C61100車床改裝為深孔加工機床的研究與實踐

楊增旺 錢開明 李曉平 丁晨晨

(江蘇鵬飛集團股份有限公司，江蘇 海安 226623)

輥壓機在水泥工業應用以來，增產降耗效果十分明顯。其主要依靠兩個水平安裝的同步相向旋轉的擠壓輥進行高壓料層粉碎。為使軸系能穩定地連續運行，降低主軸及軸承的工作溫度，主軸需加工深孔通水冷卻。深孔加工是主軸加工一道重要工序，開始輥壓機試制時，沒深孔加工機床，依靠外協，其加工周期長，質量難控制，且需往返運輸費用。隨著輥壓機生產批量增加，為減少生產周期，公司決定上馬深孔加工機床，由于深孔加工機床的特殊性，其價格比較昂貴。對于非專業化深孔加工的廠家，成本過高。用普通車床改裝為深孔加工機床，其具有成本低、制造周期短以及一機多用等優點。

1 C61100車床改裝為深孔加工機床的設計

1.1 輥壓機主軸深孔加工要求

現以PFG15100型輥壓機主軸為例，零件如圖1所示：材料為42CrMoA，重量14 160 kg，軸徑最大φ1 000 mm，軸孔φ220 mm深2 150 mm，而其他大規格的輥壓機主軸尺寸更大，重量更重。因此，孔加工選用工件固定、刀桿刀具旋轉加工方式。車床改裝為深孔加工機床方案為：前半部分為用舊車床改裝深孔鉆鏜床機身，后半部分為裝夾工件的工作臺及裝卡找正工具。

1.2 改裝車床的選擇

1.2.1 車床型號的選擇

車床型號主要取決于深孔鉆削的功率，加工大、中直徑的深孔宜采用錯齒內排屑深孔鉆，計算錯齒內排屑深孔鉆的機床功率P的公式為[1]:

(1)

式中：vc為切削速度，m/min；fn為進給量，mm/r；Dc為鉆頭直徑，mm；η為機床效率，可取0.75～0.85；kc為比切削力，N/mm2；ap為切深，mm；對于實心鉆，ap=Dc/2，mm；對于擴孔鉆ap=(d2-d1)/2，mm。

比切削力可按各種材料的kc0.4計算:

(2)

式中：kc0.4為fn=0.4 mm/r時的比切削力，N/mm2；φ為偏角，(°)；γ為實際前角，(°)； 考慮到刀具鈍化,計算功率還應增加10%～30%。

硬質合金多刃排屑深孔鉆的切削用量：加工材料42CrMoA，硬度175～275HB，進給量0.1～0.3 mm/r，切削速度45～90 m/min，將參數代入公式計算， C61100車床主電動機30 kW可滿足孔φ220 mm采用一次φ150 mm實心鉆孔和粗、精二次擴孔鉆加工功率需求。

C61100機床主軸轉速范圍3.15～315 r/min，滿足多種切削速度選擇。

1.2.2 床身長度的確定

床身長度取決于鉆孔的最大深度，由下式計算[2]：

L床身長度=2×l鉆孔深度+(400～500)

(3)

舊C61100車床身長5 700 mm，考慮l鉆孔深度取5 000 mm，舊車床改裝其床身需加長。

1.3 C61100車床結構改裝

對C61100車床的改裝主要包括機床本體改裝、工作臺及裝卡找正工具和油路改裝等。

1.3.1 機床本體改裝

機床本體改裝包括床身加長、進給傳動機構設置、刀桿支架、授油器等增添。

(1)機身加長

對接床身的設計計算主要考慮在整機吊裝時求出聯接螺栓的受力大小，確保安全，滿足強度要求；聯接后滿足剛度要求及精度要求[3]。根據最大鉆孔深度取5 000 mm，而現有舊C61100車床床身長5 700 mm，需要對現有車床床身加長5 000 mm，加長床身導軌截面形狀、尺寸、跨距及床身高與舊C61100車床相同，新床身對接端設有連接螺栓安裝孔洞，床身底部設有地腳螺栓安裝孔，床身用HT250鑄造而成。經時效處理的床身先進行導軌面和對接端面加工，同時對舊車床床身尾部端面銑削加工，新舊床身對接，水平和垂直用鍵銷定位，螺栓連接緊固，對接后的新舊床身在導軌磨床上進行導軌整體磨削至標準要求。磨削的床身在吊裝運輸過程會影響導軌精度，因此，最終安裝時必須重新調整床身導軌水平和直線度等。

(2)進給傳動機構

深孔加工進給機構必須穩定可靠，不能有爬行現象，機床的進給量是無級調速，以適宜多種材料的深孔加工，一般進給量在0.05～0.35 mm/r范圍內，最好使用帶有過載保護的進給機構。

C61100車床改深孔加工機床，原床頭箱拆卸改裝在新制的軸向移動拖板上，拖板由進給傳動機構驅動在床身導軌上移動，機床進給傳動中，最大切削負載不得超過電動機轉矩。折算到電動機軸的最大切削負載轉矩Ti為[4]：

Ti=[(FmaxPh)/(2πη)+T1+T2]i

(4)

式中：Fmax為絲杠上的最大軸向載荷，等于最大軸向進給力加導軌摩擦力，N；Ph為絲杠導程，m；η為絲杠的機械效率；T1為絲杠螺母預加載荷引起的附加摩擦轉矩，可查樣本手冊，N·m；T2為絲杠軸承的摩擦轉矩，可查樣本手冊，N·m；i為傳動比。

