非回转体零件深孔加工机床专用辅具的设计

第Ⅱ页共Ⅱ页目录1引言……………………………………………………………………………11.1课题的研究目的和意义………………………………………………………21.2课题研究的理论基础…………………………………………………………31.320世纪现代深孔加工技术的发展现状……………………………………41.4设计概述………………………………………………………………………52深孔加工系统的对比分析……………………………………………………72.1枪钻……………………………………………………………………………72.2BTA系统……………………………………………………………………92.3双管喷吸钻系统……………………………………………………………132.3.1喷吸钻的特点………………………………………………………………132.3.2喷吸钻的工作原理…………………………………………………………142.3.3喷吸钻钻头…………………………………………………………………153DF系统设计础……………………………………………………………173.1DF系统的分类……………………………………………………………183.1.1内排屑DF系统……………………………………………………………183.1.2外排屑DF系统……………………………………………………………183.2DF系统的负压抽屑机理……………………………………………………193.3影响负压效应的因素………………………………………………………203.3.1间隙δ对负压效应的影响…………………………………………………223.3.2喷射角θ对负压效应的影响………………………………………………233.3.3射流流量Qn对负压效应的影响……………………………………………243.4DF系统排屑特性分析………………………………………………………243.4.1切屑形态及容屑系数R对排屑的影响……………………………………243.4.2排屑通道压力Pc和流量Qc对排屑的作用………………………………253.4.负压效应对排屑的作用……………………………………………………264DF系统抽屑装置的结构设计………………………………………………274.1输油器的设计………………………………………………………………284.1.1输油器的结构设计…………………………………………………………28第Ⅱ页共Ⅱ页4.1.2输油器标准件的选取………………………………………………………304.2抽屑器的设计………………………………………………………………324.2.1抽屑器的结构设计…………………………………………………………324.2.2抽屑器标准件的选取………………………………………………………355结论…………………………………………………………………………39参考文献………………………………………………………………………40致谢……………………………………………………………………………421引言制造业中，通常将长径比超过5的圆柱孔称为“深孔”，结构中带有深孔的零件称为“深孔零件”，对加工深孔零件为主件的机械装备称为“深孔类装备”，对专门用于加工深孔的装备（如深孔刀具、深孔加工机床、用于深孔加工机床的专用辅具等）则称之为“深孔加工装备”。深孔在功能上与浅孔有本质区别。相对于深孔而言，长径比小于5的普通圆柱孔（又称“浅孔”），是构成各种机械零件的最常见的要素之一。浅孔的主要功能是连接、定位、支承、导向和在近距离内传输流体，也可用以实现特定的工艺功能（如工艺孔、工艺槽等）或设计目的（如密闭容器、平衡、改善装备的力学功能等）。从早期管式火器的发明到近代枪炮的产生，虽已证明人类认识到深孔零件的特殊功能（密闭容器、能量转化、精确地向远距离传输介质、能量和信息），但是从实体金属材料上钻出深孔并进一步加工成精密深孔，其难度则远远大于浅孔加工[1]。