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工艺与检测T e C h n 0 l0I g y a n d T e s I 采用深孔加工技术解决机床主轴深孔加工难题 才旦扎西 王风山 陶宗亮 青海一机数控机床有限责任公 司， 青海 西宁 8 1 0 0 1 8 摘要 立足企业实际情况。 通过技术改造 ， 在车床上实现 了用 D F系统深孔钻技术加工主轴深孔并取得 了 成功 ， 解决了主轴批量化生产时效率低和劳动强度大的问题 ， 同时也对主轴深孔的加工工艺和 D F 系统主要部件的设计要求做 了较为详细的说明。 关键词 主轴深子 L D F系统 中图分类号 T H1 6 2 ． 1 文献标识码 B S o l u t i o n f o r t h e t r o u b l e s o me i n s p i n d l e ma c h i n i n g b y d e e p - h o l e ma c h i n i n g t e c h n i q u e Ca i d a n z h a x i ， W ANG Fe n g s h a n， TAO Zo n g l i a n g Q i n g h a i N o ． 1 C N C m a c h i n e t o o l C o ． ，L t d ． ， X i n i n g 8 1 0 0 1 8 ， C H N Ab s t r a c t Ba s e d o n a c t u a l c o n d i t i o n o f e n t e r p r i s e，t h e a u t h o r a d o p t e d t e c h n i c a l i n n o v a t i o n t o a c c o mp l i s h t h e s pi n d i e d e e p - h o l e ma c h i n i n g wi t h DF s y s t e m o n t h e l a t h e ，a n d t o s o l v e t h e p r o b l e m o f i n e ffic i e n c y a n d he a v y l a b o r i n t e n s i t y i n b a t c h p r o c e s s o f s p i n d l e ma n u f a c t u r e ． Be s i d e s ，t h e a r t i c l e a l s o g i v e s a d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f t h e ma n u f a c t u r e t e c hn o l o g y o f s p i n d l e de e p h o l e ma c h i n i n g a n d t h e de s i g n r e q u i r e me n t s o f ma i n p a r t s o f DF s y s t e m． Ke y wor dsS p i n d l e；De e ph o l e；DF S y s t e m 1 机床主轴中的深孔及 D F系统简介 在整个机床主轴的制造过程中， 加工主轴松拉刀 孔是制约主轴规模化生产的主要瓶颈之一 。松拉刀孔 位于主轴中心， 是一个贯穿整个主轴全长的通孔 ， 通过 这个孔 ， 拉刀杆将刀柄拉紧并定位于主轴前端 的锥面 上 ， 如图 1所示。按照对深孑 L 的界定 ， 任何孑 L 深大于 1 0倍直径都应称为深孔。