普通车床改装深孔加工机床结构设计.docx
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普通车床改装深孔加工机床结构设计
1绪论
1.1深孔概念
在机械制造行业中，一般规定孔深L与孔径do之比大于5的圆柱孔（内圆柱面）称为深孔[1]，即L／do＞5的孔称为深孔，L／do≤5的孔称为浅孔。
孔加工分为浅孔加工和深孔加工两类。
孔深度与直径之比,决定了孔加工艺系统的刚度及刀具结构上的特点。
L／do增大,工艺系统刚度降低，切屑排出及冷却润滑的难度加大。
1.2深孔加工中存在的问题
（1）钻孔时不能直接观察刀具的切削情况，工作过程中只能凭听声音、看切屑、观仪表（油压表及电表等）、摸振动等外观现象，来判断切削过程是否正常。
（2）孔的深径比大，钻杆细而长，刚性低，易振动，钻孔易走偏，因此，支承导向极为重要。
（3）切屑排除困难，必须要保证可靠地断屑。
切屑的长短和形状要加以控制，如果切屑堵塞则会引起刀具损坏。
由于排屑空间受到钻杆的限制，套料钻钻孔有料芯的干扰，排屑条件更为恶劣，因此需要强制排屑。
（4）切削热不易散出，工作条件恶劣，必须采用有效的冷却方式。
1.3深孔加工发展历史
最早用于加工金属的深孔钻头是扁钻。
它发明干18世纪初，1860年美国入对扁钻做了改进，发明了麻花钻，在钻孔领域迈出了重要的一步。
在20世纪初期，德、英、美等国家的军事工业部门先后发明了单刀钻孔工具，因用于加工枪孔而得名枪钻。
在1943午，德国海勒公司研制出毕斯涅耳（Beisner）加工系统（即我国常称的内排屑深孔钻削系统）。
战后，英国的维克曼公司、瑞典的卡尔斯德特公司、德国的海勒公司、美国的孔加工协会、法国的现代设备商会等联合组成了深孔加工国际孔加工协会（BoringandTrepanningAssociation），简称BTA协会。
经过他们的努力,这种特殊的加工方法又有了新的发展，并被定名为BTA法，在世界各国普遍应用。
后来瑞典的山特维克公司首先设计出可转位深孔钻及分屑多刃错齿深孔钻，使BTA法又有了新的飞跃。
20世纪70年代中期，出日本冶金股份有限公司研制出的DF（DoubleFeeder）法为单管双进油装置，它是把BTA法与喷吸钻法两者的优点结合起来的一种加工方法，目前广泛应用于中、小直径内排屑深孔钻削。
20世纪80年代初至21世纪初，中北大学机械制造工艺研究所王峻教授等人完成了SIED深孔加工集成技术及装备的研制开发，并在生产实践中获得成功应用。
SIED技术是在归纳现有的枪钻、BTA钻、双管喷吸钻、DF系统等各种深孔加工技术优点，并最大限度避免其缺点的基础上形成的一种具有创新性和实用性的深孔加工技术体系。
2深孔加工系统
2.1深孔加工系统介绍
深孔加工系统是以深孔加工中所用的冷却、排屑装置来分类的。
目前，国内、外常用的深孔加工系统有枪钻系统、BTA系统、喷吸钻系统、DF系统和SIED系统。
这些系统除用于与之对应的钻头进行钻削外，亦可以用于其它深孔刀具切削加工，如深孔镗削、铰削和珩磨等。
2.1.1枪钻系统
枪钻系统属于外排屑方式，其结构如图2.1所示，主要由中心架、扶正器、钻杆联结器和冷却润滑油路系统组成。
其中中心架辅助机床卡盘用于装夹工件；扶正器主要用于钻头人钻时导向。
并提供向外排屑的通道；尾架用于夹持钻头柄部，支承钻削扭矩和轴向力。
枪钻系统的工作原理是：
切削液通过尾架上输油人口进入钻杆内部，到达钻头头部进行冷却润滑，并将切除的切屑从钻头外部的V型槽中排出。
由于切屑由钻头和钻杆外部排出，容易擦伤已加工孔表面，其加工质量要低于内排屑方式的系统。
该系统主要用于小直径（一般Φ＜20mm）深孔加工。
图2.1枪钻系统
2.1.2枪钻系统的缺陷
（1）结构性缺陷:
