薄壁长筒零件深孔镗削工艺与数控组合机床设计.pdf

第 5期 2 0 1 3年 5月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l a r M ac hi ne Too l Aut o m a t i c M an uf a c t ur i ng Te c h ni qu e NO ． 5 M ay 2 01 3 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 3 0 5 0 1 1 70 3 薄壁长筒零件深孔镗削工艺与数控组合机床设计 苗晓鹏 ， 程建安 1 ． 安阳工学院 机械工程学院， 河南 安阳4 5 5 0 0 0； 2 ． 安阳三一机械有限公司， 河南 安阳4 5 5 0 0 0 摘要 文章对薄壁长筒类零件 内孔镗 削方法进行 了分析 ， 并设计 了深孔镗 削数控组合机床 。同时机 床的布局及主轴箱、 弹簧夹头、 深孔镗 刀等关键部件进行 了详细介绍。该机床的成功研制， 解决了薄 壁 长筒零 件深 孔加 工 的难题 ， 通过 更 换数控 加 工程序 ， 更换 夹 头及 刀具 ， 调 整 液压 中心 架和 导 向架 的 轴 向位置 ， 该机 床 可 以实现 不 同尺寸 薄壁 长 筒类零 件 的 内孔 加 工 ， 运行 效果 良好 。 关键词 薄壁零件 ； 深孔镗 削； 组合机床 中图分类 号 T Hl 6 2； T G 6 5 文 献标 识码 A Bo r i n g Pr o c e s s o f Thi n- wa l l Lo ng Cy l i nd e r Pa r t s a nd De s i g n o f t h e CNC M od ul ar M a c hi n e To o l MI A0 Xi a o ． p e n g ．CHENG J i a n a n 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，An y a n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，An y a n g He n a n 4 5 5 0 0 0，C h i n a； 2 ． An y a n g S a n y i Ma c h i n e r y C o ．L T D，An y a n g He n a n 4 5 5 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t Th e b o r i n g pr o c e s s i n g o f t h e t h i n wa l l l o n g c y l i n d e r pa r t i s a n a l y z e d a n d t he CNC mo d ul a r ma c hi ne t o o l f o r de e p h o l e b o r i n g i s d e s i g n e d．The ma c h i n e l a y o u t ， s p i n dl e b ox， c o l l e t c hu c k a n d d e e p h ol e bo r i n g c ut t e r a r e d e t a i l e d l y i n t r o d uc e d．Th e ma n u f a c t u r e o f t h i s ma c h i ne s o l v e s t he p r o c e s s i n g p r o b l e m of d e e p h o l e s of t hi n wa l l l o n g c yl i n de r pa r t s ． Th i s ma c h i n e c a n b e us e d i n n e r h o l e s ma c h i n g o f d i f - f e r e n t s