通过对主轴序号为 4 0和 5 0 的两类镗 、 铣类主轴的统计发现 ， 主轴拉刀孔的深径 比 在 2 6 ． 6～ 3 5之间 ， 均属于深孔。 松拉刀孔之所以成为制约主轴生产 的瓶颈有两方 1 88 图1某机床主轴筒图 面的原因。其一 ， 由于主轴经过锻造后为一实心圆柱 料 ， 在实心料上用普通麻花钻钻深孔是不得 已才采用 的一种方法 ， 因而也就成 了最 费工 ， 费时 的一项工作 。 仅钻孔就 占用了整个粗车工序近 1 ／ 2～ 2 ／ 3的时间 ， 孔 的精度也只能达到 I T 1 1 ～I T 1 4级 ， 孔轴线的直线度偏 斜量在实际加工过程 中达到 1～2 mm 在 6 0 0 m m长 度上测量 。而且此孔是 后序 中加工外 圆 的工 艺基 准 ， 孔的质量对后序影响很大 ， 必须给予足够的重视 。 其二， 现代机床制造技术 向着高速 、 高精度的方向 发 展 ， 目前 国 内外加工 中心 的主轴最高转 速一般在 8 0 0 0～1 2 0 0 0 r ／ m i n ， 而采用 电主轴 的高速机床 主轴 转速则更高 。当机床 的主轴在高速旋转时， 即使只有 很小的偏心距 ， 也会产生非常大 的不平衡离心力 。不 平衡量引起的振动和噪声会很大， 使机床主轴无法达 到设计的转速。根据平衡程度等级的推荐值， 机床主 轴的平衡精度定为 G 1 ， 这时主轴组件整体的偏心量也 仅为几个微米。虽然整个主轴组件的组成零件严格按 对称性来设计 ， 但主轴孑 L 内的偏斜量就远远超过这个 限度 ， 即使在后续加工工序 中多次从外 圆上去除材料 来修正中心， 但无法校正孑 L 自 身直线度差的缺陷， 所以 对于主轴部件来说还是很难达到高的平衡精度。故主 ￡uf I平 I 删 轴深孔的加工问题不仅影响生产效率 ， 而且还成 了制 约技术提高的瓶颈。 目前应用的深孔加工系统可大致分为 5种基本类 型 I 带油孑 L 的深孔麻花钻 系统 ； 2 枪钻系统 ； 3 B T A系统 ； 4 喷吸钻系统 ； 5 D F钻系统。但从可能 加工的深度 、 加工精度及加工效率方面来看 ， 能代表现 代深孔加工技术 发展方向的是枪钻 系统、 B T A系统 、 喷吸钻系统和 D F钻系统。这 4种深孔加工系统有 2 个共同之处 1 采用有 自导向作用 的硬质合金刀具 实现高速高精度加工 ， 加工质量 、 加工效率大大提高； 2 都采用高压切削液排出切屑 ， 润滑刀具。 深孔加工有实体钻削、 扩孔及套料钻 3种工艺方 法 ， 钻孔的深径比达到 5 01 0 0 ， 加工孔精度可达 I 1 _ 7 ～ I T 1 1级 ， 孔的轴线偏斜量一般为 0 ． 1～0 ． 3 m m ／ m， 且生产效率较高 ， 一次钻削就达到半精加工能达到的 精度及表面粗糙度 。 D F系统是英文 “ D o u b l e F e e d e r ” 的缩写， 亦叫“ 单 管喷吸钻” 或“ 双加油器深孔钻” ， 见图 2 。它结合 了当 前深孔内排屑加工的两种方法喷吸钻吸出切屑及 B T A钻推出切屑各 自优点的一 种加工系统。其工作 原理为 切削时约占总量 2 ／ 3的冷却液由孑 L 的内壁与 钻杆外径之间的缝隙到达切削区， 把切屑从钻杆内部 推出，而另一小部分冷却液 约 占 1 ／ 3 则从分路管中 进入喷嘴并向后喷射 ， 流速增大形成喷射流。根据能 量守恒原理 伯努力方程 ， 当 比动能增大 ， 则 比压能 下降， 因此在这股喷射流的周围形成低压区， 这样在钻 管的前 、 后端存在一定的压力差 ， 产生一定 的“ 吸力” ， 加速前端有切屑的冷却液向后流动， 把切屑排出， 所以 特别适用于 1 2 m m以上的中小直径深孔加工。在可 加工性差 ， 不易断屑的材料中使用时效果更为明显。 