基于枪钻技术的制动泵主缸深孔加工机床研究.pdf

第 1 2期 2 0 1 4年 l 2月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d ul a r M a c h i n e To ol Au t o ma t i c M a nu f a c t ur i n g Te c hn i q ue NO ． 1 2 De c ．2 0 1 4 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 4 1 2 0 1 3 8 0 3 D O I 1 0 ． 1 3 4 6 2 ／ j ． c n k i ． mm t a mt ． 2 0 1 4 ． 1 2 ． 0 3 7 基于枪钻技术的制动泵主缸深孔加工机床研究 术 王 纯贤 ， 娄旭 东 ， 尹建贺 ， 胡胜来 ， 蒋辉 东 ， 郑胜华 1 ． 合肥工业大 学 宣城 研 究院， 安徽 宣城 2 4 2 0 0 0； 2 ． 宣城 市建 林机 械有 限公 司， 安徽 宣城 2 4 2 0 5 7 摘要 针对传统麻花钻加工制动泵主缸深孔所存在 的刚性差、 排屑 困难、 加 工精度和效率低等 问题 ， 研究和探讨 了基于枪钻技术的制动泵主缸 深孔加工专用机床 的相关设计 问题 ， 介绍 了机床 的总体结 构和 工作 原理 ， 确 定 了排 屑 方式 、 主轴转 速和 功 率。根 据枪钻 系统 对主 轴 和冷 却过 滤 系统 的要 求 ， 探 讨 了机床主轴和冷却过滤系统关键部件的设计问题 。实际应 用表 明， 所设计的深孔加工专用机床 能 够有效地解决传统麻花钻加工所存在 的问题 ， 并可用于其他 类似深孔零件的加 工， 极 大地提 高了深 孔加 工 的效 率和精度 。 关键 词 制动 泵主缸 ； 深 孔加 工 ； 枪 钻技 术 ； 专用机床 中图分类号 T H1 6 2 ； T G 5 0 6 文献标识码 A Re s e a r c h o n t he S pe c i a l M a c hi n e f o r De e p Ho l e Pr o c e s s i ng o f Br a ke M a s t e r Cy l i nd e r Ba s e d on Gun Dr i l l Te c h no l o g y W ANG Ch u n- x i a n‘ ，L OU Xu d o n g ， YI N J i a n - h e ， HU S h e n g l a i ， J I ANG Hu i - d o n g ， ZHENG S h e n g h u a 1 ．X u a n c h e n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ， H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， X u a n c h e n g A n H u i 2 4 2 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． X u a n c h e n g J i a n l i n Ma c h i n e r y C o ． ， L t d ． ， X u a n c h e n g A n H u i 2 4 2 0 5 7 ， C h i n a Ab s t r a c t To s o l v e t h e p r o b l e ms s u c h a s ba d r i g i d i t y，d i ffi c u l t s c r a p s d i s c h a r g i n g，l o we r wo r k i n g a c c u r a c y a n d e ffi c i e n c y i n d e e p h o l e o f b r a k e ma s t e r c y l i n d e r p r o c e s s i n g wi th t r a d i t i o n a l t wi s t d r i l l ma c h i n e s ，k e y t e c h n o l o g i e s o f a d e e p h ol e p r o c e s s i n g ma c h i n e a r e s t u d i e d a n d e x p l o r e d b a s e d o n g u n d r i l l t e c h n o l o g y i n t h i s p a p e r ．