i z e d t h i n wa l l l o n g c yl i n d e r p a r t s by r e p l a c i n g CNC ma c hi n g pr o g r a m ，c h a n gi ng c o l l e t c h u c k a n d c u t t e r ， a a j u s t i n g a x i a l p o s i t i o n o f h y d r a u l i c c e n t e r fl a me a n d g u i d e fl a me ． Ke y wo r d st h i n wa l l pa r t s ；d e e p h o l e b o r i ng；mo d u l a r ma c h i n e t o o l s O 引言 军工 、 航 空航 天领 域 用 到许 多 薄 壁 套 筒类 零 件 ， 例 如火箭 弹 筒 和 各 种 火 炮 的炮 管 等 ， 这 类 零 件 内孔 长径 比一 般 大于 5， 属 于深 孔加 工 ， 加 工难 度 高 ， 加 工 精度难以保证 。深孔加工的难点在于 ①深 孔加工 在封 闭和 半 封 闭 状 态 进 行 ， 润 滑 、 冷 却 都 很 困难 ， 切 削散 热难 。工 艺 系 统 热 变 形 将 严 重 影 响 孔 加 工 精 度 。②深 孔长 径 比大 ， 刀 杆受 孔 径 限制 ， 直 径 小 长 度 大， 刚性不 足， 切削时会 出现让刀及振刀的现象 ， 使 孑 L 的尺寸精 度 、 位置 精 度 及 表 面粗 糙 度 都难 以保 证 。 ③ 切 削 长 度 较 大 ， 排 屑 空 间狭 窄 ， 切 屑 排 出很 困难 ， 容 易 与孑 L 壁 摩擦 ， 孔 加 工 表 面 出现 螺 旋 沟 ， 也 易 于发 生切削阻塞 ， 刀具 容易磨 损、 崩 刀。④ 由于零 件壁 薄 ， 加 工时 易发 生切 削 变 形 和装 夹 变 形 ， 从 而影 响加 工 表 面的几 何精 度 和位置 精度 。 。 某军 工企业需要 加 工不 同规 格 、 不 同批量 的火箭 弹筒 ， 内孑 L 尺寸精度、 形状精度要求较高。最初采用管 料在 普通车床 上加专用工 装 ， 用一般 的镗刀进行 加工 ， 由于刀杆太长 ， 加工时出现严重的振刀和让刀现象 ， 造 成 零件 内孔 尺寸及 形状 公差 无 法满 足设 计 要求 ， 加 工 难以进行 ， 因此该企业提出用专用机床进行加工的构 想 。本课题组 根据 企业 的需 求 ， 针 对 某一 火箭 弹筒 零 件进 行工艺分 析并设计 了深孔镗 削数控 组合机 床 。该 机床 实现数控化 控制 ， 具有一定 的柔性 ， 可用 于 多品种 变批 量薄壁长筒 类零件 的内孔加工 。 1深孔镗削工艺分析 I ． I零 件 结构 图 I 所示 为火 箭 弹 筒 的加 工 工 序 图 ， 零 件 材 料 为3 0 C r M n S i A， 硬度H R C 一 3 4 ． 3 8 ， 内孔直 径 4 6 5 0 们 i n m， 外径 7 4 ． 5 o -【 l 1 5 m m， 孑 L 深 8 6 0 m m。孔径 比 1 3 ． 2 ， 壁 厚 只有 4 ． 6 mm， 孔 圆柱 度要 求 0 ． 0 3 m m， 精 度要 求高 。一 般 内孔 长 径 比大 于 5时 ， 其 加 工 就 比 较 困难 了 ， 该零 件 内孔 长径 比达到 l 3 ． 2 ， 普 通 机床 已 经无 法满 足生 产 的需要 。 1 ． 2工 艺方案 该零件使用的毛坯是管料 ， 加工中只需要镗孔。 深孔镗削的运动形式主要有 ①工件 固定 、 刀具旋转 并进给。一般 用于加工不方便旋转 的、 孔径精度要 求较高的工件 ， 缺点是加工 的孔直线性较 差。②工 收稿 日期 2 O l 2一 O 91 4 ； 修 回日期 2 0 1 21 02 4 作者简介 苗晓鹏 1 9 7 O 一 ， 女 ， 河南安 阳人 ， 安 阳工 学院机 械T程 学院 副教授 ， 硕 士， 研究 方 向为数 控机床 、 组合 机床 设计 与制 造， E ma i l mi a o x i a o p e n g 1 2 6 ． c o rn。 