數控深孔鉆鏜床的設計與研究

譚德寧 梁斌順 王一嶺 楊明朋

（山東普利森集團有限公司，山東德州 253003）

當今對內孔加工的精度和表面質量不斷提高，特別對淬火鋼（≤C32）、硬鋁合金和鈦合金等難加工材料的深孔加工，內孔對外圓的同軸度不好保證，材料硬、鉆頭容易磨損、鉆削力大、鉆桿強度相對較弱和切削溫度高等因素，使切削用量受到限制，傳統的深孔鉆鏜床存在難以解決的問題，如圖1所示。實踐證明:深孔加工如果采用超聲振動鉆削可局部地改善內孔質量，但不能明顯改善。

為此，本文研究設計了一種帶支承臺的鉆桿結構，可以將支承臺放入已鉆削過的內孔中導向，對于孔深≥3 m的加工工件效果特別顯著，作為精密內孔的鉆削尤顯突出，可以明顯改善內孔對外圓的同軸度，獲得傳統深孔鉆鏜床無可比擬的加工精度和效率。

1 深孔鉆削的內排屑加工法

機床設計，對于深孔加工是一項難度較大的技術，到目前為止，仍處于不斷改進、提高的階段。內排屑深孔鉆在工作中，切屑是從鉆桿內部排出而不與工件已加工面接觸，可獲得較好的加工表面質量。內排屑深孔鉆的工作原理如圖2所示，切削液在較高的壓力（約2～6 MPa）下，由工件孔壁與鉆桿外表面之間的空隙進入切削區以冷卻并將切屑經鉆頭前端的排屑孔沖入鉆桿內部向后排出。內排屑深孔鉆適合于加工直徑在20 mm以上、孔深與孔徑比不超過100的深孔，加工精度達IT7－IT9，表面粗糙度不超過Ra3.2 μm，但內孔相對外圓的同軸度不高。對于加工1 m的工件，同軸度為0.1 mm;對于加工2 m的工件，同軸度為0.3 mm;對于加工3 m的工件，同軸度為0.8 mm;對于加工≥4 m的工件，同軸度為≥1.2 mm;對于加工6 m的工件，同軸度為3 mm。由此可知，工件長度越長同軸度越差，誤差逐漸增大。對于BTA噴吸鉆、DF噴吸鉆系統亦是如此。

2 帶支承臺的鉆桿結構總體布局

2.1 起因

如圖3所示為等直徑鉆桿工作時的情況，由于鉆頭鉆削時受一個工件的軸向推力，鉆桿固定架或鉆桿箱推著鉆桿工進，所以鉆桿為兩頭受壓的受力狀態，鉆桿會產生圖示徑向δ的彎曲變形，使得鉆頭軸心線與工件的軸心線有一個夾角，這是產生鉆孔偏斜的根本原因。

傳統的加工方法是通過深孔鏜削來消除鉆孔時的壁厚偏差，對于孔深≥3 m的工件校正很不方便，不僅效率低而且精度差。現在已經出現了新的加工工藝方法，可在鉆桿適當的軸向長度上加幾個支承臺，縮短軸向懸長，減小彎曲變形量δ，孔的同軸度可以通過一次鉆削來實現，為下道工序如鏜削提供有利條件。

2.2 結構總體布局

在現有深孔鉆技術的基礎上，利用結構革新和數控技術研究設計了一種帶支承的鉆桿結構，如圖4所示。

它由深孔鉆1和帶支承鉆桿2連接，安裝在雙點劃線所示的授油器3上，鉆頭直徑和支承臺名義尺寸一樣，支承臺尺寸比鉆頭直徑小0.01～0.03 mm，這樣在通過導向套和已加工內孔時能安全導向;為了確保授油器后端冷卻油的密封，在鉆桿小徑處配有開合密封環5，材料為尼龍66，它由兩個水平液壓缸6實現對鉆桿的抱緊和松開，開合密封環5兩端有45°錐面，當支承臺通過時可沿擋環4上的導向槽實現徑向定向移動，通過擰緊鎖緊套7壓縮開合密封環5實現軸向有合適的壓力便于封油。水平液壓缸6實際為水平安裝，這樣與回油斗9不干涉。開合支承套8有3套，端面可參看A－A視圖，它由2個半環組成，材料為錫青銅，對鉆桿有減磨作用，打開時可以讓鉆桿上的支承臺通過，閉合時可以對鉆桿進行定位支承，充當鉆桿支承套的作用。3套開合支承套8的運動有一定的邏輯順序;在邏輯控制上，開合密封環5和開合支承套8總是一開一閉，兩者的進、出油口反接串連，在此時可以適當增大流量來保證了授油器內腔的冷卻液正常供給。回油斗9安裝在授油器的后部，將帶支承鉆桿2和一個開合支承套8罩在里面，即使開合密封環5和開合支承套8有少量漏油，也能將油液通過回油斗9流回冷卻油箱。