钻头与钻杆不可拆卸，每次重磨时必须整体更换，从而增加了辅助时间；钻杆为薄壁无缝管轧成月牙形断面，其扭转刚度和弯曲刚度远低于内排屑深孔钻；钻杆的外径、壁厚与钻头直径之间存在着严格的比例关系，即使钻头尺寸变动不大，也必须为之配制专用的钻杆；枪钻加工对油压的要求极高（为内排屑深孔加工的3-5倍）；枪钻钻杆为一根整体，其全长由工件孔深等尺寸决定。
（2）工艺性缺陷:
工艺性最差，如：
薄壁异型钻杆与钻头的对焊，钻头小，出油孔的加工，低刚度异型钻杆的校直，一对一地按钻头直径配制钻杆，钻头刃磨和重磨时必须连带一根长长的钻杆。
（3）其他方面的不足:
枪钻机床迄今未能摆脱专用设备的范畴，枪钻没有与之配套使用的精加工刀具。
2.1.3BTA系统
BTA系统属于内排屑方式。
其结构如图2.2所示。
主要由中心架、授油器、钻杆联结器和冷却润滑油路系统组成。
BTA系统中的授油器与枪钻系统中的扶正器功能不同，授油器除了具备导向扶正功用外，还提供了向切削区输油的通道。
BTA系统的工作原理是：
切削液通过授油器从钻杆外壁与已加工表面之间的环形空间进入，到达刀具头部进行冷却润滑，并将切屑经钻杆内部推出。
该系统使用范围广泛，适用于深孔钻削、镗削、铰削和套料，但受到钻杆内孔排屑空间的限制．主要用于自得Φ＞12mm的深孔加工。
图2.2BTA系统
2.1.4BTA系统的缺陷
（1）结构性缺陷:
单出屑口的Beisner内排屑深孔钻相对排屑面积过小；BTA钻采用双出屑口错齿结构和切屑刃上磨出断屑台，由此钻头结构大大复杂化；断屑台的设置使其成为一次性使用（不可重磨）的复杂工具。
（2）工艺性缺陷:
错齿BTA钻结构工艺性较差，必须有专业化程度很高的工具制造厂家才能生产。
（3）功能性的缺陷:
BTA钻的最小可钻孔直径为Φ16mm左右，实际上少用于Φ20mm以下的钻孔，BTA钻的国际销售价格很高，其焊接型结构又只能一次性使用，机夹可转位型的BTA错齿钻寿命较长，但价格又贵很多。
（4）其他方面的不足:
BTA刀具中没有内排屑的精加工刀具，因而限制了BTA钻床的加工能力。
2.1.5喷吸钻系统
喷吸钻系统主要用于内排屑深孔钻削加工。
喷吸钻系统利用了流体力学的喷射效应的原理，当高压流体经过一个狭小的通道喷嘴高速喷射时，在这般喷射流的周围形成低压区中可将喷嘴附近的流体吸走。
喷吸钻系统结构如图2.3所示，其工作原理是：
切削液在一定压力作用下，由联结器上输油口进入，其中2／3的切削液向前进人内、外钻杆之间的环形空间，通过钻头柄部上的小孔流向切削区，对切削部分、导向部分进行冷却与润滑．并将切屑推人内钻杆内腔向后排出；另外1／3的切削液，由内钻杆上月牙状喷嘴高速喷人内钻杆后部，在内钻杆内腔形成一个低压区，对切削区排出的切削液和切屑产生向后的抽吸。
在推、吸双重作用下，促使切屑迅速向外排出。
因此，在喷吸钻钻孔时，切削液压力低而稳定．不易外泄，排屑顺畅，降低了钻削系统的密封要求，保证了钻削加工可以在较大的切削用量下进行。
喷吸钻系统由中心架、支承架、内钻杆、外钻杆及冷却润滑系统等组成。
由于有内管，喷吸钻加工最小直径范围受到限制，—般不能小于Φ18mm。
图2.3喷吸钻系统
2.1.6喷吸钻系统的缺陷
（1）其结构复杂，难于制造，成本太高。
（2）双管喷吸钻的负压抽屑功能不理想。
表现之一是Φ18.4mm以下的深孔不能采用此种技术；表现这二是双管喷吸钻不适用于钻孔深度超过1000mm。
（3）双管喷吸钻适用于孔深不大的较大批量生产，而不适用于多品种小批单件生产。
2.1.7DF系统
DF为英文DoubleFeeder的缩写，原意为双进油装置，是20世纪70年代中期日本冶金有限股份公司研制出来的。
它并非独创，而是将BTA方法推出切屑与喷吸钻吸出切屑的方法相结合，仅用一个钻杆完成推、吸双重作用。
它同时具备了BTA系统和喷吸钻系统的优点，并克服不足，使钻削直径范围增大（最小直径可达Φ6mm），密封压力减小，加工精度和效率提高。
