移动式液压驱动现场镗缸机设计-.pdf

T o 移动式液压驱动现场镗缸机设计 东方汽轮机有限公司机修分厂 四川德阳6 1 8 0 0 0 曹海 移动式液压 驱动现场镗缸机主要 用于3 0 万k W 机组现场改造时对隔板套安装槽 、汽封体安装槽补 充加 工用 。工厂现有两 台美国进 口设备 ，但设备价 格昂贵 ，配件难找 ，维护使用成本高 ，故决定 自制 一 台相 同的设备 。 1 ． 设计要求及技术参数 内孔端面加工范 围 4 0 0 ～ 2 5 0 0 mm，圆柱度 ≤0 ． 0 2 mm，加工后工件表面所能达到的表面粗糙 度R 1 ． 6 m，端面对轴心线的垂直度 ≤0 ． 0 1 mm ／ 1 0 0 0 mm，镗杆 转速0 ～2 0 r ／ mi n ，进给速 度0 ～ l mm ／ r ，主轴功率2 3 ． 5 6 k W ，传动平稳 ，过载 自动 保护 。 2 ． 整机方案设计 机床总体设计方案如 图1 所示 。 该机床在加工工件时通过螺旋压板机 构将 工件 、机床整体 固定在地面槽铁上 。 机床安 装前先把工件V形支座4 放在机床调 整垫铁8 上 ，找平后再把工件放上 ，找平至 所需加工精度要 求后 ，通过螺旋压板夹 紧 机构把工件 固定在地 面槽铁上 。把镗 杆前 支座3 、镗杆后 支座9 放在机床调整垫铁8 上 ，找平 后把镗杆组件5 分别穿过镗杆前支座3 、镗杆 中心支 架6 、镗杆后支座9 ，调整到适 当位置后通过上面的 螺纹夹紧机构锁紧镗杆组件5 ，把镗杆中心支架6 推 到和工件相适应的位置后 ，调整其四个卡爪保证镗 杆和工件的中心同心。镗杆前支座3 、镗杆后支座9 内部有 自动调心滑动轴承 ，从而保证镗杆在前后支 撑座的中心位 置。由液压马达驱动蜗杆蜗轮减速器 2 带动镗杆组件5 ，从而带动分体式刀架组 件7 做主 切削运动 ，刀架的轴向进给侧通过无级调速进给机 构 1 0 驱动镗杆组件的梯形螺纹丝杠旋转 ，从而带动 分体式刀架组件7 做轴 向进给运动 ，从而完成工件 的镗孔 、切槽 、锪端面及倒角等切削加工。 间约为3 h 。验证结果表 明，新工艺 可以方 便快捷地对汽轮机缸体进行高精度校正。 5 ． 结语 采用新的校正工艺 ，可以消除传统校正过程 中 的振荡现象 ，明显提高校正效率和校正精 度，保证 缸体加工质量。本文所提 出的校正新工艺是笔者在 实际生产 中总结且经过实践证明的，在车加工 中能 够方便快捷地对汽轮机缸体进行校正 。MW 收稿 日 期 2 0 1 2 0 8 1 0 3 0 笔 参 磊 籼 工 图1 机床总体设计方案 1 ． 镗杆 吊装组件 2 ． 液压马达驱动蜗杆蜗轮减速器 3 ．镗杆前支座 4 ．工件V形支座 5 ． 镗杆组件 6 ．镗杆中心支架 7 ．分体式刀架组件 8 ． 机床调整垫铁 9 ． 镗杆后支座 1 O ． 无级调速进给机构 3 ． 镗杆的驱动及受力分析 镗杆组 件是移动式镗缸机 的重要组件 ，主要 由镗杆 、轴承 、进 给丝杆组成 ，其工 作性 能对 工 件的加工质量和机床的生产效率都有着重要影响。 镗杆是移动式镗缸机关键零部件 ，它不仅对刀架和 传动系统起支撑作用 ，而且还作旋转运动 及 坐标 的直线运动。镗杆跨度大 ，加 工精度高 ，传递转矩 大 ，故对镗 杆采用三点支承以减少镗杆下挠 ；镗杆 靠进给机构轴 向进给 ，在支承 中滑移 并不好防护 ， 因此要求镗杆具有很高的耐磨性 、抗 腐蚀性 。要实 现镗杆在大跨度加工条件下的小挠度 ，镗杆材料 必 须具 有很高 的弹性模量 。通过对比分析 ，我们采用 3 8 C r Mo A1 ，其在2 0 C下的弹性模量E2 1 3 G P a ， 切变模 量G 8 2 ． 4 GP a 。