供进给动力 、丝杠等组成，主 要完成刀具的进给运动。 而主轴模块 、抽屑动力头模块 、夹具模块等，在 此 不再 赘述 。 3 ． 4 标 准 的结合 界 面形 式 可重构的一大重要设计就是接口的标准化 ，标准 接 口部件分两 部分来设 计，即电机 接 口和刀辅具 接 口。V 型槽 接 口如 图 2所示 。 [ 二 兰 L ／ _ ．[ ] I 上界面 [ 二 下界 面 图 2 V型槽接 口 4 各 模块 的 组合 以适应 不 同的加 工模 式 针对文章中描述 的深孔零件所需加工方式，笔者 对 常见的 3类加工模式进行试组合，形成了以下 3种 机床组合模式 ，分别如图 3 、图 4和图 5所示 。 工件旋转与刀具进给的模式 ，如图 3所示，可以 完成回转类零件的加工。 本件不动与刀具旋转进给的模式如图 4所示 ，表 示 了加工非 回转体零件时的模式。同时 ，通过独立床 身的左右运动 ，可以做到加工偏心孔。 图 5为工件旋转与刀具旋转进给的模式。这类重 构机床主要可以用来对管料进行加工，而对一些长径 比大的枪炮管 ，加工起来尤为方便 。 图 3 工件旋转与刀具进给的模式 图 4 工件不动与刀具旋转进给的模式 图 5 工 件 旋 转 与 刀具 旋 转 进 给 的 模 式 5结论 对可重构深孑 L 加工机床的研究符合 目前国内国际 市场的需求 ，而本文针对其中结构重构方面的设计切 实可行 ，对深孔加工机床理论起到了丰富作用 。随着 以后这些理论变成实际产品，势必将提高生产效率 ， 从而降低深孔加工的成本。 参考文献 [ 1 ] 黄志成． 可重 构制造 系统性 能评价 的研究 [ D ] ． 杭州 浙江 大 学 ． 2 0 0 3 1 4 1 3 ． 王诗清． 深孔 加工技术 [ M] ． 西 安 西北 工业大 学出版社 。 2 00 3 ． 王峻． 现 代深 孔加工 技术 [ M] ． 哈尔 滨 哈尔滨 工业大 学 出版社 ， 2 0 0 5 ． 黄晓斌 ． 可重构 深孔机 床设计 研究 [ D] ． 太 原 华 北工学 院． 2 0 0 3 6 8 7 6 ． 崔 贵 波． 发动 机 深孔 构 件加 工 机 床 的可 重 构设 计 研究 [ D ] ． 太原 中北大学， 2 0 0 8 4 5 7 7 ． 袁建亭． 可重 构机 床及其 关键技 术 的研究 [ J ] ． 机械管 理 开发， 2 O l 1 2 8 2 8 6 ． 赵中敏． 可重 构机 床模块 化设计 技术研 究 [ J ] ． 产品与技 术 ． 2 0 1 0 2 9 6 - i 0 0 ． 英 文摘 要转 第 9 4页 ] ] ] ] ] ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 4 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 2年 第 1期 要求的形式 ，它应满足 4 方面的性能要求 ①能够实 现除锁紧外 的 6个运 动 自由度；②能 够满足负载要 求 ，即在拼装管片的过程中能完成上述运动 ；③管片 拼装机的零部件必须有足够的可靠性；④ 回转机构 中 液压马达的制动安全性能必须得到保证。 管片拼装机的主要功能均通过液压比例阀控制实 现 ，所有方向的运动均进行了可靠的计算 ，以保证有 足够的功率 ，使各管片达到精确安装 。其主要性能参 数 见表 l 。 表 l 管片拼装 机主要性 能参数 类型 无 中心环式管片拼装机 自由度 个 6 平移 油缸最 大行程 ram 2 0 0 0 比例控制 提升油缸最大行程 ram I 2 0 0 比例控制 圆周 回转角度 。 士2 0 0 比例控制 旋转速 度 r ／ rai n 0 ～1 ． 5 轴向摆动角度 横摇 。 士2 ． 5 断面摆动角度 偏转 。 士2 ． 0 周向摆动角度 俯仰 。 士2 ． 5 最大驱动扭矩 k N m 1 5 O 偏转油缸行程 ram 4 0 俯仰油缸行程 ram 4 0 锁紧油缸行程 mm 5 0 ● I 提升重量 k N 1 5 O I 行走推力 k N 5 0 5 管片拼装的质量要求 管片拼装是盾构隧道施工中的重要环节 ，管片拼 装的质量直接影响着隧道的质量 ，所以对管片的拼装 有着较高的要求。根据 G B ／ T 5 0 4 4 6盾构法隧道施工与 验收规范，地铁管片拼装验收标准主要有 ①管片不 得有 内外贯 穿裂 缝 和宽 度 大 于 0 ． 2 mm 的裂 缝及 混 凝 土剥落现象；②管片拼装过程中应对隧道轴线和高程 控制在5 0 mm 以内；③管片衬砌成环后直径椭圆度 控制在5 ％D D为隧道的外直径内；④相邻管片的 径向错台小于 5 m m；⑤相邻管片的换面错台小于6 mm。 因此 在拼 装管 片时 ，运 动要 平稳 ，不 能有过 大 冲 击 ，定位要准确，且必须达到一定的运动精度。 6结论 管片拼装是盾构施工中的关键技术，管片拼装机 的正 常 工 作 是 盾 构 机 稳 定 施 工 的 前 提 。 本 文 对 6 ． 2 5 m 土 压平衡 式盾 构机 的 管片拼 装 机 的结 构组 成 、 工作原理 、性能要求及参数性能进行 了系统 的分析 ， 并提出了拼装管片时的质量要求 ，为盾构机今后的设 计制造及盾构的施工质量要求提供 了参考。 参考文献 [ 1 ] 管会生 ， 黄 松和 。 徐济 平． 盾 构 管片拼 装机 设计研 究 [ J ] ． 矿 山机械 ． 2 0 0 5 ， 3 3 5 1 5 1 6 ． [ 2 ] 钱晓刚 ， 高峰 ． 郭 为忠． 六 自由度 盾构 管 片拼装 机机 构设 计[ J 3 ． 