图2 DF 系统工作示意图 2 方案分析与设计 在对主轴深孔的加工过程进行分析和对几种深孔 加工方法做 比较之后 ， 我们最终选择采用 D F深孔加 磐 T e c h n 0 10 g y a n d T e s l 工艺与检测 工系统， 确定了在普通车床上通过技术改造， 自主设计 D F系统深孑 L 加工所需的授油器、 动力头及冷却箱等主 要部件 ， 钻头和钻杆选择外购的总体方案。 由于深孔技术属于复杂的机械加工过程 ， 有其独 特的工作机理 ， 自主设计其主要部件必须要对深孔加 工知识和工艺过程有深入了解之后才能进行。另外这 项工作还涉及到加工、 刀具、 流体、 机械结构、 密封、 检 测与控制等多方面 的知识 ， 总的来说难度不小。下面 从主轴深孔 的加工工艺和 D F系统 的主要部件设计要 点两方面来做说明。 2 ． 1 对主轴深子 L 加工工艺的分析 机床主轴属于 回转类零件 ， 在对我公司 4 0及 5 0 序号的主轴单元作统计后得 出如下数据 材料通常为 渗碳合金钢 1 2 C r N i 3 、 2 0 C r 2 N i 4及调制合 金钢 4 0 C r 等 ， 长度小于 1 0 0 0 I n to， 直径小于 1 5 0 mm， 孔径范围 为 6 1 8～5 4 mm； 钻孔前经正火 或调质处理 ， 硬度 为 1 5 0～ 2 6 0 HB 。其 中适于深孔加工的孔有通过拉杆的 通孔 1 8 m m及 2 8 m m， 深径 比2 5～ 3 5 及碟簧安装 孑 L 3 3 r n m及 5 4 mm， 深径比 1 01 5 。下面以合金 渗碳钢材料的主轴为例来说明。 在主轴的加工工艺 中， 深孔加工一般安排在主轴 的预处理阶段进行。主轴在淬火前 的工序为 锻造一 正火 校直 ， 弯 曲度小于 0 ． 5 m m 一粗车外圆及两端 面一钻深孔一渗碳 校直 ， 弯曲度小于 0 ． 2 m m 一找 正内孔车外 圆、 车内孔及扩孑 L 等一盐浴淬火。淬火后 由于工件硬度提高 ， 仅对非淬火部位进行切削加工 ， 而 对于淬火部位只能进行磨削， 所以主要 的切削过程及 材料去除量要求在淬火前完成。 深孔加工适用于工件批量大、 孔径规格单一 的场 合。因为对每种孔径需要配备相应规格 的钻头 、 钻管 及其他附具 ， 所 以在使用时就应最大程度地减少或统 一 孔径规格， 这样不仅使刀附具的种类少， 便于管理， 也有利于加工成本的降低。而生产现场的情况却与此 要求相差很远 ， 企业 内产品品种多， 主轴的结构类型和 尺寸也不尽相同， 若要深孔加工技术去适应这种 多规 格的加工对象是很不适宜的 ， 那么如何将深孔加工技 术应用到机床主轴的加工 中去 ， 这给我们 出了一道难 题。 对于机床主轴中像松拉刀孔这类孔， 应用深孔加 工技术的目的主要是提高效率和降低劳动强度， 并为 孔及外圆的后序加工提供一个好的基准。所以我们采 用如下的方法 在工件 主轴 还是实心料状态时， 将 不同种类主轴上松拉刀的孔的孔径统一成一至两种 ， 采用深孔加工方法完成通孑 L 加工， 而像碟簧安装孔等 工艺与检测T e c h n 0 Io g y a n d T e s l 其余规格的孔再以通孔为基础用麻花钻扩孔来完成。 此方法的优点是 ， 将不同种类的工件统一汇总后使工 件的批量得到加大 ， 孔径规格得到统一 ， 可以充分发挥 深孔加工技术在实心料钻孑 L 中的高效和高精度的优 势， 而对其余深径比不大的各孔， 在通孔的基础上进行 扩孔其加工难度也比以前大大降低， 不再成为影响生 产进度的一个瓶颈问题 。 2 ． 2 DF系统主要部件的设计要求 1 授油器结构设计 授油器的主要功能是为钻头提供稳定的 、 带压力 的切削液。授油器安装在车床的导轨上 图 3 ， 工作 时靠紧工件端面、 密封切削液 、 并随着工件旋转。当工 件的长度改变时还应便于移动和拆卸。