1 l 8 组合 机床 与 自动化 加工 技术 第 5期 件 旋转 、 刀具 进 给并 旋 转 。加 工 效率 高 ， 但 采 用 内排 屑时 ， 在镗杆中间形成 了离心力 ， 不易排屑。③工件 旋 转 、 刀具 只进 给 。一 般 用 于 加 工 圆柱 棒 料 类 的 工 件 ， 可 以加 工 出直 线 度 和 圆 度 都 较 好 的孔 。经 过 实际分 析 ， 确定 该零 件 加 工采 用 第 三种 运 动 方 式 ， 内 排 屑推 镗法 加工 。 图 1 被 加 工 零 件 工 序 图 镗 削 内孔 一般 需要 粗 镗 、 半 精 镗 、 精 镗 等 几 道工 序 ， 为了能够在一 台机床上完成全部加工工序， 要求 机 床 主轴 转 速 、 刀 具 进 给 运 动 速 度 可 调 ， 夹 具 、 刀具 等 可更 换 调 整 。 因此 机 床 采 用 数 控 系 统 控 制 ， 通 过 数控 加 工程 序来 改 变加 工 行 程 、 切 削参 数 等 ， 以适 应 多 品种 变批 量 的加工 。 2机床 方案设计 2 ． 1 机 床结 构形 式及 配置 工件由主轴带动旋转 ， 镗刀不旋转 只轴 向进给 切削 ， 因而机床 采用单 面卧式 结构 布置 ， 单工 位加 工 ， 其 结 构 形 式 及 配 置 如 图 2所示 。机 床 主 要 由床 身 、 主 轴箱 、 镗 刀架 、 数 控 滑 台 、 排 屑 冷 却 、 电气 、 液 压 及 防护 等部 分组 成 。主轴 箱 2固定 在 床 身 1 3上 ， 由 主轴带 动 工件 4旋 转 ， 镗 刀杆 7安 装 在 刀架 8上 ， 刀 架 安装 在 数控 滑 台 9上 ， 由 滑 台 带 动 完 成 轴 向进 给 运动 ， 为 了保 证 镗 杆 的 刚度 ， 加 强 稳 定 性 ， 镗 杆 采 用 了导 向架 6作 为辅 助 支 撑 。工 件 4一 端 通 过 弹 簧夹 头 3定 位夹 紧 ， 另 一端 采用 液压 中心 架 5夹 持 。精镗 时 ， 为 了避免在 加 工好 的表 面 上 留下 刀 痕 ， 保 证 内孔 加工 精度 ， 加 工 完 毕 时需 要 将 刀 片 或 镗 刀 手 工 卸 下 后 ， 数 控 滑 台带 动 镗刀架 退 回 。 1 4 9 1 O 11 1 ． 主 轴 电 机 2 ． 主 轴 箱 3 ． 弹 簧 夹 头 4 ． T 件 5 ． 液 压 中 心 架 6 ． 导 向 架 7 ． 镗刀及 镗 杆 8 ． 刀架 9 ． 数 控滑 台 1 0 ． 伺 服 电机 1 1 ． 联 轴器 1 2 ． 单螺母滚珠丝杠 1 3 ． 床身 1 4 ． 排 屑装置 图 2机床 结构 图 整机采用模块化设计 ， 通用性能好 ， 机床 主轴及 刀具均 采用 伺服 驱 动 ， 通 过数 控 系 统控 制 无 级 变 速 ， 通 过 更 换 夹 头 、 刀 具 ， 调整 液 压 中 心架 、 导 向架 的轴 向位 置 ， 可 以实 现 不 同规 格 薄 壁 套 筒 类 零 件 内孔 的 粗 精加 工 。 2 ． 2机 床 的工作 循环 机 床 的工作 循环 如 图 3所 示 。 闭合 电气 柜 侧 面 电源 开 关 启 动 液 压 站 人 工 上 件 、 手 动 夹 紧 液压 中心架 夹 持 主 轴 电 机 正传 数 控 滑台快 进 数 控 滑 台工 进 、 完 成 镗 孔 加 工 主 轴 电 机 停 转 手 动 卸 刀 数 控 滑 台 快 速 退 回 松 开工 件 人 工 下 件 手 动装 刀 进 入下 一个 工作 循环 。 图 3机 床 的 工 作循 环 3机床 的关键技术 3 ． 1主轴单 元 为 了精 确 控 制 主 轴 转 速 ， 主 轴 电机 采 用 西 门 子 1 P H 7 1 3 1 2 N F高效异 步伺 服 电机 驱 动 ， 如 图 4所 示 。 主轴 1由交 流伺 服 主轴 电机 l 0通过 同步齿 形带 8及 同步 带 轮 7 、 9驱 动 ， 实 现无 级 变 速 。