该材料 在毛坯状 态调质处 理 ，以减少最终状态热处理变形 ，并为获得较好 的 最终性能提供组织基础 ；半精加 工后进行去应力回 火处理 ，以降低镗杆的 内应力和脆性 ；为保证镗杆 的高硬度 、高耐 磨性及抗腐蚀性 ，最终对镗杆进行 表面 氮化处理 ，硬度 ≥6 0 0 HV，脆性 ≤3 ，氮化层 深 ≥0 ． 3 mm。 镗杆的驱动转矩 、功率计算 镗杆 的驱动通过 液压马达驱动蜗杆蜗轮减速器从而带动镗 杆做主切 削运 动 。按 照工 件最大 加 工直径 2 5 0 0 mm，最大切 削深度3 mm， 最 大切 削速 度 7 8 ． 5 m／ mi n ，最大 进给 量 1 mm／ r ，假设 刀具 主 偏角 9 0 。 ，切 削材料为普通铸钢[ 】 5 7 0 MP a ，【 口 】 3 4 5 MP a 计算切削 力 F P a r f 式 中 ，尸 为单 位切 削力 单位 切 削面积上 的主切 削力 ，N／ mm ， 可 以从切削手册 中查得 ；a 。 为切 削深度 ；， 为进给量 。 根据经验 公式 F x 0 ． 1 ～0 ． 6 0 ． 1 5 ～0 ． 7 T 。 性不 好 ，则在加工过 程 中容 易 引起让 刀 、切 削发 颤 ，从而导致加工表面尺寸不稳定 、表面粗糙度差 等现象 ，故要求镗杆具有一定的刚性 ，设计时要计 算出其抗弯强度和最大挠度。如果挠度过大，就要 在镗杆中间位置增加 中心架 计算略 。另外还要 进行丝杠的受力分析 计算略。 4 ． 进给机构的研制 进给机构是移动式液压驱动镗缸机结构设计较 为复杂的一部分 ，受到结构设计限制 ，它要求进给 机构必须 外观小巧 、重量轻便 、结构紧凑、功能 完善 正反进给 ，无级调速 ，过载 自动保护、皮 实耐用以及便于维护等。因此在设计过程中 ，我们 采用 了大量创新技术 ，如为 了减轻 重量 ，壳体等零 件采用铝合金材料 ；为了减小机构体积 ，进给机构 采用摇臂、凸轮 、单向滚针轴承传递动力。进给机 构设计如图2 所示。 计算 得 到F 1 7 2 2 N，F 1 2 6 9 N，F 4 5 3 1 N，并根据公式算 出最大驱动转矩和最大切削 功率 公式略 。 镗杆的受力分析计算镗杆在工作过程中不仅 要传递转矩还要承受一定 的弯矩。转矩和弯矩联合 作用时 ，最大应力分别为 最大切应力 r，最大正 应力 危险点在上下边缘。只有 r≤[ r】 ，镗 杆抗剪切应力才能满足要求 计算略。 在切 削加工过程 中，镗 杆不仅要受到截面剪切 力 ，而且还要承受一定的弯 曲变形 ；如果镗杆的刚 图2 进给机构 1 ．壳体 2 ． 凸 轮轴 3 冲间轴 4 ．联接螺栓 5 ．摇臂轴 6 ．单 向滚针轴承 7 ． 摇臂 8 ． 联接键 9 ． 拨轮1 O ．调整滑套 1 1 ． 手动进给套 l 2 ．进给开关 l 3 ．无级进给调整手轮 1 4 ． 正反进给手轮 1 5 ．主动齿轮 1 6 ． 从动齿轮 1 7 ． 凸轮 用联接螺栓4 把进给机构联接在 镗杆一端端面 上 ，进给机构连 同镗 杆整体旋转 ，把进给开关 1 2 按 下 ，主动齿轮1 5 和中间轴3 一起转动并带动从动齿 轮 1 6 转动 ，从而 带动凸轮轴2 上的凸轮1 7 旋转 ，凸 轮 驱动摇臂7 绕摇 臂轴5 旋 转 ，摇臂 轴左端外六方 传动部 位带动丝杠做进给运动。如果要停止进给运 动 ，只要把进给开关 l 2 拔起即可。在 自动进给停止 后 ，可以通过摇臂轴5 右端 的手动进给套 1 1 用内六 方扳手手动进给。如果要实现反 向走刀 ，向右 图 示方 向拔 出正反进给手轮 1 4 ，轴 向带动拨轮9 ， 参 磊 籼 旺 兹 3 1 l 。 从而带动联 接键8 向右移动和 另外一组反 向的单 向 滚针轴承结合带动相应的摇臂转动。