深孔鏜床一體化刀具對缸筒加工效率的影響*

秦文偉

(無錫機電高等職業技術學校，江蘇無錫 214028)

0 引言

鏜削加工是機械加工過程中諸多加工方法的一種，它的加工過程就是把工件裝夾在鏜床的工作臺上或者固定在附近裝置上不動，讓刀具主軸作旋轉運動，并且使工作臺移動做進給運動，從而實現零件的鏜削加工。對鏜床加工技術的研究，現在主要集中在電氣控制和機床性能改造兩個方面，其中李金瑩、陳輝通過對連桿加工前狀況的分析和工序加工后要達到的各項精度進行分析，在保證加工效率和精度的同時，設計出臥式高速高精度雙軸連桿鏜床，重點介紹了機床的總體結構［1］。華滿香、凌志學利用三菱FX2N系列PLC對T68鏜床的改造，采用順序功能流程圖的程序設計方法設計出梯形圖并進行現場調試，并使編程更趨于規范化、標準化［2］。下企業實踐時，企業利用鏜削加工深孔缸筒類零件是精加工中的重要工序，影響深孔加工質量的影響因素主要有機床精度、操作不當和刀輔具問題［3］。針對刀輔具問題所引起的加工質量問題，企業采用鏜頭一體化刀具實現了深孔的高效加工，大大提高了生產效率。

1 一體化鏜床刀具

企業引進的刮削滾光深孔鏜床，制造商為意大利塔基公司，設備型號為 FTSeries 450B500×3000 CNC，主要技術參數:鏜床的中心高為500 mm、床身回轉直徑為1 000 mm，最大鏜深3 000 mm，主軸的電機功率為75 kW，主軸移動速度范圍是10～1 000 r/min，刀具旋轉速度是10～1 000 r/min。冷卻單元的最大流量為1 600 lt/min，鏜頭的電機功率為100 kW。刮削滾光深孔鏜床刀具的主要特點為:一次裝夾9把刀具先刮后削實現一次性鏜削作業，鏜頭體與主軸的結合面加長以提高整體剛性，鏜頭后端通過液壓控制刀具的伸張以實現刀具準確讓刀，鏜孔直徑的微調是通過鏜頭前端的調節螺栓來實現的，每把鏜刀前端的導向塊實現進刀過程的導向。并且大流量切屑液沖洗錐孔，避免鐵屑影響主軸的精度。

鏜床一體化刀具關鍵部件的主要功能為螺紋聯軸器實現鏜桿和鏜頭的螺紋鏈接，保證鏜桿和鏜頭液壓通孔準確對中;彈簧收縮套桿在鏜削結束使刀具收縮實現自動讓刀，當刀具退出時，為避免刀具在工件已加工面上拉出刀痕，設置液壓裝置通過實現收縮刀具可以實現有效讓刀;刮削刀具實現對切削螺紋的依次刮削;滾珠實現切削面的強力滾壓;調節內六方螺栓通過內部錐面實現切削刀具的微量調節。鏜床一體化刀具鏜削缸筒時的加工過程，如圖1所示。

由圖1可看出，使用一體化刀具進行鏜削時，鏜削的過程為“先削次刮后滾”。當鏜桿實現進給運動時，鏜頭隨著鏜桿在進給電機的帶動下沿導軌做直線水平運動，三角切削刀具首先進行比較厚的吃刀量，實現首次切削，扁平圓弧刮削刀具先后實現對鋸齒形的牙頂進行中度和微度兩次刮削，滾珠在鏜桿公轉和自身旋轉的受壓情況下實現缸壁內的表面滾光，成型速度比較完好。

圖1 一體化刀具的鏜削過程

2 鏜削加工效率對比

以前在加工深孔缸筒時，采用TKA2140400×3 000 mm進行鏜削，由于刀具采用分離式刀具，粗鏜與精鏜分離，精鏜時滾珠不會自動退縮，依靠半環手動調整前后位置實現讓刀，鏜床的動作循環為間歇作業且僅有一把刀具，效率較低。普通鏜床和刮削滾光深孔鏜床加工深孔缸筒類零件的完整工序如圖2和圖3所示。