按 照 模 块 化 设 计 原 则 ， 主轴也 可配 置 变 频 电动 机 以降低 成 本 ， 但 控 制精度会有所降低 。主轴前后轴承都采用了滚珠数 量多 、 刚性 好 的 3 1 8 2 1 0 0系列 短 圆 柱 滚子 轴 承 前 轴 承为 C级 ， 后 轴承 为 D 级 ， 主轴 可 以获 得很 高 的旋 转精 度 ， 另外 前 支 撑 处 采 用 两个 预 加 负 荷 的推 力 球 轴承 C级 来 承 受 轴 向力 ， 可 以保 证 主 轴 沿 轴 线 方 向窜动量小 。主轴采用皮带传动 ， 能够缓和载荷 的 冲击 ， 使 运动平 稳 。 1 ． 主 轴 2 ， 3 ， 4 ． 轴 承 5 ． 主轴 箱 6 ． 传 动箱 7 ， 9 ． I司步 带 轮 8 ． 同 步 齿 形 带 l O ． 伺服主轴电机 图 4主轴单元结构图 3 ． 2定位 与夹 紧方 案 薄壁 长筒 形 零 件 的 刚度 低 ， 装 夹 时 很 容 易 产 生 弹性 变形 ， 影 响零 件 加 工 精 度 。设 计 定 位 与 夹 紧 方 案时 如何解 决夹 紧变 形 是个 关 键 问题 。对 于薄 壁 易 变形 的零 件常 以端 面 及外 圆作 为定 位 基 准 。外 圆 柱面 限制 了 4个 自由度 ， 左 端 面限制 沿轴 向 的 1 个 自 由度 。为 了提 高定 位精 度 ， 保 证 加 工后 的壁 厚 均 匀 ， 2 0 1 3年 5月 苗晓鹏， 等 薄壁长筒零件深孔镗削工艺与数控组合机床设计 1 1 9 常采 用 自动定 心机 构 ， 它能 同时 使工 件 得 到 定 位 、 夹 紧 和定心 。 经过分析 确定被加 工零件采用外 圆柱 面与左端 面 联合定位 ， 左 端采用 弹簧夹头定位 与夹 紧 ， 夹 头在零 件 的整个 圆周施加夹 持力 ， 而不是 仅在选定 的接触 区域 ， 可获得很好 的 同心度 。右端采 用液压 中心架作为辅 助 支撑 ， 以增加 工件 的刚性和切削 的稳定性 。 本 机床设计 了专用 弹 簧夹 头 ， 具体 结构 如 图 5所 示。夹头体 2以左端 8 0 mm的短外圆面和端面 A在 主轴上定位 ， 并 用 六个 螺 钉 1固定 在 主轴 前端 。这 种 安装方式定心精度高， 刚性好 ， 但要求制造精度很高， 需要 8 0 m m的短外 圆面与主轴内孔配磨 ， 配磨间隙 0 ． 0 0 5 0 ． 0 1 m m。弹簧夹 头 4以 1 2 0 m m外 圆面与 夹 头体 2右端的内孔配合 ， 并用六个螺钉 1 1紧固在夹头 体 2上 ， 通过端 面键 3传递 扭 矩 。带锥 面 的 薄壁 弹性 套 1 0与弹簧夹 头 4右端 的锥孔 配 合 ， 弹 性套 1 0沿轴 向共开有 l 2个槽 8 ， 前后 各 6个 。拧紧螺 母 5 ， 通过 钢 球 6 、 卡环 7推动 弹性套 1 0左移 ， 在斜 面 的作 用下 ， 卡 爪 收缩 ， 将工件 9定心 夹紧 。松 开 螺母 5 ， 卡爪 弹性恢 复 ， 工件松。夹头体 2的内孔给镗头留出切出空间， 外 壁上沿周向均布着 4个宽 6 3 m m， 长 1 0 0 m m的轴向槽 ， 用 于精 加工完 毕后手动卸 刀 。 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1， 1 1 ． 螺 钉 2 ． 夹 头 体 3． 端 面键 4 ． 弹 簧 夹 头 5， 螺 母 6 ． 钢 球 7 ． 卡 环 8 ． 槽 9 ． 工件 1 0 ． 弹性套 l 2 ． 轴向槽 图 5弹簧夹头 总图 3 ． 3深 子 L 镗 刀及 进给机 构 设计 刀具 加工 系统 采 用 深 孑 L 镗 刀 装 置 ， 进 给 运 动 由 交流伺 服 电动 机 驱 动 ， 经 联 轴 器 驱 动 滚 珠 丝 杠 螺母 副 ， 带 动 镗 刀 架 移 动 。 配 置 滚 珠 直 线 导 轨 ， C级 ， 带 l 2个 滑块 ， 每 根 6个 。滚动 直 线导 轨摩 擦 系 数小 、 启 动灵 敏 、 无 爬行 。