此时左边 的摇 臂组 则和摇 臂轴脱开，不传递动力 ，实现进给的正 反方向控制 。要调整进给量大小，只要转动无级进 给调整手轮 1 3 lJ 适 当位置即可。无级进给调整手轮 1 3 通过主动齿轮上的螺纹带动中间轴3 向左轴 向移 动 ，中间轴上装有带锥面的调整滑套1 0 ，调整滑 套 圆锥面的轴 向移动顶起摇 臂7 ，通过控制摇 臂和 凸 轮的接触角度来控制摇臂轴5 的转速 ，从而 实现进 给机构的无级调速 。进给机构的驱动 、控制、调整 原理如图3 所示。 a 正转凸 轮摇臂工作示意图 b 反转凸轮摇臂工作示意图 图3 进给机构驱动原理 摇臂 、凸轮机构分为左右两组 ，分 别控制丝杠 的正反转，从而实现进给机构的前进或后退。每组 由两个摇臂和两个成9 0 。 交叉角度的凸轮组成 ，采 用两个成9 0 。 交叉角的摇臂、 凸轮组 目的是为了保 证传动 的平稳性以及无级调速范围的扩大。当凸轮 轴转动9 0 。 时 ，最高处 的摇臂在弹簧的作用下通过 单 向滚针轴承转动2 1 ． 4 。 ～1 2 ． 4 。 回到 凸轮 的低点 ， 和摇 臂轴打滑 ，不对摇 臂轴做功 ；同时最低 点的 摇臂在 凸轮的作用下由1 2 ．4 。 位置转动 1] 2 1 ． 4 。 来到 凸轮的高点，通过单向滚针轴承带动摇臂轴转动 9 。 从而完成对摇臂轴的驱动 ，反之亦反。 5 ． 分体式刀架的研制 分体式 刀架 见图4 是移动式液压驱动镗缸 机主要的切削部件 ，采用分体式结构的 目的是为了 方便工人在现场安装、拆卸机 器。分体式 刀架的设 计也采用了大量的铝合金材料 ，以减轻整个 刀架的 重量 ，降低工人操作的劳动强度。 使用时先在镗杆上找到上 刀架体相应位置 半 导向键 1 0 在镗杆的导 向键槽里面来 回移动 自由的位 置 再用螺栓把下刀架体和上刀架体围绕镗杆把和 3 2 参磊 籼工 I，o r -1 ． 『而 ▲持 加 工 6 5 d 9 1 O 萝 崔 电 【Il甫 I 融 盎 ＼ 图4 分体式刀架 l l舀 重垫板 2 ． 支撑套简 3 ．下刀架体 4 ． 密封垫圈 5 ． 上 刀架体 6 ． 小刀架 7 ． 手杆 8 ． 镗刀 9 ． 半螺母 1 0 ． 半导向键 1 1 ． 长螺栓 成一体 ，装好前后密封垫圈4 ，再在上下刀架体上 用长螺栓 1 1 安装适应长度的支撑套筒2 、配重垫板1 以及小刀架6 ，在小 刀架上装上镗 刀8 。安装好后 ， 检查各螺栓联接是否牢固 ，运动是否灵活 ，确认无 误 后 ，转 动手杆7 调 整镗 刀到合适 的加工位置 要 求加工尺寸，开动移动式镗缸机 ，镗杆通过半导 向键 1 0 传递切削转矩 到刀架从而带动镗 刀做主切削 运动 ；安装在镗杆上 的梯形螺纹丝杠在进给机构的 驱动下通过半螺母9 带动 刀架前后移动完成进给运 动 。如果要改变切削深 度 ，只要调 整进给手杆7 到 相应位置就可以达到工件要求的加工尺寸。 小 刀架的有效 行程在 1 O O mm以 内 ，移动式镗 缸机要求 的设计加工范 围 径 向尺寸 是 4 0 0 ～ 2 5 0 0 mm，故要配置长 度不 同的支撑套筒满足加 工的需要 。上下 刀架体上前后各开有一条环行储油 槽 ，用于 刀架的润滑。 6 ． 液压系统的研制 现场移动式镗缸机采用闭环液压远程驱动的模 式 ，这种驱动模式的优点是 1 体积小 、重量轻 ，例 如同功率液压马达 的重量 只有 电动 机的 1 0 ％～2 0 ％。因此惯性 力较 小，当突然过载或停车时 ，不会发生大 的冲击。 2 能 在给 定范 围内平 稳 的 自动调 节 牵 引 嘞 速 度 ，并 可实现 无极调 速 ，且 调速范 围最大 可达 1 2 0 0 0 一般为 I 1 0 0 。 