圖2 普通鏜床加工的工作流程

圖3 一體化刀具鏜床加工的工作流程

由圖2和圖3可知，相比較于普通鏜床，利用一體化刀具鏜孔時工序較少，依靠整體式刀具，鏜削深孔時僅使用一道工序，通過液壓自動控制刀具伸張，縮短了更換刀具和半環的操作時間，自動化程度很高，大大提高了工作效率。

經過統計和計算，在鏜削φ400×2 000 mm的缸筒時，普通推鏜運行時，一般情況下轉速(S)為100 r/min，進給速度(F)為55 mm/min，一體化刀具鏜削時，主軸轉速(S)為100 r/min，鏜軸轉速(S)為80 r/min，進給速度(F)175 mm/min。普通鏜床和一體化刀具鏜削過程總時間對比結果，如表1所列。

從表1可以看出，從鏜削加工計算總耗時可知，一體化刀具鏜削加工效率是普通鏜床加工效率的3倍左右。實際加工情況是，更換鏜頭時間和安裝刀具時間往往出現在批量生產加工之前，單件加工時不會重復操作，批量生產時間愈長，更換鏜頭時間和安裝刀具時間對加工效率的影響越小，實際的加工時間為技術加工時間和測量調整時間之和，此時，一體化刀具鏜削實際加工加工效率是普通鏜床加工效率的6倍左右。

表1 鏜削過程時間對比表 /min

3 鏜削加工負載對比

采用一體化刀具的刮削滾光深孔鏜床，它的滾光刮削機鏜刀、滾珠進入和退出缸筒的時間為連續作業，而普通鏜床則采用分離式刀具，鏜刀、滾珠進入和退出缸筒的時間為間歇式操作，造成鏜削加工過程中兩種負載的差別較大。刮削鏜床加工和普通鏜床加工負載是隨時間的變化而變化的，變化曲線如圖4。

圖4 負載變化曲線圖

由圖4可知，由于刮削鏜床主軸轉速和進給量比較大，和普通鏜削相比，加工工件的時間較短，同時，采用一體化刀具使車床系統的負載較低，平穩時段主要集中在中間，約占整個加工時間的80%。

4 鏜床主要結構的數值模擬分析

目前利用計算機對刀具進行動態模擬的研究很少，數值模擬理論分析主要集中于鏜桿、軸承、中心架和底座的流場與動態特性研究。其中邵俊鵬通過計算流體力學有限體積的方法對重型臥式鏜床靜壓中心架流場進行數值仿真，得到了靜壓支承的油腔壓力在整個油腔面積上是均勻分布的，并且油腔的面積占到總有效面積的2/3以上［4］。所以，支承件和被支承件的局部壓力都不會承受的較大，這有助于提高支承的耐用性。王洪玉對精鏜床結構模型的動態特性進行分析，通過模態分析得到模型的基頻呈現出非線性增大的變化趨勢，而且是隨著鏜桿軸套外圓直徑的增大出現的;鏜桿受力時，它的模態分布是呈一定規律的［5］。因此借鑒鏜床主要結構的數值分析結果，得到了鏜床主要構件的各種模態參數，為鏜削加工時鏜床的結構穩定性以及一體化鏜削刀具優良的加工效率提供了理論依據。

5 結語

鏜床采用一體式刀具進行鏜削，刀具功能較多，結構復雜，結合操作系統參數化智能操作，減少了退刀、換刀、測量時間，大大縮短了加工流程，同時鏜削時負載低緩平穩，減小了工件受力時產生的振動，當主軸轉速達到了175～250 r/min時，所加工孔的光潔度達到了 Ra0.8，圓度達到了 0.02 μm，提高了精加工的穩定性和可靠性，促進了產品質量。

［1］ 李金瑩，陳 輝.高速高精度連桿精鏜機床的設計［J］.組合機床與自動化加工技術，2011(6):87-90.

［2］ 華滿香，凌志學.三菱FX 2N系列PLC對T68鏜床的改造［J］.機床電器，2006(1):31-37.

［3］ 王先逵.車削鏜削加工［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［4］ 邵俊鵬.重型臥式鏜車床靜壓中心架流場的數值仿真［J］.密封與潤滑，2010(7):55-58.

［5］ 王洪玉.基于精鏜床結構模型的動態特性分析［D］.沈陽:東北大學，2009.