I t s o v e r a l l s t r u c t u r e a n d wo r k i ng p r i n c i p l e we r e d e s c r i b e d．Th e wa y s f o r s c r a p s d i s c harg i n g，c a p a c i t y a n d s p e e d o f ma i n s pi n d l e are d e t e r mi n e d ．Th e c o o l i n g a n d f i l t e r s y s t e m i s d e s i g n e d t o me e t t h e n e e d s o f g u n d r i l l s y s t e m．Th e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n i n d i c a t e s t ha t the s p e c i a l ma c h i n e fo r d e e p h o l e of b r a ke ma s t e r c y l i n d e r p r o c e s s i n g d e v e l o p e d i n the p a p e r c a n o v e r c o me t h e p r o bl e m s wi t h t r a d i t i o n a l t wi s t d ril l ma c h i n e s ，a n d c a n b e us e d i n p r o c e s s i n g s i mi l ar p a r t s wi th d e e p h o l e a l s o． Ke y wo r d sma s t e r c y l i n d e r o f b r ak e p u mp；d e e p h o l e p r o c e s s i n g；g un d r i l l i n g t e c h n o l o g y；s p e c i a l ma c h i n e 0 引言 汽 车制动泵 主缸 上有 一深 盲孑 L ， 直 径 1 4～ 3 8 ra m， 深 9 0～3 0 0 m m， 精度 H 8～H 9 ， 表 面粗 糙 度 R a O ． 2～ 0 ． 4 ， 孑 L 的长度和直径比大于 5 。传统工艺通常使用加 长麻花钻加工， 易出现孔径尺寸超差 、 锥度、 切削散热 难 、 工艺系统刚性差 、 排屑困难、 加工效率低 等问题。 由于钻头细长， 刚性差 ， 加工过程中钻头会产生弯曲和 振动 ， 往往会由于切屑排出困难而导致钻头折断。枪 钻技术是解决这一问题的有效途径 。 枪钻是一种单刃外排屑深孑 L 钻头 ， 起初主要用于 枪管和炮 管的深T L ； g 1] 工。枪钻加工孔 的经济精度在 I T 8～ I T 1 0 ， 能满 足汽车制 动泵 深孔 加 工要求 。枪 钻系 统采用钻杆 内部通入高压切削液 的方式进行润滑冷 却 ， 并将切屑从孔内壁与刀杆之间的 V形槽排出。枪 钻对机床有一定的要求 ， 一方面要有很高的内冷压力 ， 以便利用高压冷却液冲出加工中产生 的切屑 ， 帮助排 屑， 另一方面要求很高的主轴转速 。本文根据枪钻 使用要求 ， 探讨了基于枪钻技术 的制动泵主缸深孑 L 加 工专 用机床相关设 计 问题 。 1 机床 总体 结构 和工作原理 图 1 为基 于 枪 钻技 术 的深 孔 加 工 专 用机 床 结 构 图 。 收稿 日期 2 0 1 4 0 41 7 基金项 目 2 0 1 3年安徽省服务业发展引导基金项 目 汽车制动系统智能成套加工设备技术研发 1 1 C 2 6 2 1 3 4 0 2 0 4 5 作者简介 王纯贤 1 9 6 2 一 ， 男 ， 内蒙古赤峰人 ， 合肥工业大学副教授 ， 博士， 研究方 向为 C I MS ， 自动化加工， 数字化设计与制造技术 ； 通讯作 者 娄 旭东 1 9 8 9 一 ， 男 ， 河南许 昌人， 合肥工业大学硕士研究生， 研究方向为计算机集成制造系统， Ema i l 1 4 4 6 6 1 6 1 5 3 q q ． c o rn。 2 0 1 4年 1 2月 王纯贤， 等 基于枪钻技术的制动泵主缸深孔加工机床研究 1 3 9 0 1 2 1 ． 机座 2 ． 夹具体 3 ． 立柱4 ． 伺服电机5 ． 配重气缸6 ． 线性滑轨7 ． 滚珠丝杠 8 ． 主轴电机 9 ． 液压缸 1 0 ． 枪钻钻头 1 1 ． 主轴 1 2 ． 同步带 图 1 机床整体结构 图 与传统卧式 T字形布局的枪钻机床不 同， 专用机 床采用立式结构 ， 主轴反装在机床底部的基座上 ， 带动 枪钻钻头高速旋转 ， 工件由夹具体固定装夹 ， 伺服电机 驱动丝杠带动夹具体工作台向下实现进给运动。