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数控车床深孔镗削结构的分析与应用

摘要: 总结出了利用车床进行深孔镗削时,机床结构设计的各个要点,通过利用传统加工方法和前期试验进行分析论证,提出了一种长套管类工件深孔镗削的解决方案,也是一次大胆尝试,该方案既能满足车削的要求,又能弥补传统镗削的不足。

目前,利用数控车床卧式刀架镗削常规长度内孔已不再是什么难题,但往往会有一些长套管类工件的内孔加工,利用这种结构加工就无法实现了。常规工艺大都采用扩孔和镗孔,因工件固定而刀具运动,排屑和散热,尤其当工件要求粗、精工序在一序完成,或加工一定直径范围内的孔,常规工艺需要不同规格的镗刀,刀具数量多、换刀时间长、对刀次数多、辅助时间长、效率低,加工既有车削又有镗削要求的回转类工件时,这种传统加工方式更显劣势,若要提高效率,需定制专用设备,投资大、柔性差、生产准备时间长,产品更新时间长,财力物力浪费大。

根据以上问题我们对数控车床结构进行了优化升级,加工长套管类工件,不需多次装卸工件,更换刀具、辅具,能够一次装夹完成车削、深孔镗削的加工。操作省时、省力、换刀速度快,工件旋转,排屑方便,易散切削热,柔性大,产品更新方便。适用于液压、印刷、石油工程机械等行业长套管类零件的加工。

1 、前期分析与试验

卧式车床配置8 工位卧式刀架为例进行案例解析,根据长期加工的设计和加工经验得知,常规刀杆的最大镗削深度与刀杆直径有个比例关系叫做长径比,即最大镗削深度是刀杆直径的3 倍,如图1 所示。比如用60 mm 的刀杆镗削的最大深度就是180 mm,大于这个值在镗削时就会多多少少产生振刀,这个值越大振刀越严重。考虑到常规刀杆的刚性问题,现选用山特维克1: 7 的抗振刀杆,刀杆直径60 mm,可镗削420 mm 的深孔,镗孔直径90 mm,主轴转速恒定。切削试验参数见表1。

  

             

表1 切削试验参数表

从表1 数据中可以看出,当刀杆悬伸长度≥330mm 镗削就无法满足加工要求了,故使用该抗振刀杆镗削的最大深度为300 mm。

2 、结构改进分析

经过反复试验发现,镗削的深度不单单和刀杆的刚性有关,和切削相关的各种连接件都有或多或少的关系。所以我们从以下几个方面考虑: ( 1) 卡盘与工件之间的夹持刚性,镗削内孔时尾座无法使用,所以要尽量增强卡盘的夹持刚性,如增大受力面积,接触长度; ( 2) 回转刀架与滑板的联接刚性,如果它们之间的刚性不够,再好的刀杆也无计可施; ( 3) 回转刀架上刀盘的锁紧刚性,刀盘有较高的锁紧刚性,我们就可以忽略这个环节,可看成刀盘和刀架本体为一个整体; ( 4)镗刀座和刀盘之间的联接刚性,在满足刀具工位数要求的情况下,尽量选择工位少、刀盘对边大、刀盘厚度尽量厚的刀盘,因为这样可以增大镗刀座与刀盘的接触面积从而增加刚性; ( 5) 镗刀座与刀杆之间的夹持刚性,镗刀座与刀杆的传统夹紧方式是用刀座两侧螺钉顶刀杆外圆的扁面,如图2 所示,这种方式的刚性显然不是最好的; ( 6) 刀杆自身的刚性,刀杆自身的刚性是最重要的,传统刀杆的处理方式无外乎这么几项: 低碳合金钢渗碳淬火、整体淬火、加入液压油或做成锥形的等强度杆等,但要想镗削长径比达到1∶ 5 乃至1∶ 13 的话,传统方法就显得力不从心了。目前制作抗振刀杆较好的有德国和以色列的几家刀具商。

      

3、 应用实例

笔者单位承接中船重工集团某厂液压悬浮管的加工设备制造,该工件需要加工两端内、外螺纹,通长镗削内孔,工件外形如图3 所示,内孔形状很不规则,直径不断变化,无法使用镗床设备加工,车床镗削无疑是最好的加工方法。通过数控程序控制走刀轮廓,和前期的深孔镗削结构分析和试验,本次数控车床设计着重从以上6 点考虑,力保深孔镗削能一次成功。

从用户加工的要求来看,我们推荐一种多功能复合机床,既有数控车床自身的车削功能,又有深孔镗削功能。用户要求刀杆直径90 mm,最大镗深700 mm。

具体实施方案如下:

( 1) 根据理论计算和类比方法,保证机床主轴电动机功率足够,卡盘与工件之间的夹持刚性要强化,卡爪夹持长度200 mm,爪型设计成与工件直径相符的圆弧形,且卡爪为倒喇叭口型,保证卡爪夹持后全长度接触,如图4 所示。

( 2) 回转刀架本体加长、把合螺钉个数由8 个改为10 个,增大刀架与滑板的接触面积。

( 3) 镗刀座设计成割逢环抱的形式,且长度为270mm,即夹持长度为刀杆直径的3 倍,保持较高的夹持刚性,如图5 所示。

   

( 4) 在保证刀架回转惯量和速度不受太大影响的情况下,加大刀盘厚度值200mm,与刀座之间的把合螺钉由4 个M10 改为8 个M16,如图6 所示。

   

( 5) 将刀盘与刀架本体联接的鼠齿定位盘加大,增大刀盘的锁紧刚性。

( 6) 刀杆选用山特维克1: 10 的抗振刀杆,刀杆直径90 mm。

经过机床车削试验、深孔镗削试验,验证了以上方法的正确性,切削效果非常好,最大镗深850 mm,ap =2. 5 mm,f = 0. 4 r /min,机床切削正常,工件切削表面无振纹。机床多功能镗削刀架如图7 所示。

   

4、结语

本文通过利用传统加工方法和前期试验进行分析论证,提出了一种长套管类工件深孔镗削的解决方案,也是一次大胆尝试,该方案既能满足车削的要求,又能弥补传统镗削的不足,具有多功能复合型的特点。总结出了利用车床进行深孔镗削时,机床结构设计的各个要点。目前该机床已终验收完毕并交付用户使用,得到了用户的一致认可.


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