2.3 新鉆桿結構

帶支承鉆桿的結構如圖5所示，以φ60 mm深孔鉆桿為實例進行介紹，如圖5所示。它由通用鉆桿部分1、支承臺部分2和通油槽3組成，軸向間距為800 mm、1 500 mm和2 000 mm，這樣便于導向支承。從A－A截面視圖可知，支承臺部分2是四瓣圓弧結構，開有4條通油槽為冷卻液通過提供通道，外徑φ60g6，槽底直徑φ44 mm（便于加工），4條通油槽的空間尺寸完全滿足所需流量的供給要求。這種結構既能起定位支承又能過油，滿足內排屑深孔鉆削要求。800 mm+1 500 mm+2 000 mm=4 300 mm，可以滿足5～8 m的加工工件的要求，如果需要加工4.5 m以下的工件時可以刪去最后一個支承臺。

3 液壓開合卡具設計

圖6所示為液壓開合卡具，是實現開合支承套定時開閉的裝置，用液壓控制。授油器內部的開合支承套，只需縮小油缸5外徑或削扁即可安裝。開合支承套4、8內襯材料為錫青銅，對鉆桿有減磨作用。它的開合依靠撥動臂1、10帶動。油缸5由兩個活塞桿3、7和兩個端蓋2、9組成。撥動臂1、10的運動由活塞桿3、7帶動，而活塞桿3、7的運動方向由液壓系統的電磁換向閥控制。開合支承套4、8采用燕尾導軌導向，間隙由斜鑲條11調整。鉆桿6的支承臺通過依靠液壓卡具的開合來實現;液壓缸閉合時的限位依靠缸體內臺階控制，活塞桿3、7移動到與缸體內臺階相碰時就停止運動，確保了定心位置的準確性。為了保證液壓缸的長期使用，外面采用YX密封圈，內部使用3排O型密封圈。

4 數控系統

因為后兩個液壓開合卡具是安裝在移動拖板上的，在工作時位置是隨時變動的，所以，在3個開合支承套的后部必須都安裝接近開關，卡具的即時張開與閉合保證了不會誤動作妨礙鉆桿通行;接近開關利用鉆桿直徑的變化來發送電信號，當鉆桿支承臺靠近開合支承套時，接近開關發出一個相應的電信號輸入到數控系統（圖7），數控系統分析是哪一個開合支承套應該打開，發出相應的控制命令輸出給液壓系統，控制二位五通電磁換向閥的得電或失電，液壓系統控制相應的液壓缸動作實現帶支承鉆桿順利通行。鉆桿的支承臺長度L1與開合支承套的長度L2是一個定值，當接近開關發送一個電信號時，數控系統開始計時，當進給速度與時間的乘積為（L1+L2+10）mm時就發出相應的控制命令輸出給液壓系統，開合支承套閉合實現定位導向。

同理，當加工完工件后，鉆桿開始后退，也需要保證帶支承鉆桿順利通行。每個鉆桿支承臺前進時對授油器后端支承臺的軸向位置是固定的，數控系統具有記憶功能，能夠將每次開合的軸向位置輸入RAM存儲器，設其中一個軸向位置是a，那么當鉆桿后退到（a+2L1+L2+10）mm時數控系統就發出相應的控制命令輸出給液壓系統，開合支承套張開保證鉆桿順利通行。這樣，通過數控系統的數據儲存和計算功能，實現了鉆桿的安全后退。

5 結語

通過上面的論述，帶支承臺的鉆桿和普通鉆桿一樣都能順利通過鉆桿支承架、授油器和已加工工件的內孔，滿足內排屑深孔鉆的鉆削條件，數控深孔鉆鏜床與普通深孔鉆鏜床一樣能正常工作，這樣就減小了傳統鉆桿軸向過長產生的彎曲變形，從而降低了加工工件內孔對外圓的出口偏差，使內孔相對外圓的同軸度得到提高，因此，使深孔鉆削技術邁上一個新臺階。

［1］陳心昭.現代實用機床設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［2］李鶴軒.機電一體化技術手冊［M］.北京:機械工業出版社，1999.