基于Z8016 深孔鉆床高速化改裝的結構設計*

馬 龍 沈興全 任曉敏

(①山西省深孔加工工程技術研究中心 山西 太原030051;②中北大學，山西 太原030051)

在機械加工行業不斷向精密化、高速化方向發展的過程中，傳統的深孔加工機床在加工質量、效率等方面已經跟不上現代機械加工業的發展步伐。Z8016 深孔鉆床是針對小直徑深孔(直徑小于20 mm)加工的專用設備，屬于60 年代國產老式深孔鉆床，其在加工速度與產品質量等方面已經很難滿足現代深孔加工業越來越高的要求。通過將高速鉆削技術與深孔加工技術相結合，對Z8016 深孔鉆床進行高速化改裝，可以使其加工效率和產品質量大大提升。

1 改裝參數

通過結合Z8016 深孔鉆床在生產加工過程中的使用經驗和實際需要，對Z8016 深孔鉆床在高速化改裝后所要達到的加工參數如表1 所示。

表1 Z8016 深孔鉆床高速化改裝前和改裝后參數對比

2 高速化改裝總體設計

Z8016 深孔鉆床的高速化改裝主要針對機床和深孔加工系統兩大部分:機床部分包括主傳動系統、進給系統的改裝;深孔加工系統部分包括重新選擇一套適應高速加工的深孔加工系統以及切削液壓力和流量的重新確定。改裝后機床總體結構如圖1 所示，改裝后的部件要同時具備剛性好、質量輕的特點，以滿足機床高速度和高加速度的要求。

3 機床部分改裝

3.1 機床主傳動系統改裝

由于改裝后的Z8016 深孔鉆床加工過程中的主軸轉速很高，其主傳動方式(主電動機+皮帶傳動+齒輪變速)已經不能滿足加工需求，需要改裝為電主軸直接驅動的主傳動方式［1］。電主軸系統結構簡單緊湊，轉動慣量很小，能提高主軸系統的剛性和臨界轉速值，并且使主軸系統更為平穩，同時還能很好的解決傳統主軸系統振動和噪聲問題［2］。根據所要求的改裝后主軸轉速和進給速度等參數，經過計算分析后選取的電主軸型號為SDS110 -30 -24Z/4.5。該型號電主軸冷卻方式采用水冷，由于其轉速相對較低，潤滑方式采用脂潤滑。

3.1.1 電主軸的安裝

電主軸在Z8016 深孔鉆床上的安裝如圖2 所示，電主軸通過專用支座1 固定在機床床身上，通過支座的內壁與電主軸外圓面之間的配合將電主軸進行定位;通過調節螺栓2 帶動壓蓋7 向左運動產生夾緊力，夾緊力通過過渡壓塊4 傳向壓環8，進而傳向壓塊6，最終均勻作用于彈簧漲套3，彈簧漲套產生形變，將電主軸鎖緊。這種電主軸專用夾緊機構具有較高的夾緊剛度，且其對中性好，安裝簡單方便，夾緊可靠［3］。

3.1.2 卡盤的選取

改裝后的Z8016 深孔鉆床進行高速加工時卡盤會產生很大的應力和離心力，由于其所使用的三爪卡盤不適用于主軸轉速很高的加工過程，所以將其替換為專用的高速多層卡盤，其結構如圖3 所示，當主軸轉速很高時，能夠產生很大離心力，使離心塊向外運動，帶動楔形夾緊內環向右滑動，通過擠壓由彈性材料制成的工件夾緊塊將工件夾得更緊［1］。

3.2 機床進給系統改裝

高精度機床的進給系統一般需要滿足摩擦系數小、慣量小、諧振頻率高、精度等級高、無間隙以及阻尼比大小適宜的設計要求，以保證加工精度和工作平穩性［4］。小直徑深孔的加工過程一般都是一次鉆成，其鉆削過程要求的加工精度很高［5］，所以改裝后的Z8016 深孔鉆床采用內循環浮動式墊片預緊滾珠絲杠副，使用伺服電動機通過聯軸器對滾珠絲杠進行驅動，保證進給速度的穩定。機床進給系統總體結構如圖4 所示。

