異形深孔數控鏜削工藝設計*

□ 譚德寧 □ 魏紅梅 □ 孟凡召

山東華宇工學院 機械工程學院 山東德州 253034

1 設計背景

TSK2120、TSK2135系列數控深孔鉆鏜床通常用于加工等直深孔,也可以用于加工內環形槽深孔、錐度深孔。

目前,數控深孔鉆鏜床能夠實現自動循環,有插補運動,但面對航空航天行業的深孔零件,內孔為異形,難以加工,國內目前還沒有很好的解決方案。由此可見,研究異形深孔加工的新工藝、新技術是當務之急,筆者提出一種異形深孔數控鏜削工藝。

2 零件情況

異形深孔零件如圖1所示,零件外圓直徑為210 mm,全長為3 m,要求鏜削的孔徑最小為110 mm,最大為160 mm,材料為20CrMnTi低碳合金鋼,內孔表面粗糙度Ra要求為1.6 μm。正弦曲線公式為y=20sin(5x),心形線由x(t)=50cost(1+cost)和y(t)=50sint(1+cost)聯立,其中,x為軸向位移量,y為徑向位移量,t為位移參變量。無論內孔是什么形狀,只要是平滑過渡,就可以用公式曲線表述,進而可以采用數控鏜削加工。

經常有用戶需要加工異形工件,如圖2所示承壓測試管,最小直徑為122 mm,最大直徑為170 mm,已經試制成功,可以批量生產。

現有的異形深孔鏜刀結構在國內書籍上無法查詢到,加工方法也涉及不多,處于研究階段。

3 鏜削要求

對圖1異形深孔零件鏜削的基本要求如下:

(1)異形深孔鏜刀裝置在軸向移動時能自動擴大和縮小,同時徑向移動和軸向移動可以采用數控;

▲圖1 異形深孔零件

▲圖2 承壓測試管

(2)在加工異形深孔時,無法使用導向塊與已加工好的孔壁配合來定位,只能采用新型定位方式;

(3)采用菱形涂層硬質合金刀片,便于更換和保證尺寸精度;

(4)刀片選用內孔切槽車刀的角度,采用機夾菱形帶花紋刀片,側面有7°斜面,具有斷屑槽作用;

(5)由授油器供切削油,流向床頭箱的方向,經過床頭箱排屑斗,流入后部的儲屑箱;

(6)鏜刀徑向移動采取螺旋盤盤扣帶動鏜刀徑向變化的結構,類似三爪卡盤的卡爪移動,基于自鎖特性保證刀具在斷電情況下不會讓刀,徑向尺寸大小由數控系統通過編程來控制;

(7)數控異形深孔鏜刀采用交流伺服電機控制,效果較好,便于與數控系統連接,整個過程可以實現自動編程和自動加工。

4 異形深孔數控鏜床工藝方案布局

在設計數控深孔機床時,既要求功能完善、結構簡單,又要求工作原理與工作性能可以實現數控加工,并且體積不能過大,成本不能過高。針對異形深孔零件的結構,筆者設計了數控鏜床的機械機構和控制方法,具體設計方案有兩個。

(1)方案一。采用現有TK2120數控鉆鏜床的結構,成本低,但是加工長度不能超過1 m,否則由于鏜桿的下垂,下垂量為15～25 mm,會導致鏜刀在內孔中擺動,產生打刀現象,從而使零件報廢。

(2)方案二。如果鏜桿不是懸臂結構,而是在零件的兩端采用固定支承結構,那么能有效消除鏜頭下垂和擺動現象。對于長度為3 m以上的零件,可以在TK2120數控鉆鏜床的結構上增加相應部件,采用φ90 mm鏜桿,但在零件的中間位置依然存在下垂現象,經過實際測試,下垂量為1.5 mm左右。對此,在鏜桿的一頭采用液壓缸,使鏜桿受拉力拉緊,這樣鏜桿在工作時始終兩頭受拉,鏜桿下垂量可以控制在0.05～0.2 mm之間,能夠有效避免鏜桿下垂。

