深孔加工机床的可重构研究.pdf

第 1期 2 0 1 3年 1月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o dul a r M a c h i ne To o l Au t o m a t i c M a nu f a c t ur i ng Te c h ni q ue NO ． 1 J a n ．2 0 1 3 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 3 0 1 0 0 9 9 0 3 深孔加工机床的可重构研究 张猛 ， 吴 伏 家 1 ． 中北大学 机电工程学院， 太原0 3 0 0 5 1 ； 2 ． 西安工业大学 机 电工程学院， 西安 7 1 0 0 3 2 摘 要 首先 对深 孔零件 族进 行 了分 析 ， 并给 出了相 应 的 结构 可行 性 方案 ； 接 着 分析 了深孔 机床 的可 重 构 性 ， 并在 此基 础上提 出 了可重构 深 孔机 床 的设 计 目标 ； 最后 ， 按 照模 块 化设 计 思想 ， 对 深 孔 机床 进 行 了功 能模 块 的划分 、 模 块结 构设 计及接 口设计 ， 实现 了可 重构 深孔机 床 的模块 化 。 关 键词 深孔 加 工 ； 可重 构机床 ； 模 块化 中图分 类号 T H 1 6 ； T G 5 0 2 文献标 识 码 A A S t udy o f Re c O n f i g ur a bl e De e p- Ho l e Pr o c e s s i ng M a c h i ne To o l Z HANG Me n g ，WU F u ． -j i a 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g ，N o r t h Un i v e r s i t y o f Ch i n a ，T a i y u a n 0 3 0 0 5 1 ，C h i n a； 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l En g i n e e r i n g ，Xi ’ a n T e c h n o l o g i c a l U n i v e r s i t y ，X i ’ a n 7 1 0 0 3 2，C h i n a Abs t r ac tF i r s t l y，t h e d e e p h o l e pa r t f a mi l y wa s a na l y z e d，a n d t he v i a bl e s o l u t i o n o f t h e c o r r e s p on d i n g s t r u c t u r e i s g i v e n；Th e n t h e r e c O n f i g ur a bi l i t y of t h e de e p h o l e pr o c e s s i n g ma c h i n e t o o l wa s a n a l yz e d，a n d on t h i s b a s i s ，t he d e s i gn g oa l s o f r e c O n f i g u r a b 1 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 h a v e b e e n p r o p os e d； Fi n a l l y，a c c o r d i n g t o t he mo d ul a r d e s i g n c o n c e p t ，t h e f u n c t i o n mod u l e’ S d i v i s i o n，t h e mo d u l e s t r uc t u r e de s i g n a n d i n t e r f a c e d e s i g n o f t he d e e p ho l e ma c hi n e t o o l a r e c a r r i e d o u t ， a n d t h