DF系统需要把切削液分成两条路线分别供给授油器和联结器，如图2.4所示。
其工作原理是：
约2/3的切削液同BTA系统一样由授油器进入，并从钻杆外壁与已加工孔表面之间的环形空间到达钻头头部，并将切屑从钻杆内部推出；另外1/3的切削液直接从钻杆联结器的负压装置进入钻杆内腔，产生一定的负压。
将切削区的切削液和切屑向后抽吸，促使切屑顺利排出。
图2.4DF系统
2.1.8DF系统的缺陷
（1）DF系统的抽屑器设计很不成熟，实践中DF系统仅在有限范围内能替代BTA和双管喷吸钻。
（2）DF系统沿袭了BTA刀具系统（无套料刀具），既继承了BTA钻的优点，同时又沿袭了BTA钻的缺陷。
2.1.9SIED系统
SIED是“单管内排屑深孔喷吸加工”的英文名称缩写，是一种以BTA、双管喷吸钻、DF钻三种内排屑深孔钻削技术为基础，并吸收了枪钻的若干优点，经过改进创新的单管内排屑喷吸加工技术。
1-SIED实体钻头；2-工件；3-输油器；4-SIED抽屑器
图2.5SIED系统
2.1.10SIED系统的优点
（1）以单管内排屑喷吸钻作为深孔钻削的基本统一模式，以“分调式功率增补型喷吸钻抽屑器”为技术依托，将内、外排屑深孔钻统一为整体，消除了内外排屑的钻孔直径“禁区”。
换句话说，原来的枪钻改为内排屑结构，使钻具有刚度提高一倍以上，钻头与钻杆在Φ11mm以上均可拆卸更换，对原来的内排屑深孔钻而言，摆脱了不能钻小深孔的局限，清除了排屑隐患，而且可以不磨断屑台，使刀具如枪钻一样可实现多次重磨。
（2）集实体钻、扩钻、铰孔、镗孔、珩磨等所有深孔加工方法于同一类型的SIED深孔机床，使深孔加工方法实现了全方位化。
2.2深孔加工中设备要求
深孔加工难度高、加工工作量大，对深孔加工机床、刀具、还是夹具、辅具都提出了更高的要求。
高压冷却液刃具深孔加工的机床一般具有很高的切削速度，并能得到良好的光洁度和严格的公差，而且有对材料冷作硬化的趋势，所以应当比普通切削机床（如普通的钻削、铰孔和镗孔的机床）要求有更好的强度和刚性。
2.2.1深孔加工机床要求
（1）应有足够的刚度：
内排屑深孔钻采用高转速、大进给量进行加工，扭矩及轴向力都很大，机床的刚性对加工孔的精度和钻头的耐用度都有较大的影响。
（2）机床电机应具有足够的功率。
（3）进给机构必须稳定可靠：
进给平稳，不能有爬行现象。
机床的进给量最好是无级调速，以适宜多种材料的深孔加工，一般进给量在0.05-0.35mm/r范围内。
最好使用带有过载保护的进给机构。
（4）机床的主轴轴向窜动要小：
应把机床主轴轴向窜动调整到允许的范围内，否则易引起振动而打刀。
（5）应具有一定的控制系统：
如主轴负荷表、进给量表、超载安全装置等，以保证深孔加工的可靠性。
（6）机床主轴的径向跳动量不得超过0.02mm[2]。
2.2.2深孔加工附件要求
（1）要求机床主轴和导向套之间的跳动量不得超过0.02mm，以保证两者的同轴度要求。
为减小机床主轴和导向套的同轴度误差，最好在所用的机床上直接加工出导向套的底孔。
（2）要求导向套和工件之间的距离不得超过1mm，以保证钻头初钻时良好地贯穿和足够的冷却液流量。
（3）钻杆的联结器与机床主轴应有一定的同轴度要求。
尤其当采用钻头旋转的加工方式时，钻杆联结器应严格对中，以保证与机床主轴有公共的旋转轴线。
[2]
2.3车床改造原因
由于深孔钻床的特殊性，其价格比较昂贵。
对于非专业化深孔加工的厂家，成本过高。
一般普通车床不具有深孔钻削功能，只有专用的深孔钻床才具有深孔加工功能，而专用的深孔钻床不具有万能性，不能进行车削、镗削等加工。
而采用普通车床改装为深孔加工机床，由于其成本低、制造周期短以及一床多用（车削、深孔钻削、深孔镗削和深孔珩磨）等优点。
3课题分析
3.1机床参数对比
3.1.1深孔钻床主要技术参数
工件旋转、刀具进给式BTA深孔钻床主要技术参数[1]