經過對兩個設計方案的對比,采用方案二鏜桿受拉結構比較合理。

數控鏜床總體布局如圖3所示。零件長度為3 m,兩個支撐套的跨度為3.65 m,主軸的支承套配置滾動軸承,消除鏜桿不轉而主軸旋轉的問題。零件兩端加工有長3 mm的60°錐面,作用為依靠錐盤頂緊、定位并傳遞摩擦力矩。液壓缸與鏜桿同軸,液壓缸活塞桿與鏜桿的直徑均為90 mm,通過雙頭矩形螺紋與數控鏜頭相連。床身總長為16.49 m,將液壓缸、床頭箱、排屑斗、中心架、授油器、鏜桿支架、鏜桿固定架通過導軌定位在床身上部。在工作時,數控鏜頭左右運動,整根鏜桿始終兩頭受拉,可以有效防止鏜桿下垂。

數控鏜刀組件由進給拖板帶動前進和后退,依靠交流伺服電機驅動減速器,帶動滾珠絲杠旋轉,實現Z軸的軸向運動。數控化改造后,系統采用由交流伺服電機驅動的半閉環控制系統,由數控系統控制軸向和徑向運動,兩軸聯動。改造后的機床能夠加工內孔為圓形面、斜面等的深孔零件,并能加工高強度和高硬度零件,滿足航空航天異形深孔零件的加工需求。

▲圖3 數控鏜床總體布局

5 設備結構設計

針對圖1、圖2零件和數控鏜床總體布局,在數控深孔鏜床上設計深孔鏜刀和鏜桿裝置,在鏜桿固定架的后部安裝減速箱和交流伺服電機,通過數控系統進行伺服控制。加工零件時,在鏜削完成的內孔中進行異形孔加工,加工方式采用零件旋轉、鏜桿不旋轉的軸向運動,供油方式采用鏜桿內部供油,從鏜頭流出,流向床頭箱排屑斗。采用硫化切削油。具體加工工藝路線為熱處理調質、車端面倒角定位、鉆孔、粗鏜、半精鏜、尖刀精鏜,便于切屑排出,加工表面粗糙度Ra要求為1.6 μm。

5.1 鏜頭

數控深孔鏜頭結構如圖4所示。鏜刀和驅動軸通過螺旋盤連接為一體,可以徑向移動且自鎖。當驅動軸轉動時,螺旋盤旋轉,鏜刀徑向移動。為了滿足切深較大的要求,液壓桿一個端面與鏜刀左側面配合。鏜頭體上開有四方形孔,各面與鏜刀的對應面配合,且鏜頭體上有可以容屑的缺槽。

▲圖4 數控深孔鏜頭結構

數控深孔鏜頭外形如圖5所示,能夠實現數控鏜床總體布局的安裝要求。考慮到工作時鏜桿受拉,采用雙頭矩形螺紋,能夠承受較大的切削力和拉力。注意螺紋的旋合長度是標準長度的1.5～2倍,左側與過渡接頭螺紋連接。考慮鏜桿在裝配后自始至終都不旋轉,對接處采用φ60H7/g6基孔制間隙配合,并采用三個φ16 mm圓錐銷定位,由此實現鏜桿、數控鏜刀、活塞桿的連接。在工作時鏜桿兩端受拉,有效避免鏜桿的下垂現象。

5.2 鏜桿

數控深孔鏜桿結構如圖6所示。采用特制的鏜桿結構,鏜頭的徑向移動依靠鏜桿內部的芯軸轉動來控制,芯軸的轉動通過驅動裝置控制。芯軸與鏜桿間采用軸承來實現支承,鏜桿固定,芯軸轉動。數節芯軸通過錐銷連成一體,鏜桿依然采用矩形螺紋連接來加長。由此,鏜桿的長度可以根據用戶需要實現變化。

▲圖5 數控深孔鏜頭外形

5.3 驅動裝置

驅動裝置如圖7所示,由行星齒輪減速機、交流伺服電機組成。行星齒輪減速機可以解決交流伺服電機與鏜桿直聯后力矩不足的問題。

徑向移動、軸向移動均由交流伺服電機控制,可以進行兩軸聯動,此時將控制徑向走刀的旋轉軸假設為直線運動的虛擬軸,便于數控自動編程。由數控系統控制驅動裝置帶動交流伺服電機旋轉,按順序對零件內孔各個曲面進行鏜削。整個加工過程采用數控,編程自動完成,保證零件各個異形孔加工尺寸的一致性。