20世纪20年代以前，扁钻、半圆形单刃钻、麻花钻等浅孔刀具曾经长期用于加工深孔。由于浅孔加工刀具无法解决连续自动排屑、刀具自导向和自动冷却润滑三大难题，故工效很低、加工质量差、废品率也高，加工成本十分昂贵。直到20世纪30～40年代，枪钻和内排屑深孔钻问世之后，深孔加工技术才步入现代化的发展进程。深孔加工技术中所遇到的技术问题是多种多样的，而且是层出不穷的，但无论在生产实践中或新技术的研究工作中，排屑问题始终是首当其冲的大课题。从非连续自动排屑钻头到枪钻的出现，是解决深孔刀具连续自动排屑问题的首次突破。可以认为内排屑深孔钻是通过排屑方式的改变才得以实现的。双管喷吸钻及DF系统的问世，从根本上说是对BTA实体钻所存在的排屑功能缺陷进行改进而做出的不第Ⅱ页共Ⅱ页断探索的结果。毫无疑问，排屑问题必然成为深孔加工过程中必须首先加以突破的第一课题，加之目前深孔加工领域内所应用的深孔加工设备绝大多数是基于回转体深孔件的加工，而相对庞大的市场需求来说，用于非回转体深孔件加工的深孔设备却寥寥无几。这势必会促进对深孔加工辅具——高效的排屑装置的研究和开发。而本课题的任务就在于设计出基于DF系统和BTA深孔钻头的非回转体工件的深孔加工专用辅具。1．1课题的研究目的和意义深孔工件一般分为回转体工件和非回转体工件，深孔工件的加工方法一般分以下三种：工件旋转刀具进给式；钻头旋转进给工件固定式；工件与刀具相对旋转式。对于各种非轴类、非管类等非回转体工件的深孔加工，以及在各类非回转体工件表面上加工坐标孔等，多采用第二种加工方法。非回转体工件的深孔加工就是在DF深孔加工系统上采用钻头旋转进给、工件固定式加工方法，在非回转体工件上加工出工件设计所要求的深孔。DF系统是基于BTA深孔钻（属内排屑深孔钻类）的深孔加工系统，除了抽屑装置以外，其余的要素（工件、输油器、钻头和钻杆）与BTA钻完全相同。它具有一系列胜于外排屑深孔系统的优势，如钻杆刚度大，钻头与钻杆可快速拆卸，进给量大，适于钻大直径深孔；在所用的机床设备方面，DF系统比BTA钻适应性更大等等。但其致命的缺陷是排屑通道不足，且孔径越小，孔的长径比越大，越容易产生堵屑故障。结合设计任务书的要求可以明确，这里需要设计出基于BTA深孔钻的用于加工非回转体深孔的DF系统专用辅具。从加工过程中所采用的深孔钻系统以及采用的加工方式两个角度来考虑，可以确定以下设计目的：（一）设计出在非回转体工件的深孔加工过程中能够较好地实现自动连续排屑、冷却和润滑的供油系统和抽屑系统（主要由前装置输油器和后装置抽屑器组成）；（二）由于采用钻头旋转进给、工件固定式的深孔加工方法，这就要求设计出能够驱动钻头旋转进给的动力头和控制系统。从本质上讲，用于加工非回转体深孔的DF系统是在传统的DF系统结构基础上的改进，但同样是以输油器和排屑器所组成的抽屑装置作为其主要组成部分。它采用一台结构简单的抽屑装置取代了双管喷吸钻的一根内管和一套连接器，使双管喷吸钻的结构得以简化，同时，它还在原来的结构基础上增设一台电机，用于驱动钻杆旋转进给，这是非回转体深孔加工DF系统结构设计上的意义所在。另外，这种装置还继承了DF系统在负压效应方面的设计思路：第一是喷吸间隙Δ的取值范围为0.2～0.5mm；其次，前油路流量取为总流量的2/3，而后油路流量取为总流量的1/3，这些基本参数是不变的。综观目前国内的深孔加工市场，绝大多数深孔装备和深孔辅具均是面向回转体第Ⅱ页共Ⅱ页深孔件加工的，关于回转体深孔加工的技术相对来说也是比较成熟的。与之形成鲜明对比的是非回转体深孔加工设备的极度匮乏，和非回转体深孔加工技术的巨大空白。随着我国现代化制造业的飞速发展，非回转体深孔件的加工需求亦日趋增长，为了补充非回转体深孔加工技术的空缺，弥补市场的需求，必须投入一定的人力和财力对这个特定的领域进行研究。1．2课题研究的理论基础非回转体零件深孔加工专用辅具设计的主要任务是要设计出一套能够实现钻头旋转进给，自动连续排屑的抽屑装置，在DF系统上采用钻头旋转进给、工件固定式加工方法加工出工件设计所要求的深孔。