机械设计 与研究 ， 2 0 0 8 ． 2 4 1 1 7 2 0 ． I nt r o d u c t i o n t o S t r u c t u r e a n d Fe a t u r e s o f S h i e l d Er e c t o r CHEN W e i Te c h n i c a l Ce nt e r o f Ta i y u a n He a v y Ma c h i ne r y Gr ou p Limi t e d Comp a ny，Ta i yu a n 0 3 0 0 2 4，Ch i n a Ab s t r a c t S e g me n t e r e c t o r i s s p e c i a l e q u i p me n t u s e d f o r i n s t a l l i n g c o n c r e t e s e g me n t s o n t h e t u n n e l wa l 1 ． Th e a s s e mb l y q u a l i t y o f s e g me n t s d i r e c t l y a f f e c t s s h i e l d c o n s t r u c t i o n p r o c e s s a n d p r o j e c t q u a l i t y ．Th i s p a p e r d e s c r i b e s t h e s t r u c t u r e ，wo r k i n g p r i n c i p l e a n d ma i n p e r f o r ma n c e p a r a me t e r s o f fl s h i e l d e r e c t o r ，a s we l l a s t h e s e g me n t a s s e mb l y q u a l i t y r e q u i r e me n t s i n t h e ma r k e t o f Ta i y u a n ． Ke y wo r d ss hi e l d ma c hi ne；s e g me nt e r e c t or ；s t r u c t u r e ；f unc t i on 上接 第 9 l 页 S t r u c t u r a l De s i g n 0 f Re c 0 nf i g u r a b l e De e p h o l e Pr o c e s s i n g M a c hi ne To o l LI Zh e n 。WANG Hu i 。 ．CUI Ru i - q i a n g 。FU Ya - l i n ，WU F u - j i a 1 ．S c ho o l o f Me c h a t r o n i c En g i n e e r i n g，No r t h Un i v e r s i t y o f Ch i n a，Ta i y u a n 0 3 0 0 5 1 ，Ch i n a2 ．Co l l e ge o f Ed u c a t i o n S c i e n c e ，S h a n x i Uni v e r s i t y， Ta i y ua n 0 3 0 0 0 6，Ch i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r d e s c r i b e d t h e c o n c e p t s o f t h e r e c o n f i g u r a b l e s y s t e m a n d t h e d e e p h o l e p r o c e s s i n g ma c h i n e t o o l a n d t h e n d e s i g n e d a f e a s i b l e s c h e me f o r r e c o n s t r u c t i n g t h e d e e p - h o l e p r o c e s s i n g ma c h i n e t o o l b a s i n g o n t h e s t r u c t u r e mo d u l e s ．Th i s d e s i g n c o u l d ma k e t h i s e q u i p me n t f i n i s h d i f f e r e n t d e e p - h o l e p r o c e s s i n g t a s k s ．Th e r e f o r e ，t h i s r e s e a r c h i s o f g r e a t t h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c e a n d p r a c t i c a l v a l u e ． Ke y w o r d s r e c o n f i g u r a b l e ；d e e p - h o l e p r o c e s s i n g ma c h i n e t o o l ；s t r u c t u r e mo d u l e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m