授油器前端随 工件进行低速旋转 ， 后端随钻杆高速旋转 ， 在钻杆方向 还要有一定 的移动量 ， 以便于与工件端面密封 、 工件装 夹、 钻头装卸和检查。授油器前端的导向套定心精度 要求高， 磨损后要便于更换 。该授油器 的设计工作范 围是从 4 , 1 5～ 6 5 I 13 1 1 “1 ， 覆盖整个 D F系统深孔钻适宜 的 加工范围。 图3 DF 系统 深孔钻 改造 总体布局 图 2 连接器及传动机构设计 这部分结构的主要功能是为钻管提供动力和在钻 杆末端产生吸出切屑的负压 。连接器固定在车床的溜 板箱 卜， 随溜板箱 的移动产生进给。设计的加工范 围 是 1 8 ． 4～ 2 8 m m， 能满足常用的从 4 0号主轴到 5 0号 镗 、 铣类加工 中心主轴的深孔加工。由于深孔加工对 切屑的形状有特殊的要求 ， 需要切 削速度和进给量 的 配合来实现对不同材料切屑形状 的控制， 以满足排屑 的要求。这需要钻头 的速度在一定的范围能调整 ， 另 外当孔径不同时， 钻头的转速也应随着变化， 以满足功 效的要求。所以钻头的驱动装置还应有调速功能， 此 功能用变频器来实现。 3 冷却及排屑系统 切削液在深孔加工中起着冷却、 润滑、 冲刷、 减振 和消声的作用。冷却排屑系统主要由油箱 、 排屑箱、 油 泵、 过滤装置和液压件等组成。 在加工钢件时宜选用低粘度油类冷却润滑液， 最 好选用专用的深孔加工切削液。我们在试验时选用的 “ 长城” 牌特种切削油 M O O 0 6 ， 使用效果也不错。使 用时保持冷却液的清洁非常重要。脏的冷却液会导致 孔壁上润滑膜的破坏 ， 或使直径小的深孑 L 钻油路堵塞 ， 也容易使油泵和阀门等液压元件过早地磨损 。我们采 取 的措施是采用迷宫式的 回油路线 ， 以尽量增 加冷却 液在油箱内的流动距离 ， 减缓流动的速度 ， 保证污物能 有足够的时间来沉淀 ； 此外泵进油 口还需加装一定精 度的滤油装置 ， 并且在 回流的路径上及泵进油 口处放 置磁铁 以吸附冷却液中微小的铁屑。 油泵的压力和流量 一般根据所加 工孔 的孔径确 定 。查阅山特维克深T L D H 工样本知， 对于 西l 8 ． 4～2 8 1 3 1 1 1 1 的孔 ， 切削 液 流量 小 于 1 0 0 L ／ rai n ， 压 力 小 于 2 MP a 。我们选取流量为 8 0 L ／ m i n ， 压力为 2 ． 5 MP a的 齿轮泵 。 油箱容积在条件容许的情况下尽量 的大。理想的 情况是油箱容 量一般为油泵 每分钟输 出量 的 5～1 0 倍 ， 以保证切削液能正常冷却及污物 的沉淀 和分离。 但在车床上进行改造时 ， 油箱高度 和宽度要受到车床 中心高和床身后面空间的限制 ， 往往达不到上述要求。 最后油箱的容积定为 5 0 0 L ， 实际装油量约为 4 0 0 L 。 4 安全保护 由于深孔加工 的刀具 比较娇贵 ， 而且整个 切削过 程是在半封闭的状况下进行 ， 所以安全检测装置显得 尤为重要。目前深孔加工中较为先进的方法是对钻杆 的进给力 、 转矩及钻管 内冷却液压力进行的动态监测。 由于我们条件所限采取了下面 的保护措施 用车床 自 身的落下蜗杆结构来进行进 给保护 ， 通过实验设定一 个值 ， 当进给力超出后 ， 自动断开进给传动链 ； 采用压 力检测保护 ， 当切屑发生阻塞时 ， 授油器 中的压力会增 高， 压力开关发出信号， 由电气控制停车； 采用电气顺 序保护 ， 油泵 电动机与钻杆驱动电动机要有启动顺序 的要求 ， 先起动油泵电动机再起动连接器电动机 ， 以免 因起动顺序错误而造成连接器 内部机械密封装置 因干 摩擦而损坏。虽然这些措施的效果和可靠性与动态监 测的方法相比作用有限 ， 但还是能避免 出现严 重的故 障。 