3 换 向容易 ，在 不改变 电动机旋 转方 向的 情况下 ，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往 复运动的转换 。 4 液压泵和液压马达之间用油管连接，在 空 间布置上彼此不受严格限制。 5 由于采用油液 为工作介 质，元 件相对运 动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长。 6 操纵控制简便 ， 自动化程度高。 7 容易实现过 载保护 。 8 液压元件实现 了标 准化 、系列 化 、通用 化 ，便于设计 、制造和使用。 但液压传动也有成本高 、工艺复杂和效率较低 的缺 陷。 为节省空间 ，减轻 系统重量 、降低工人操作强 度 ，现场移动式液压镗缸机的液压系统采用 闭式 回 路液压系统。该液压传动的基本原理 液压 系统利 用液压泵 1 l 将电动机 1 2 的机械 能转换为液体 的压力 能 ，通过液体压 力能的变化来传递能量 ，经过各种 控制 阀和管路的传递 ，借助于液压执 行元件E ． T ． N 液压 马达7 把液体压 力能转换 为机 械能 ，从而驱动 工作机构 ，实现 回转运动。其 中的液体称为工作介 质。该液压系统采用高质量号液压导轨油 ，它的作 用和机械传动中的传动带 、链 条和齿轮等传动元件 相类似 。现场移动式液压镗缸机的液压原理 图如 图 5 所示 。 7 ． 其他部件结构设计 如 图1 所示 ，E ． T ． N液压马达 驱动一个减速比为 2 5 的蜗 杆蜗轮 减速器2 ，减速 器带动镗 杆组件5 做 主切削运动 ，而镗杆组件用前后支座3 、9 以及 中心 支架6 托起承受镗杆 的切 削力和轴 向力 ，前后支座 都采用同样 的结构承受从镗杆上传递来的的力；中 心支架是一个辅助支撑 ，只承受径 向力 ，以减小镗 杆 的弯曲变形挠度 。前后支座的结构部件 如图6 所 示 ，中间支座的结构部件如图7 所示 。 8 ． 结语 现场移动式液压镗杆的研制成功大幅降低 了工 厂 采购 同类设备 的费用 ，为 工厂节约 了大量 的经 费，是响应工厂 降本增效 、节能减排的典范 ；同时 排量 2 9 8 c m ／ r 最高转速 1 9 2 r ／ m i n ， 连续工作 最大流量 5 7 L ／ min ，连续工作最大扭矩 4 l 1 N t i t ， 工作在进油口 和出油口之问的实际压差1 0 3 MP a T 。 理论排量 4 6 2 c m ／ r ， 持续额定压力 1 7 2 MP a ， 最大压力 2 0 6 MP a ；在转速 1 8 0 0 ff mi n ，最大持续压力情况下测得 实际流量7 5 8 L ／ ra i n 。驱动功率2 6 5 k W； 最大转速 3 0 0 0 ff mi n ．重 量 4 1 4 k g 图5 现场移动式液压镗缸机的液压原理 1 ． 容积2 0 L 油箱 带液位计、液温计、空气过滤器 2 ． 吸油过滤器 3 ．二位二通换向阀 4 ． 耐振压力表 5 ． 快速接头 6 ． 高压进油软管 7 ． E lT ．N 液压马达 8 ． 高压回油软管 9 ． 回油过滤器 1 O ． 冷油机 恒温控2 5 C Y C 1 1 ． Oi l g e a r 闭式 回路变量柱塞泵 1 2 ． 电动机 ／ 呈。 2 5 1 5 ， 1 图6 前后支座的结构部件 图7 中间支座的结构部件 提高 了我厂专用设备研发制造的技术水平 ，保证了 工厂原来使用进 口设备 的效率 ，并 降低了该设备维 护使用的难度。MW 收稿 E t 期2 0 1 2 0 6 1 6 参蔼 冷 加 工 3 3