根據深孔切削負載及進給量數值進行設計，按有關產品樣本選用絲杠、減速機、伺服電動機等零部件, 機構由K1000Ti-A系統控制，進給傳動機構如圖2。新制的拖板置于床身導軌上，拖板上固定的床頭箱帶動刀桿旋轉并向前進給進行，切削。刀具的進給力F由伺服電動機通過扭矩限制器、減速機、絲杠傳給了螺母。拖板與絲杠螺母座由鍵定位，螺釘緊固聯接。在伺服電動機與減速機間設有扭矩限制器，根據鉆頭直徑與進給力關系，選用不同直徑規格鉆頭設置不同大小的額定進給扭矩。其功用為：當機床在加工過程中出現過載，如工件中出現個別硬點或切屑堵塞致使排屑不暢等，導致刀具瞬時力矩加大，扭矩限制器會在驅動扭矩超過設定范圍時，自動斷開進給，避免損壞刀桿刀具及各機械傳動件，保護進給傳動精度不受影響，保護刀具以防過載損壞。

(3)刀桿支架

刀桿支架其作用主要是對刀桿中部進行扶正和支撐，防止刀桿中部甩動劇烈，提高深孔加工質量。刀桿支架按最大規格的刀桿設計制作，中心高與移動床頭箱相同，內孔再組合較小規格的襯套組件，既滿足了各種規格刀桿的使用要求，減少了各種規格支架的數量和更換刀桿支架等時間，提高工作效率。

(4)授油器

授油器主要功能是將高壓切削液通過鉆頭與孔的間隙進入鉆頭前端,靠切削液的壓力將切屑推入鉆頭中孔中經刀桿排出,并對刀桿支承和導向。授油器在床身導軌尾部移動并固定，鉆鏜孔前，旋轉手輪螺母使伸縮軸靠向工件表面，將前密封圈貼緊工件表面上，授油器的后端尼龍件及密封圈對刀桿起消振和密封作用；授油器的背面，有一個從冷卻泵來的輸油管，油管接頭與伸縮軸聯接，冷卻液通過授油器送入工件切削區。授油器結構如圖3。

1.3.2 工作臺及裝卡找正工具

工作臺是直接固定在地面的，沒有旋轉、移動、升降等附加功能，因此工作臺只需在高度和面積上符合工件加工工藝要求即可，工作臺用HT200鑄造，其下部設有地腳螺栓孔，上部臺面加工T形槽。

優化設計V形塊、定位塊等裝卡找正工具，安裝在工作臺上，對應工件配套使用，可實現軸類、箱形等工件上同心或偏心深孔加工。

1.3.3 油路改裝

深孔加工油路系統主要由油箱、排屑箱、油泵、電動機和液壓元件等組成，結構如圖4。

油箱高度受車床中心高的限制，排屑箱置于油箱上，油箱的箱體設有隔板，保證污物能夠沉淀，此外還應有濾油裝置，濾油裝置主要由所要求的過濾精度確定，過濾精度取決于工件材料、切屑形態及工件表面粗糙度等因素。一般過濾精度取所要求的表面粗糙度值的10倍，即50 μm的過濾精度可滿足表面粗糙度Ra=5 μm的要求。箱體設有二層隔板，切削液采用5級過濾裝置，切削液入油箱先用φ4 mm密集孔進行粗過濾，然后通過油箱中的回油孔80目銅網過濾進入油箱，在油箱中分別用100目和120目銅網進行三四級過濾，最后在油箱油泵進油管上裝磁性過濾器進行第五級過濾，過濾系統的過濾精度可達5～10 μm以上，從而保證了深孔加工的表面粗糙度要求。

油箱應有足夠的容積，保證切削液能正常冷卻以及污物的沉淀和分離，通常切削液在油箱中每小時循環次數不能超過6次，油箱的容積至少應相當于最大油泵流量的10倍[5]，根據工件加工的孔徑，選用3WP60三柱塞高壓往復泵，流量為130 L/min，油泵壓力<30 MPa，油箱容積設計不小于1 500 L。

2 結語

C61100車床改裝為深孔加工機床，經床身加長，車床床頭箱改裝固定在移動拖板上，由新增的進給傳動機構驅動，裝有硬質合金多刃排屑深孔鉆的刀桿與床頭箱主軸花盤連接，刀桿經刀桿支架和床身尾部授油器導向套的支承和導向，實現旋轉刀桿的軸向移動；改進的油路高壓切削液經授油器進入鉆頭前端，靠切削液的壓力將切屑推入鉆頭經刀桿孔中排出，切屑送入排屑箱，切削液入油箱過濾；設計的工作臺及裝卡找正工具能實現多種工件裝夾找正，改裝的深孔加工機床如圖5。改裝的深孔加工機床經試切和生產加工，其機床性能和孔加工質量達到標準和圖樣要求；機床投產加工，解決了深孔加工難題，提升了企業機加工能力，增加了經濟效益。

[1]張福，劉敏. 錯齒內排屑深孔鉆削技術探討 [J].機床與液壓，2012(4)41-43.

[2]趙洪兵,朱林.車床改裝為深孔加工機床的設計方法[J].新技術新工藝，2001(7)：26-27.

[3]郭章信，劉和平，鄭海燕.CW61100B/8米臥式車床對接床身聯接設計計算[J].世界制造技術與裝備市場，2010(3)：92-93.

[4]展海瑜.數控深孔鉆鏜床進給機構的設計[J].制造技術與機床，2012(2)：102-103.

[5]趙洪兵,朱林.車床改裝深孔機床后油路系統設計[J].制造技術與機床，1997(3)：39-41.