表3.1东芝DBH-710主要技术参数
项目
单位
规格
床身最大回转直径
mm
320
最大加工孔径
mm
12—65
最大加工孔深
mm
1000
工件中心架支承直径
mm
20—160
主轴转速
r/min
200—1500（无级）
进给速度
mm/min
3—250
工件快进
mm/min
4000
卡盘
—
9″，3爪卡盘
主传动电机
kW
AC22（转换开关控制）
工件中心架承重
kg
200
3.1.2普通车床主要技术参数
CA6140主要技术参数
表3.2CA6140主要技术参数
项目
单位
规格
床身上最大回转直径
mm
400
刀架上回转直径
mm
210
二顶尖间距离
mm
750
主轴通孔直径
mm
52；76；80
主轴头形式
-
A6；C8；D8
床身导轨宽度
mm
400
床身导轨硬度
RC
52
主轴转速范围
r/min
10-1400
（续前表）
进给量范围（标准）
mm/r
0.08-1.59
进给量范围（细进给）
mm/r
0.028-0.054
进给量范围（加大进给）
mm/r
1.71-6.33
加工公制螺纹范围（44种）
mm
1-192
加工英制螺纹范围（20种）
tpi
24-2
加工模数螺纹范围（39种）
mm
0.25-48
加工径节螺纹范围（37种）
DP
96-1
主电机功率
kW
7.5
主电机转速
r/min
1450
快速电机功率
W
370
快速电机转速
r/min
2600
冷却泵功率
W
90
冷却泵流量
L/min
25
机床净重
kg
1990
机床轮廓尺寸（长×宽×高）
mm
2418×1000×1267
4设计过程
4.1负压抽屑分析
4.1.1负压抽屑原理
如图4.1所示，SIED系统负压产生的机理是：
切削液经负压装置高速射入排屑通道，与向外流动的切削液混合进行能量转换。
排屑通道中向后流动的切削液，在射流喷嘴口处的能量转换区获得能量。
切削液流速得以提高。
这样，排屑通道内向后流动的切削液在能量转换前后的流速产生梯度，具有不同的能量，形成压力差。
在能量转换区前的切削液压力低，在能量转换区后边的压力高。
因而产生真空区，即负压区。
在负压区切屑液的流动速度加快，提高了排屑效果。
（2）钻柄卡头设计
图4.8抽屑器钻柄卡头
（1）径向尺寸确定：
1）钻杆外径Φ18mm—钻柄内径Φ18mm—钻柄外径Φ30mm—钻柄卡头内径Φ30mm—钻柄卡头后外径Φ40mm
2）钻柄卡头前锥两外径取为Φ40mm和Φ50mm
（2）轴向尺寸确定：
估取钻柄长度50mm—钻柄卡头全长为50mm
（3）材料选取
工作时经常拆卸且经常受磨擦，选工具钢T8
4.3.2后喷嘴设计
图4.9抽屑器后喷嘴
（1）径向尺寸确定：
1）钻杆内径Φ12mm—前喷嘴后内径Φ14mm—后喷嘴前内径Φ14mm—后喷嘴中内径Φ18mm—管联接件内径Φ19mm—后喷嘴后管螺纹尺寸Rc3/4—后喷嘴后内径Φ22mm—后喷嘴外径Φ45mm—后喷嘴调节螺纹M45×1.5
2）估取O形圈直径Φ3.55mm及由后喷嘴外径Φ45mm—后喷嘴O形圈沟槽尺寸6.2×2.74mm
（3）材料选取
工作时受抽屑箱体内切削液压力，选优质碳素结构钢45
本团队全部是在读机械类研究生，熟练掌握专业知识，精通各类机械设计，服务质量优秀。
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结论
本文对车床改造成深孔加工机床进行了可行性分析，完成了对SIED系统中输油器和抽屑器的三维实体建模，在本次设计中我学会了用CATIA进行三维实体建模，并生成工程图，学会了CATIA和AUTOCAD之间格式的转换，了解查阅资料的方法，最重要的是学会了机械结构设计的一般方法。
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