e mo d u l a r d e s i gn o f r e c O nf 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 oo l i s i mp l e me n t e d． Ke y wor ds d e e p h o l e pr o c e s s i n g；r e c O nf i g u r a b 1 e m a c hi n e t o o l ；mo d u l a r i z a t i o n O 引 言 深 孔 加工 是 机 械 加 工 领 域 的 一 个 重 要 分 支 ， 现 已广 泛 应 用 于 石 油 、 煤 炭 采 掘 、 船 舶 、 车 辆 、 航 空 航 天 、 冶 金 、 模 具 、 化工 等 不 同 行业 的装 备 制 造 ， 且 占有 越来越重要 的地 位⋯。随着 经济 全球化 趋 势 的深 化 ， 客户需求 日益多样化和个性化 ， 产 品品种持续增 多 、 市 场生命 周 期不 断 缩 短 ； 而 目前 专 用 的深 孑 L 机床 加工对象是确定不变的 ， 且功能单一 、 造价 昂贵 ， 完 全 无法 适应 这 种 趋 势 ， 这 直 接 催 生 了 可 重 构 深 孔 加 工 机床 的研 究 。 1深孔零件族分析 可 重构 机床 是 面对 零 件 族 而非 单 一 零 件 而设 计 制造的， 加工任务改变时需要针对 具体零件 的特征 而重构机床 包括硬件和软件 。在机械制造业 中， 一 般将孔深超过孔径 5倍的 圆柱孔称 为深孔 ， 具 有深 孔 特征 的零 件 的集合 称之 为深 孔零 件族 。 深 孔零 件按 工 件 的外 形 结 构 可 分 为 回转 体 零 件和非 回转体零件。对于 回转体零件一般采用工件 旋转 、 刀具进给 或刀具旋转并进给 的方式加工 ， 工 件 的装 夹 比较简 单 ， 使 用 三爪 卡 盘 和 中心 架 即 可 ； 而 对 于非 回转 体 零 件 的 加 工 则 要 采 用 工 件 固定 、 刀 具 旋转 的方式 ， 且 需根据工件 的具体结 构设计专 门的 工 装 。 深 孔零 件 按 尺 寸 大 小 可 分 为 特 小 直 径 深 孔 零 件、 小直径深孔零件、 中直径深孔零件 、 大直径 深孔 零 件 和超大 直径 深 孔零 件 。特小 直 径 深孔 件 是 指 直 径 在 I m m 以下 的深 孔 ， 超 大 直 径 深 孑 L 件 指 直 径 大 于 1 8 0 ra m 的深孔 ， 这 两 类 深 孔 件 的加 工 一 般 不 采 用 机 械加 工 方式 ， 而 采用 激 光 、 电解 或 电火 花等 特 种 加 工 技 术 加 工 ， 特 种 加 工 技 术 亦 能 解 决 各 种 超 强 、 超 硬 、 超韧 、 超 脆或 超 软材 料 的 深孔 加 工 问题 ； 小 直 径 深 孑 L 件指直径在 I mm～1 8 mm的深孔 ， 这类深孔的加工常 采用枪钻 ， 枪钻的应用范围很广 ， 既可用 于回转体零 件的加工， 又可用于非 回转体零件的加工 ， 如辅以相 应的措施 ， 还可加工平行孔 、 坐标孔、 周边孑 L 、 交叉孔 和 断 隔孑 L 等 ； 中 直 径 深 孑 L 件 指直 径 在 1 8 m m ～6 5 m m 的深孔 ， 常采用 B T A钻进行加工， B T A钻加工效率 比 枪钻高 ， 加工精度能满足一般精度要求 ， 如增加负压 装置 构成 D F系 统 ， 亦 可应 用 于小 直径 深 孔 的加 工 ； 收稿 日期 2 0 1 20 60 4 作者简介 张猛 1 9 8 7 一 ， 男 ， 河北人 ， 中北大学机电工程学院硕士研究生 ， 主要从事深f L , ll 工设备 、 工具及加 工方法 的研究 ， Em a i l a e r o c r a fll 1 6 3 ． c o rn。 1 0 0 组合机 床与 自动 化加 工技 术 第 1期 大直径 深孔 件指 直径 在 6 5 m m ～1 8 0 m m 的深 孔 ， 常常 采用机 夹式 B T A钻或 者 采 用 扩 孔钻 ， 在 机床 功 率 不 足或 工件 为 贵重 金 属 材 料 的情 况 下 ， 可 采 用 套 料 钻 加工 ． 