3.2.1 滾珠絲杠副與伺服電動機的選用

滾珠絲杠副的精度將直接影響機床的加工精度。絲杠的剛度和轉動慣量都隨著直徑增大而增大，并且所選絲杠的精度高低直接影響進給系統的精度和機床設計成本［5］。經過綜合計算分析，改裝后的Z8016 深孔鉆床所選用的滾珠絲杠副為NFD5010 -4 型內循環浮動式墊片預緊滾珠絲杠副，精度等級為3，同時選用ASMT07L250BK 型伺服電動機進行進給驅動，能夠滿足改裝后所要達到的各方面要求。

3.2.2 進給系統支撐與聯接結構的設計

為了滿足高速化改裝后Z8016 深孔鉆床的高加工精度，其滾珠絲杠副采用兩端固定的支撐方式，選用組合方式為面對面組配的接觸角為60°的推力角接觸球軸承單元，能夠更好的承受軸向載荷，并利用軸承的預緊力對絲杠進行預拉伸以避免熱變形對絲杠的影響。伺服電動機和滾珠絲杠間通過單向彈性膜片無鍵聯軸器聯結，該聯軸器采用了漲緊套結構，軸上不用加工鍵槽，使轉動間隙完全消除，轉動更加平穩，裝卸更加方便［3］。

4 深孔加工系統改裝

4.1 深孔加工系統的重新確定

相對于改裝前的Z8016 深孔鉆床而言，高速化改裝后的Z8016 深孔鉆床因主軸轉速和進給速度有很大提高，致使切屑量很大，改裝方案采用了能保證大切屑量鉆削順利進行的SIED(單管內排屑噴吸鉆)深孔鉆削系統。SIED 技術是由中北大學王峻教授取得的研究成果，其采用了與DF(雙向供油)系統相類似的排屑方式，同時結合了槍鉆焊接刀桿、整體燒結鉆頭的特點(SIED 深孔鉆如圖5 所示)，適用于小直徑深孔加工，在加工過程中能夠對切屑和切削液混合物施加推、吸雙重作用，促使其迅速向外排出，即使是連綿不斷的長螺卷狀切屑也能將其順利排出，運用在Z8016 深孔鉆床的高速化改裝中能很好的解決了大切屑量排出問題［7］。

SIED 深孔鉆削系統結構如圖6 所示，將流量為Q0的切削液(46#機械油與煤油以1∶ 3 比例混合物)通過可調節流閥分為Q1與Q2(比例為2∶ 1)兩部分，使Q1流量的切削液通過授油器對鉆削區和刀具進行冷卻和潤滑，并通過鉆桿內部進行排屑作用，同時使Q2流量的切削液進入聯接器間隙為δ 的射流噴嘴環形通道進行負壓抽屑，加快排屑速度。

4.2 切削液壓力及流量的確定

由于Z8016 深孔鉆床所加工孔的直徑較小，常因斷屑排屑效果不好導致堵塞，鉆床經過高速化改裝后切屑量大大增加，其斷屑排屑問題更加突出。通過對圖7 的理論建議值和生產過程中實際需要的綜合考慮下，高速化改裝后的Z8016 深孔鉆床在運用SIED 深孔加工系統的基礎上將切削液最大壓力控制在8.3 MPa，最大流量控制在87 L/min，選擇YS5022 型三相異步電動機驅動CBF-E80 型中高壓齒輪泵以提供加工過程中切削液所需的壓力和流量［8］。

5 改裝后深孔鉆床使用結果

運用高速化改裝后的Z8016 深孔鉆床加工軸類工件(硬度為140HB、材質為鑄鐵、孔徑為15 mm、長度為700 mm)內孔，采用4030 涂層硬質合金刀片SIED 深孔鉆(焊接刀桿型)，通過對整個加工過程的跟蹤研究，得出了以下結果:

(1)工件的加工時間由25 min 縮短至8 min，且所加工出的內孔直線度由1.5 mm 提高到0.8 mm 水平。

(2)加工過程中所產生的噪聲相對于改裝前明顯減小。

(3)所加工的深孔內表面精度達到0.58 μm，滿足加工要求。

6 結語

本文通過對舊式Z8016 深孔鉆床進行了高速化改裝，克服了其加工效率低，穩定性差的缺點。與高速化改裝前相比，高速化改裝后的Z8016 深孔鉆床的加工效率與穩定性明顯提高，加工出的產品質量更優，在使用過程中體現出了優良的性能，對舊式深孔機床的現代化高速化改裝具有實際參考意義。

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