在本方案中利用车床的卡盘夹持工件 ， 给钻杆也 配置了驱动装置， 工件和钻头相对旋转， 并以钻头旋转 为主 ， 工件作辅助低速转动。在钻小直径 的孔时 ， 要求 转速高而所需 的功率较小， 可以选择钻头旋转工件 随 动的方式。当所加工 的孔径较大时 ， 要求转速有所降 低而功率增大 ， 可选择工件旋转而钻头不转动的方式 ， 这时可充分发挥车床主轴功率大的优势， 而不必为钻 刹 20 主 1 1篓 耋 一 耳 弗 1‘ 剐 表 1 T e s f 工艺与检测 项 目 内容 改进前 改进后 一 次装 夹 ， 一 次进给 完成 ， 切 削 加工时 间 加工工艺及切削时间 两次装夹 ，多次进给完成 ， 切削时间 9 0 m i n 时间 3 0 rai n 精度 I T 1 2～1 4 I T 9～l 0 内孔质量 表面粗糙 度 R 2 5 Ix m R 。 0 ． 8 3 ． 2}x m 孔的直线度 2 r n m ／ 5 0 0 mm O ． 2 ram ／ 5 0 0 mm 加长钻头 1 8 mmx 4 0 0 mm 每根 2 0 0元 ， 平均加 正常情 况 下 ， 每 支 钻头 加工 1 6 每加工 1 1／ 1 所付 出的刀具成本 工长度约为 7 0 m 以钻头 平均耐用 度 9 0 m i n计 m， 钻头单价为 1 2 0元 ， 则每米刀 经济效益 以每 算 ， 每米刀具成本为2 ． 8 元。 具成本7 ． 5 元。 年 加 工 5 0 0根 平均长度为 7 0 0 年 刀具费用 约 1 0 O O元 钻头 2 6 2 5元 ， 另加 钻管 1只需 mm 的 主 轴 计 1 2 0 0元 ， 共计 3 8 2 5元。 算 计算单 件 切 削工 时 以每 小 时 4 5元／ h 1 5元／ h 3 0 h计 年工时总额 4 5 5 0 0 2 2 5 0 0元 1 5 5 0 0 7 5 0 0元 杆配备大功率的驱动动力， 从而简化了机械结构， 避免 了浪费。这种车床主轴和钻杆都带动力的方案具有较 强的灵活性和实际意义。例如用 7 0 m ／ ra i n的切削速 度钻 4 , 1 8 ． 4 m m的孔时 ， 钻头 的转速 达到近 1 2 0 0 r ／ ra i n ， 这时可选用钻头作高速旋转， 而工件作辅助的低 速相对转动， 不仅能满足孔直线度要求， 也避免了工件 作高速转动带来的一系列问题。另外本方案不需要对 工件端面预先加工导 向孔 ， 这点对于主轴的批量化生 产有着重要意义。 3 结语 以 4, 1 8 m m钻头加工长度为 6 3 0 m m的主轴为例 ， 改进前后 的对 比见表 1 。 通过表 1可看出 ， 采用 D F系统深 孔加工方法后 孔的精度 、 表面粗糙度及直线度有很大程度的提高 ， 刀 具成本约为原来 的 4倍 ， 工时降为原来 的 1 ／ 3 。综合 考虑节省劳动力成本和工件年产量的增加所带来的效 益来计算， 总体的经济效益仍然可观。而且从劳动力 成本逐年增加的趋势来看 ， 其意义会显得越来越重要。 总的看来 ， 通过这次的技术革新 ， 普遍认为费用较 高的深孔加工技术应用 到机床主轴类工件加工 ， 是一 次有益的尝试 ， 不仅解决了主轴批量化生产时效率低 和劳动强度大的问题 ， 而且提高了深孔的加工质量 ， 为 降低主轴加工成本带来了很大的空间。 参考文献 [ 1 ] 王世清． 深孔加工技术f M] ． 陕西 西北工业大学出版社， 2 0 0 3 ． “ ‘ 0 平 舅；l 删 [ 2] 郎慧勤．机床主轴 动平衡 及其平 衡精度 标准选 择 [ J ] ． 机 床， 1 9 8 4 4 2 6 - 2 9 ． [ 3 ] 樊铁镔． 实心料的深孔加工 [ M] ． 成都 工具展望 编辑部 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