、 深孑 L 零件 按 精 度 等 级 可 分 为 精 密 级 和 普 通 精 度级 。零 件要求 的精度 等 级 与采 用 的加 T T 具 密切 相关 。一 般情况 下 ， 枪钻 的加 工精度 要 高于 B T A钻 ， 但 由于 B T A钻 采 用 内排 屑 的方 式 ， 避 免 了切 屑 与 已 加 丁孔壁 的接 触 ， 可有 效 的减 少 划 痕 ， 故 其 表 面 粗糙 度要 优于 枪 钻 。另 外 ， 工 件 坯 料 在 采 用 实 体 钻 或 套 料钻 加工 后 ， 如果 达不 到 规定 的精 度或 粗 糙 度要 求 ， 就需 要 采 用深 孔精 加 工 工具 进行 二 次加 工 甚 至 更多 次数 的加 工 。用 于 深 孔 精 加 工 的工 具 有 枪 铰 刀 、 减 振 镗刀 、 精 密磨头 和珩磨 头 等 。 2 深孔加工机床 可重构 性分析 进 行可 重构机 床 设计 的主 要 目的是 使机 床 能 快 速 低成 本地 适 应 被 加 工零 件 的各 种 变 化 ， 如 尺 寸大 小变 化 、 几 何 形 状 变 化 、 产 品批 量 变 化 、 加 T T 艺变 化 、 精度 要 求变化 和材 料属 性变 化等 。 1 适应 零件 外形 尺寸 变化 对 于不 同外 形 尺 寸 的零 件 ， 可 相 应 准 备 具 有 不 同尺 寸 大 小 的 机 床模 块 库 ， 如 床 身库 、 导 轨 库 、 ] 二 作 台库 、 主轴 库等 ， 通 过改 变 机床 模 块 实现 机 床 的 可重 构性 。另 外 ， 床 身还 可做 成 标 准分 段 式 ， 便 可 根据 加 I 工件 的 长度对 床 身随时进 行 调整 。 2 适应 零件 几何 形状 变化 对 于具 有 不 同 几何 复 杂 性 的零 件 ， 可 通 过 添 加 新 的运 动单 元 或将 现 有某 一运 动 单元 替换 为多 自由 度地运 动单 元 来 增 加 机 床 的 联 动 轴 数 ， 从 而 实 现 机 床的可重构。例 如， 加 工零件 由同转体单孔件改变 为非 回转 体 坐标 孔 件 时 ， 就 需 要 将 机 床 由原 来 的丁 件旋转 、 刀 具进 给加 工 方式 变 为工件 同定 、 刀 具 旋转 进给 的方 式 ， 即将 原 来 的主 轴 箱 更 换 为 两 坐标 作 台 可升 降和前 后移 动 ， 并添加 钻杆 箱动 力头 。 3 适应 零 件生产 批量 的变 化 为 了提高 产 品生 产 率 ， 机 床 的 主 轴 单 元 可 由单 主轴 变为 双主轴 或 多 主轴 单 元 。多 主轴 单 元 是 提 高 产 品生产 率 的有 力 1 二 具 ， 具 有 不 同加 lI速 度 和加 T 能 力 的模 块 化 主轴 单 元是 可 重构 机 床 响应 产 品批量 变化 的最 佳途 径 。 4 适 应零 件加 TT 艺变化 由于 加 TT艺 的变化 ， 不 仅 要 改变 加 T 刀具 如 枪钻 、 B T A钻 、 喷吸 钻 等 ， 深孔 机 床 的配 置 前 后装 置 也 要做 相应 的变 化 。例 如 ， 枪钻 系 统 的前 装 置 为 导套 和集 屑箱 ， 后装 置 为钻 杆 卡 座 和授 油 器 ； 而 B T A 系统 的前 装 置 为 导 套 和 授 油 器 ， 后 装 置 为 钻 杆 卡 座 及 排屑装 置 。另外 ， 当需 要 车外 圆及加 工 螺 纹 时 ， 还 可 在深孔 机床 上集 成 车削模 块 。 5 适 应 零件加 工精 度变 化 与适 应零 件 加 T T 艺 的 变 化 相 似 ， 可 通 过 改 用 深孔 精加Z i ll 具 及其 辅 具 来适 应 零 件加 T 精 度要 求 的变 化 。但 值得 注 意 的是 ， 可 重构 机 床 南模 块 组 成 ， 其 中每一 模 块 都 具 有 特 定 的接 口。在 这 种 情 况 下 ， 机床 重构会 引起 叠 加误 差 ， 影 响 机 床精 度 。 另外 ， 加 T精 度 同时还 受 机 床 的静 态 刚 度 、 动 态 刚度 和 热 变 形 的影响 。 