这样 在枪钻钻孑 L 过程中， 高压切削液冲击铁屑， 并利用铁屑 自重 ， 沿着枪钻的导屑槽落到集屑槽内。 机床采用倒立式双主轴的结构， 可共用一套控制 系统 ， 降低 了成本 ， 提高了效率。主轴电机固定在机床 下半部分的机座上 ， 经同步带动力传递到主轴， 带动主 轴高速旋转。线性滑轨和滚珠丝杠安装在机床上半部 分的立柱上。机床立柱顶部的伺服电机通过联轴器带 动丝杠旋转 ， 后者驱动装夹有工件的夹具体 向下实现 进给运动。 机床夹具上装有液压缸， 实现夹具体上工件的夹 紧和放松。立柱上装有气缸 ， 用于夹具体配重， 减轻丝 杠的负荷， 同时实现加工完成后工件的快速退回， 缩短 了辅助加工时间。机床 配有二级过滤系统和恒温装 置 ， 高压切削液从主轴的底部通往枪钻钻头， 保证加工 的顺利进行 。 2 加工中的排屑和主轴参数 2 ． 1 加工中的排屑 枪钻加工中的切屑是被具有一定压力和流速的切 削液 冲走 的 ， 然后 通 过钻 杆 V形槽 排 出 ， 所 以加 工 后 的孔壁易被铁屑划伤， 影响内孔 的表面粗糙度。为解 决这一问题 ， 机床采用主轴倒立式结构 ， 利用切削液和 切屑的 自重， 使切屑更顺 畅地从钻杆 V形槽 中排 出， 减少了对加工后孑 L 壁的划伤 ， 提高了加工精度。 2 ． 2 主轴转速的确定 加工中， 为了保证枪钻的良好运转和工件质量， 刀 头转速必须在合理范围内选取。在其它参数不变的情 况下 ， 枪钻转速小于这个范围时将造成工件表面粗糙 度达不到技术要求 ， 不能满足加工质量要求； 而大于这 个范围时又会造成切屑不断， 造成枪杆 V型槽堵塞。 刀头的转速 主要 取决 于所加工 的材料 和钻头 的直 径 。 制动泵体的材料一般为 H T 2 0 0 ， 深孔直径范围为 1 4 ～3 8 mm 。 由主轴转速的计算公式 1 00 0v n 一主轴转速 ， t ， 一刀具线速度 切削速度 ， D 一 工件直径 。 由工件直径设计 D，1 4 m m， D 3 8 m m， 查机械 加工工艺手册_ 8 硬质合金枪钻切削速度与进给量选取 表 ， 钻 削 H T 2 0 0时得到 7 5 m ／ m i n 主轴最高转速为 n I 1 0 0 0 x一75 r ／mi n 1 7 06mi n ∥ m “ m “ 主轴最低转速为 n ． r ／ m i n 6 2 9 m i n l _ ∥m“ m“ 根据该主轴转速范围， 主轴 电机采用某型号高转 速变频电机， 其转速范围为 1 0 0～ 3 5 0 0 r ／ m i n 。 2 ． 3 主轴 电机功率的确定 由主轴电动机功率计算公式 和 P “ jU上 ， 式中 P 一电动机总功率 ， P 一切削功率 ， 一传动 效率 ， 一切削转矩。查机械加 工工艺手册 ] ， 钻削 H T 2 0 0的转矩计算公式为 M 0 ． 9 7 0 ． 1 1 7 D z 厂 ， 式中产 进给量 ， 由工件直径 D 1 4 m m， D 3 8 m m。查机械加工工艺手册 硬质合金枪钻切削速 度与进给量选取表 ， 钻削 H T 2 0 0刀具线速 度 t ，7 5 m ／ mi n 时得 0． 08mm／r ， 0． 1 2 7mm／r M 1 0． 11 4 1 4 0． 08 。 N m 5N m M 2 0． 1 1 438 0．1 27 。 N m 61N m P k W 0． 9 k W m l一3 01 4 ～。 P 3 0 k w 4 _ o k W 一 3 8 ⋯ 一⋯ P 7 取 同步带传 动效率为 叩 0． 98 ，P k W 4． 1 k w 查电机手册 ， 机床主轴选取电机额定功率为 P 5． 5 k W 3 高压 冲屑 和冷却 系统设计 高压冷却系统在枪钻加工过程中起到润滑、 冷却 和排屑的作用。切削液通过钻头内冷孑 L 送到切削区域 内， 吸收切削区的热量进行强制冷却、 润滑并 帮助排 屑 ， 然后再将切屑与切削液顺着刃槽排出。 枪钻的切削液选用非常重要 ， 切削液质量好坏将 直接影响到被加工孑 L 的精度。为了防止产生干摩擦 ， 1 4 0 组合机床与 自动化加工技术 第 1 2期 枪钻所使用的切削液应有极压添加剂， 以保证在高压 下形成油膜。加工材料为铸铁时， 选用 加％ ～ 2 5 ％的 极压乳化液作为机床深孔钻切削液。 在枪钻深孔加工中， 要选择合适的切削液压力和 流量参数。合适的切削液压力和流量可以避免切屑堵 塞 ， 使切屑顺利的从排屑槽 中排 出， 避免枪钻 V型槽 的堵塞和刀头的折断。 查机械加工工艺手册 枪钻钻头直径与切削液压 力 、 流量 的关 系 图可 知直 径 范 围为 1 4 m m ～3 8 mm 时 ， 压力 P的范 围为 3 ． 5 MP～1 ． 8 M P， 流 量 Q范 围为 1 L ／ m i n～ 4 ． 5 L ／ m i n 。