这就要求必须首先理解深孔钻削的基本原理。图1.1DF系统示意图DF是英文DoubleFeeder的缩写。DF的实质是喷射钻与BTA内排屑钻相结合的一种深孔钻削加工系统，既在被加工零件钻孔端面配置一个以推压方式提供冷却液的油密封装置。也就是传统的BTA深孔钻削加工系统，在其后部放置一个能够产生喷吸效应的装置。这样，前部的BTA系统产生推力，后部的喷射系统产生吸力。由于推拉的双重排屑作用，使冷却液的流速加快，单位时间内的流量增加，排出切屑的能力就越大。特别适用于小直径深孔钻削加工。尤其在可加工性差的材料，不易断屑的材料加工中应用此系统更能体现出其优越性。DF系统负压效应产生的机理是：切削液经负压装置高速射入排屑通道，与向外第Ⅱ页共Ⅱ页流动的切削液混合进行能量交换。排屑通道内向外流动的切削液在射流喷嘴口处的能量转换区获得能量，切削液流速得到提高。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。在负压区切削液的流动速度加快，提高了排屑效果。1．320世纪现代深孔加工技术的发展现状20世纪现代深孔加工技术的发展与贡献，可归纳为：（1）枪钻、内排屑深孔钻的发明，使精密枪炮管的大批量流水生产成为可能，同时也为枪炮功能的不断完善提供了重要物质基础；（2）深孔钻削技术的现代化，为深孔零件用于各种机械装备的开发奠定了基础。至20世纪末，已经形成跨越各个经济部门的“深孔类装备”的特殊装备门类，例如：石油和煤炭采掘装备中的抽油泵和液压支架，大型发电机转轴，工程机械、塑料机械和液压机械中的液压缸，传感器及仪表关键件，纺织机械、饲养机械关键件，冶金、重化工、核电站、材料加工机械等行业中的加热器、冷却器、裂解管道等等。由于深孔所具备的特殊功能的不可替代性，可以预料深孔类装备将会得到更广泛地应用[9]；（3）二战以前，枪钻、内排屑深孔钻主要用于相对封闭的军工行业，深孔加工机床高度专用化，深孔刀具由兵工厂自行制造。为适应二战后“军转民”的客观形势，瑞士、瑞典、西德、日本等工业国开始建立面对广大市场需要的专业化、现代化深孔加工装备制造行业。在20世纪60～80年代期间，实现了深孔机床的一系列技术更新（如数控深孔钻床、深孔加工中心等）和深孔钻具的硬质合金化、内排屑深孔钻的错齿结构、机夹可转位涂层刀片用于BTA刀具等。为使不具备深孔钻床的许多中小企业能够广泛采用BTA又称内排屑深孔加工刀具，瑞典SANDVIK/coromant公司于60年代推出了一种在改装设备上采用的双管喷吸钻(EjectorDrilling)装备。在此基础上，日本一家冶金公司于70年代后期进一步推出了一种基于BTA刀具的、只需要单层钻杆的喷吸钻系统(DF系统)。但是由于这两种喷吸钻的功能有限(前者只能用于孔深1000mm以内工件的大批量生产，后者也不适用于孔径Φ15以下和多品种生产)，所以未能从根本上改变BTA刀具与枪钻以孔径大小为界的格局，故在深孔钻削领域中形成“平分秋色”的总格局；（4）基于20世纪航空航天工业的发展，难加工材料、复杂形体、微型元器件的加第Ⅱ页共Ⅱ页工制造，促成了特种加工技术的发展。自20世纪50年代以来，已有多种特殊加工技术在深孔加工中得到较广泛的应用，例如电解加工、电解珩磨、成形管电板电解加工、电火化加工、电子束加工、电液流加工等。特种加工在深孔加工中的应用，在难加工材料、特殊复杂型面、特小（Φ1mm以下）、特深小孔、异形截面深孔、超精、超光、超薄、超小零件的深孔加工方面具有机械加工方法所难于取代的作用，同时也为深孔加工技术开辟了一个全新的发展领域。20世纪微电子技术、数字化技术、材料技术、信息技术的迅猛发展，为制造技术（特别是装备制造技术）、生产模式、管理模式的不断进步注入了新的活力。市场的激烈竞争，要求生产装备通用化、多功能、自动化、柔性化，以适应产品多品种、批量小、更新快、技术含量