▲圖6 數控深孔鏜桿結構

▲圖7 驅動裝置

數控鏜床的控制裝置具有X軸徑向移動和Z軸軸向移動進給電氣間隙補償功能,在進給拖板、鏜刀體每次反向運動時均能自動進行一次反向間隙補償。

5.4 液壓缸

液壓缸結構如圖8所示。活塞套需要左右移動,密封圈左右各有一個在活塞套前進、后退時均能起密封作用。在前后均有緩沖結構,避免急速沖擊。采用地腳式130 mm大直徑、4 m長大行程液壓缸安裝方法,地腳緊固螺栓一般有四個,直徑根據液壓缸最大壓力進行強度計算確定。為避免地腳螺栓直接承受軸向載荷,可以在液壓缸前端地腳支架的兩側安裝止推擋塊。活塞桿伸出或縮回時,所產生的載荷由止推擋塊直接承受,地腳螺栓僅承受豎直方向的作用力。液壓缸拆卸后再次安裝過程中,止推擋塊還能起到定位作用。壓墊只限制缸體上抬,有微量可移動間隙,這樣液壓缸屬于不完全定位連接。在缸體承受一定大小的徑向力時,缸體在水平方向和豎直方向會產生微量彈性位移。活塞桿受鏜刀的徑向切削力作用時,會產生微量擺動。由于缸體也產生微量彈性位移,所以可以有效減小活塞套上密封圈與缸體內壁的摩擦,從而減小磨損。如果采用螺釘壓緊安裝,那么沒有壓墊和止推擋塊,這樣液壓缸被固定在某一確定方向,活塞桿受鏜刀的徑向切削力作用時,活塞桿與缸體內孔會產生同軸度誤差,導致活塞套上密封圈與缸體內壁產生較大摩擦,從而產生較大的磨損,使密封圈失效而漏油。另外,液壓缸在工作2 h后,缸體溫度可升高25 K以上,產生熱變形,如果采用螺釘壓緊固定結構,會加大活塞桿和缸體內壁的同軸度誤差,所以采用螺釘壓緊液壓缸的安裝方法是不合適的。

液壓缸的活塞桿在工作過程中始終受到一個向左的液壓力,將鏜桿拉緊。在安裝和拆卸零件時,需要拆卸、安裝鏜桿,此時需要液壓缸快速空載運動。液壓系統如圖9所示。

根據工作情況要求,考慮成本和經濟性,采用單活塞桿液壓缸作為執行元件。由于需要快進和快退,因此只有差動連接能夠滿足要求,于是液壓缸無桿腔的有效面積為有桿腔有效面積的兩倍。

液壓缸的類型選定后,要求快進、快退時流量大,供油時間比較短。在正常前進時,所需流量較小,供油時間相對較長。因此從提高系統效率、節省能源的角度考慮,系統供油方式不宜采用定量泵,采用限壓式變量葉片泵供油方式較為合理。

▲圖8 液壓缸結構

▲圖9 液壓系統

針對快進和快退時的速度要求,需要在無桿腔進油口處采用調速閥調速。針對正常前進時速度低的要求,考慮到系統負載變化小,采用調速閥進油節流調速回路可以節約能源。

對于快進和正常前進之間速度的變換,為便于對換接位置進行適當調整,采用兩位兩通行程閥比較方便。另外,采用液控順序閥與單向閥來切斷差動回路。換接回路為行程與壓力聯合控制方式。

采用三位五通電磁閥進行換向,可以滿足系統的換向要求。選用三位五通電磁閥的M型中位機能,可以實現隨時在中途停止運動的要求。為提高換向的可靠性,采用壓力繼電器進行監控。

為了實現正反向均為向左的拉力,設置平衡閥、減壓閥。平衡閥與單向閥配合,形成單向調壓回路。調定平衡閥和減壓閥的壓力值,可以控制液壓缸向左的拉力。

6 結束語

在鏜削內孔時,一般采用管材鏜削來降低成本,但有時零件受外圓和壁厚尺寸的限制,沒有合適的管材,必須鉆孔加工。筆者設計了一種異形深孔數控鏜削工藝,通過液壓控制方法來實現數控鏜刀和鏜桿兩端受拉的結構布局,通過數控鏜刀的兩軸插補運動,可以進行任意異形深孔的精密鏜削加工,解決了無法進行精密異形深孔鏜削加工的難題。