由于深孔钻专用机床采用双倒立 主轴设计， 为了保证每个枪钻系统都能有足够的冲屑 压强， 采用两个叶片泵分别供给高压冷却液 ， 以保证切 屑顺利排除。叶片泵电动机功率为 4 k W， 提供最高压 强为 1 2 MP a的压力， 满足使用要求。 枪钻切削液 的过滤 、 钻头 的耐用度 、 孔 的表 面粗糙 度 、 尺寸精度等直接影响着油泵系统的磨损 ， 为此， 专 用机床过滤系统采用二级过滤 ， 第一级利用切屑筐进 行 粗滤 ， 切屑筐 是 由铁滤 网焊成 的过滤筐 ， 能够 过滤 出 粗铁屑。第二级采用滤纸进行过滤 ， 使过滤精度达到 5 ／ z m 以下 。 冷却过滤系统结构如 图 2所示 。工作过程为， 深 孔钻开始工作后 ， 叶片泵从枪钻底部的枪钻钻头旋转 接头通入高压冷却液 ， 铁屑随切削液流人基座内储水 槽内， 冷却泵 1 4把切削液送人进水 口， 把铁屑和切削 液的混合物快速带入 出水 口 1 2 ， 经过过滤网 1 3进入 接水箱 1 5 ， 进行一级过滤 ， 冷却泵 1 6把经过一级过滤 的切 削液送入磁 滤器 1 7中， 把铁 屑粉末从切 削液 中分 离出来 ， 然后再送人涡旋过滤器 l 9中， 同时离心泵 2 1 把水槽 中 的切削 液循环 的通过 滤纸 2 0进行二 级过 滤 。 滤纸放在水槽上面的传送网上面。换向阀 5 、 7控制切 削液的通断及回流， 溢流阀6控制切削液的压强 ， 节流 阀 9控 制流量 。 1 ． 叶片 泵 2 、 8 ． 单 向阀 3 ． 截 止 阀 4 ． 压 力表 5 、 7 ． 换 向阀 6 ． 溢流 阀 9 ． 节 流 阀 l 0 ． 进水口 1 1 ． 枪钻钻头 1 2 ． 基座储水槽 1 3 ． 一级过滤 网 l 4 、 1 6 ． 冷却泵 1 5 ． 接水箱 1 7 ． 磁滤器 l 8 ． 接屑槽 1 9 ． 涡旋过滤器 2 0 ． 过滤纸 2 1 ．高速离心 2 2 ． 恒温装置 2 3 ． 切削液油箱 图 2 冷却过滤系统结构简图 枪钻加工中， 大量的热量来 自于金属切屑的变形、 钻头支撑垫与工件孔垫的摩擦以及切屑在刀具前倾面 的摩擦， 这些热量都需要切削液进行冷却 ， 因此要控制 切削液的温升， 提高冷却效率。加工过程中要求温度 控制在 2 0 ℃ ～ 4 5 ℃之间， 最高不超过 5 0 c I ， 超过 5 0 q C 时切削液性质将恶化， 从而影响润滑效果。低于 2 0 ℃ 时， 又会导致刀具表面形成小块泡沫， 使刀具切削状态 遭到破坏。为了解决上述问题 ， 专用机床采用大容量 切削液箱 2 3 ， 同时配有温控装置 2 2 。恒温装置可以把 温度控制在 3 0 ℃ ～ 4 0 ℃ ， 以保持良好的冷却性能 。 4结论 本文研究和设计的基于枪钻技术的汽车制动泵主 缸深孔加工机床样机已在企业生产中应用 ， 结果表明 ， 该专用机床能够有效地解决传统麻花钻加工制动泵主 缸深孔所存在的刚性差、 排屑困难、 加工精度和效率低 等问题 ， 完全满足制动泵深 L J J n I的要求。同时 ， 也可 用于汽车离合器主缸等深孔加工零件 ， 大大提高了深 孔零件的加工效率和精度， 同时降低了生产成本和劳 动强度 。 [ 参考文献] [ 1 ]肖继明， 郑建明， 李言， 等． 汽车离合器与总缸体深 L J J u I 工艺研究[ J ] ． 汽车工艺与材料 ， 1 9 9 9 2 91 1 ． [ 2 ]王裕醅， 孙盼盼． 浅谈深孔加工刀具枪钻[ J ] ． 机械工 业 标准化与质量 2 0 1 0 6 3 4 3 7 ． [ 3 ]卫国刚， 徐国柱． 使用枪钻的机床[ J ] ． 机械工人．冷加 工 ， 1 9 8 9 3 0 5 35 7 ． [ 4 ]吴佳明． 曲柄轴深孔数控枪钻专机简介 [ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术， 2 0 0 2 7 2 62 8 ． [ 5 ]张兰萍 杨生元． 深孔加工中切削参数的选择 [ J ] ． 机械研 究与应用 ， 2 0 0 8 ， 2 1 3 1 2 21 2 4 ． [ 6 ]卫国刚， 徐国柱． 切削用量的选择及使用步骤[ J ] ． 机械工 人．冷J m- r， 1 9 8 9 5 4 7 5 1 ． [ 7 ]黄如林， 刘新佳， 汪群． 切削加工简明使用手册 [ M] ． 北 京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 8 ]盂少农． 机械加工工艺手册[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 98 7． [ 9 ]卫国刚 ， 徐 国柱 ． 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