导轨 润 滑 采 用 自动 集 中润 滑 系统 。 整个 进 给 系统 具 有 精 度 高 、 刚性 好 、 运 动 平 稳 、 精 度 保 持性 好 等优 点 。 由 于深孔 的 长 径 比 大 ， 刀 杆 细 而 长 ， 刚 性 较 低 ， 易产生振动， 使加工 的孔偏歪 而影响加工精度 和生 产效率 ， 因此专门设计 了深孑 L 镗刀。目前 ， 在深孔加 工刀具 中， 都有 2个 以上导向块 ， 导向块支承在 已加 工 表 面上 ， 可 以 平 衡 径 向切 削 力 ， 实 现 引 导 刀 具 进 给， 增强 刀杆的动态 刚度， 减少加工孑 L 的轴 向走偏 ， 提高孑 L 的直线度 的作用。 本机床设计 了机夹式深孔镗刀 ， 如图 6所示 ， 镗 刀主要 由导向块 、 刀片及刀夹和刀体组成。导向块 3 由导向块体 6和 Y G 8硬 质合金支承块 7焊接而成 ， 用压紧螺钉 4固定在刀体 5上。导向块的主要作用 就 是能 够保 证 镗 刀 在 孔 中处 于 稳 定 状 态 ， 具 有 支 撑 和挤压 作 用 。导 向块 的 布 置 采 用 三 导 向 ， 三个 导 向 块 3相 对 于 切 削 刀 片 1布 置 的 角 度 分 别 为 7 5 。 、 1 8 0 。 、 1 0 5 。 ， 导 向块 3的外 圆 面可 将 导 向块 装 到 刀 体 上 磨 出 。刀片 1 置 于刀 夹 2上 ， 并用 螺钉 紧 固在刀 体 5上 。刀 片和 刀 夹 均 采 用 瑞 典 S A N D I V K公 司产 品 。 刀体 5与镗 杆 采 用 矩 形 多 头 螺 纹 连 接 ， 保 证 了连 接 强度 和 装 卸 速 度 。 镗 刀采 用 内 排 屑 冷 却 润 滑 系 统 ， 切 削液 可直 接 喷 射 到切 削 刃 和 导 向 块 上 ， 达 到理 想 的冷却 润滑 效果 。 1 ． 刀 片 2． 刀 夹 3 ． 导 向 块 4 ． 压 紧 螺 钉 5． 刀体 6 ． 导 向 块 体 7 ． 支 承 块 图 6镗 刀 总 图 4 结束语 本组合机床采用数控 系统 控制 ， 设计 了专用夹 头及 镗刀 ， 解 决 了在 普 通 机 床 上 加 工 薄 壁 长 筒 类 零 件 定 位难 度 大 ， 加 工 精 度 难 以保 证 的难 题 。机 床 研 制 成 功后 ， 协议 企业 共 购 置 4台 ， 一 台 用 于小 批 量 火 箭 弹 筒 的生产 ， 在一 台机 床 上完 成 工 件 的全 部 加 工 。 另 外 三 台组 成 流 水 线 ， 分 别 完 成 粗 镗 、 半 精 镗 、 精 镗 等各道工序 ， 用 于大批量零件 的生产。经过用 户使 用 证 明 ， 该组 合 机床 实 现 了不 同规格 、 不 同批 量 薄 壁 长筒零件的 自动化加工 ， 加工精度达到设计要求 ， 降 低 了工 人 的劳动 强 度 ， 生 产效 率 也 明显 提 高 ， 取 得 了 良好 的经济 效 益和社 会效 益 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]何定健 ， 李建 勋 ， 王 勇．深孔加 工关 键技 术 及发 展 [ J ] ． 航 空制造技 术 ， 2 0 0 8 2 1 9 0 9 3 ． [ 2 ]姚荣庆．薄壁零件 的加工方法 [ J ] ．机床与液压 ， 2 0 0 7 ， 3 5 8 2 5 02 5 3 ． [ 3 ]肖继 明， 李言 ， 郑建 明 ， 等．薄壁 深孔镗 头的设 计 与应用 [ J ] ．组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 0 4 6 8 0 8 1 ． [ 4 ]付宏鸽 ． 难 加工材料镗削技术研究 [ D] ．西安石油大学 ， 2 0 06． [ 5 ]大连组合机床研究所 ．组合机床设计 第一册 [ M] ．北 京 机械 工业 出 版 社 ， 1 9 7 5 ． [ 6 ]王先逵．机 械制造 工艺学 第 2版 [ M] ．北京 机械 工 业出版社， 2 0 1 1 ． 编辑赵蓉，