3可重构深孔机床的设计 目标 呵重 构深 孔加T 机 床 的设 计 目标 是 要 提 供 一 台 面 向深孑 L 零 件 族 内零 件 加 工 的 可 重 构 机 床 ， 具 体要 求如 下 1 可重构深孔加工 机床要具 有模 块化 的结 构及 统一 的、 标 准化的接 口， 即实现深孔机床 及其元 、 器 、 部 件 和软件的模块化 和标准化 。模块 化设 计是实现 可重 构 的前提 ， 以下 目标 的实现都要 以此为基础 2 可重 构 深 孔 加 工 机 床要 填 平 深 孔 机 床 在 加 直径 范 围上 的鸿 沟 ， 通 过 模块 的重 新 配置 与 组 合 ， 方便地 实现枪 钻 系统 外排 屑 方 式 与 B T A系 统 、 喷 吸钻 系统及 D F系统 内排 屑方式 的转 换 ， 使广 大企 业 不再 为必 须 同时拥 有 内、 外 排 屑两 类 机床 而 担 忧 。 企 业 可 以根 据 自身所 需 要 的深 孔 件 孔 径 范 围 ， 选 择 与之相 适应 的功 能模 块 ， 组 合 成 不 同尺 寸 规 格 的深 孔机 床 。 3 可重 构 深 孔 加 工 机 床 除 要 兼 容 实 体 钻 、 扩 钻 、 套 料加 丁之 外 ， 还 要 兼 容镗 、 铰 、 珩 磨 等 深孔 精 加 丁 ， 甚 至可 集成 激光 、 电解 和超 声 振 动钻 削 等 特 种加 T功 能 ， 使 深 L T J H T方 法实 现全 方位 化 。 4 可 重构 深 孔 机 床 应 能 够 实 现 所 有 种 深 孔 加 丁方式 即工 件旋转 ， 刀 具 进 给 ； T件 同定 ， 刀 具旋 转进 给 ； T件 与 刀具相 对 旋转 ， 刀具 进 给 ， 实 现 加 ] 二 方式 的全方 位化 。 4可重构深孔加工机床的模块化设计 _n 丁 重 构机 床 的主要 特 点在 于 其 具有 模 块 化 结 构 和可 重构 能 力 ， 即 能 够 通 过 对 机 床 组 成 部 件 或 模 块 的重 组 与更 替 ， 调 整 其 加 T 功 能 和 某 些 性 能 ， 及 时 、 高效 地满 足被 加T 零 件 的各 种 变化 需 求 。 同时 这 也 为机 床部件 在其 生 命 周 期 内反 复 重 用 ， 最 大 限 度 地 实现 设备 改造 、 更新 的节 约化 、 高 效 化 提供 了一 条 有 效途 径 。可重 构机 床 的特 点 决定 了它 必须 采 用 模 块 化设 计 。 目前 ， 深孔 加 工 技术 发 展 的 已 比较 成 熟 ， 深孔 装备 逐 步 趋 向标 准 化 ， 这 为 深孑 L 机 床 的模 块 化 设计 奠定 了基 础 。 4 ． 1功 能模块 的划 分 功 能模块 的划 分就 是 根 据机 床 不 同部 件 的不 同 功 能对机 床 的总功 能 进行 分 解 ， 形 成 不 同级 别 、 不 同 层次 的子 功 能 ， 是 模 块 化 设 计 中 的 一 项 基 础 性 和 关 键 性 的工作 。模块 的划分 既要 满 足市 场 需求 和使 用 要 求 ， 又要 考 虑 生 产 管 理 方便 ； 既 要 达 到 设 计 简 便 、 模块数量尽可能少、 降低制造成本 ， 还要考虑到该模 块 系列 将 来 的 进 一 步 扩 展 及 向 相 近 类 型 产 品 的 辐 2 0 1 3年 1月 胡志达 ， 等 基于 P L M 的叶片工艺设计过程分析与研究 1 0 5 系统 中用 户工 作 界面 如 图 6所示 。 [ 2 ]刘炬明， 吉卫喜， 陈大蓬．基于 P D M的叶片数字化模型 图 6工艺变更签审流程 实现及 用户 使用界面 3 结束语 将 实际 生产 活动 中连续 抽 象 的流 程 离 散化 是 能 否在 P L M系统中实现的关键 。文章运用 P L M流程 管理 理 念 与 方法 ， 并 结合 具 体 P L M 软 件 流 程设 计 模 块 ， 提 出了 “ 自顶 向下 ， 逐 层 细 化 ” 的 流 程 分 析 方 法 ， 为流程在系统中实现提供 了理论依 据 ， 并 在系统实 施 中证 明该 方 法 可行 性 。在 此 基 础 上 ， 围绕 企 业 在 工 艺设 计 过程 中具 体 问题 ， 提 出相应 解 决 方 案 ， 提 高 了工艺签审效率 ， 保证 了签审信息准确性 、 一致 性 ， 使企业管理更加科学化 、 信息化、 系统化 ， 为即将开 展的结构化工艺做好准备。 [ 参 考文献] [ 1 ]袁焕 武 ， 樊红 丽．P D M工作流在企业 中的实施 [ J ] ．自动 化技 术与应用 ， 2 0 0 6 ， 2 5 4 2 6 2 7 ． 管理系统 的开发 [ J ] ．组合机床 与 自动化 加工技术 ， 2 0 0 9 3 1 0 51 0 8 ． [ 3 ]罗海滨 ， 范玉顺 ， 吴 澄．一种面 向用户 的工作 流模型 [ J ] ． 计算机集成制造 系统 ， 2 0 0 0 ， 6 3 5 5 5 9 ． [ 4 ]郑青春 ， 胡亚辉 ， 吕慧娟．面 向 P D M ／ P L M 的制造信 息管 理与集成技 术研 究 [ J ] ．组 合机 床 与 自动化 加工 技 术 ， 2 0 0 8 7 8 48 9． [ 5 ]罗海滨 ， 范玉顺 ， 吴澄．工作流 技术综述 [ J ] ．软件学报 ， 2 0 0 0， 1 1 7 8 9 99 0 7 ． [ 6 ]张华．基 于 P D M 的工 艺管 理技术研 究 [ D] ．武汉 华 中 科技大学 ， 2 0 0 6 ． [ 7 ]G u n t h e r S c h u c h ， H e n r i q u e R o z e n l d D i r k A s s m u s ， E d u a r d o Za nc u l Pr o c e s s o r i e nt e d fra m e wo r k t o s u pp o r t PLM i m p l e m e n t a t i o n [ J ] ．C o m p u t e r s I n I n d u s t r y ， 2 0 0 8 ， 5 9 2 1 0 2 1 8 编辑李秀敏 上接 第 1 0 1页 可 重 构深孔 加 工机 床 的接 口设 计 的重 点 即刀 辅 具与支承部件、 动力部 件之间的接 口， 具体地说 ， 即 前 装置 与 拖板 之 间 的 接 口， 以及 后 装 置 与 动 力 头 之 间的接 口。前 者 可 采 用 燕 尾 槽 定 位 、 螺 栓 固定 连 接 的方式 ， 如 图 4所 示 ； 而 后 者 可 采 用 锥 柄 或 法 兰 盘 ， 如 图 5所示 。 4 ～ p 一 度 一 柄 法兰盘 图 4前装置接 口 图 5 后装置接 口 5 结束语 可重构机床作为可重构制造系统 的重要组成部 分 ， 其模块化的设计使得机 床在使用过程 中可根据 加工需要快 速进 行功能转换 ， 从而解决传统 深孔 加工设备加工功能单一、 无法调整加工任务、 设备一 次性投入较大等问题 。文章从深孑 L 零件族的分析人 手 ， 对 深孔 加 工机 床 的可 重 构 性进 行 了研 究 ， 最终 完 成 了可重 构深 孔加 工机 床 的模块 化设 计 。 [ 参 考文献] [ 1 ]王峻．现代深孑 L 加工技术 [ M] ．哈尔滨 哈尔滨工业大学 出 版 社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ]杨顺 田， 杨 天雄 ， 彭美武 ．深孔钻断排屑 机理与变切 深加 工数控宏程序 研 究 [ J ] ．组合 机 床与 自动 化 加工 技术 ， 2 0 1 2 4 8 08 3 ． [ 3 ]赵松年 ．机电一体化系统设计 [ M] ．北京 机械 工业 出版 社 ， 2 0 0 4． [ 4 ]游 有鹏 ， 张 晓峰 ， 朱剑英．可重构机 床的模块 化设计 [ J ] ． 机械科 学与技术 ， 2 0 0 1 6 1 51 8 ． [ 5 ]隋秀凛 ， 高安邦 ．实用机床设 计手册 [ M] ．北京 机械工 业 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 6 ]赵 中敏．模块 化设计 在现 代机 床生 产 中的作用 [ J ] ．精 密制造 与 自动化 ， 2 0 0 6 1 3 63 7 ． [ 7 ]赵 中敏．可重构 机床 模块 化设计 技术 研究 [ J ] ．世界制 造技术 与装 备市场 ， 2 0 1 0 1 9 61 0 0 ． [ 8 ]许 虹 ， 王庆 明．可重构机床设计 基本理论研 究 [ J ] ．组合 机床与 自动化加工技术 ， 2 0 0 5 4 3 9 4 2 ． 编辑李秀敏