板类排孔零件两坐标BTA振动深孔钻削设备

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板类排孔零件两坐标BTA振动深孔钻削设备 \n技术领域\n[0001] 本实用新型属于机械加工设备技术领域，涉及一种板类排孔零件两坐标BTA振动深孔钻削的设备。\n背景技术\n[0002] 深孔加工是机械加工领域的一个重要分支，被广泛应用于航天工业、国防工业、石油开采、凿岩、机床、汽车等行业。深孔钻削与车削、铣削等相比有着很大的区别，在深孔钻削过程中，钻头切削条件十分恶劣，切屑的产生和的排出都是在狭小的半封闭空间内完成，钻头磨损快，容易产生崩刃、破损和堵屑等现象，尤其是超长深孔的钻削过程中，由于刀杆长、强度低、刚性差，极易出现钻头偏斜与加工孔质量达不到要求等问题。因此，深孔加工一直是机械加工领域的一个难题。\n[0003] 深孔加工技术起源于十九世纪末至二十世纪初，是为了解决枪管的加工问题而发明的一种加工方法——枪钻。它将高压液体通过钻杆内的通道送到切削区，从而带走铁屑和热量，再将切削液和铁屑通过钻杆外部的凹槽与孔壁之间形成的通道送回油箱，同时在钻头外围加上导向条，以保证孔的正确方向和尺寸的加工方法。枪钻与传统的加长麻花钻深孔加工方式相比，是深孔加工技术的一次飞跃，它解决了麻花钻在深孔加工中钻头的不易冷却，排屑困难的问题，但它仍属于外排屑加工方式，排屑时切屑与已加工孔壁直接接触，容易对已加工孔壁造成伤害，且排屑不够通畅。\n[0004] 1942年德国的Beisher发明了内排屑深孔钻削的加工方式。二战后，国 际上成立了一个以德国、瑞典、英国、法国为主要参与国的国际孔加工协会(Boring and Trepanning Association)，推出了一种具有单边切削刃、自导向钻头和高压切削液的内排屑深孔钻，称为BTA钻或称为Beisner内排屑深孔钻。它能够自动地完成排屑、冷却与润滑，同时又具有自导向功能，属于外进油内排屑。BTA钻的钻杆截面是圆环形，因此钻杆刚性比枪钻有所提高，同时改进了排屑方式，并提高了孔的表面加工质量。经过几十年的生产实践，BTA法(内排屑加工法)己经形成一套较完整的加工系统，钻头的发展也己经基本定型。但BTA钻系统存在密封装置制造复杂的问题，为克服BTA系统存在的不足，1963年瑞典Sandvik公司发明了喷吸钻系统。喷吸式深孔钻是在内排屑深孔钻基础上发展起来的新型实心深孔加工方法，它是利用流体的喷吸效应原理，即当高压流体经过一个狭小的通道(喷嘴)高速喷射时，在这股喷射流的周围形成一个负压区，这个负压可以将喷嘴附近的流体吸走，它比较巧妙的解决了BTA系统的复杂压力头制造及密封问题。喷吸钻存在的缺点是由于采用双管系统，排屑空间授到限制，所以只适用于钻削直径较大(D>Φ18mm)的孔，同时加工精度也略低于BTA系统。20世纪70年代，着眼于对喷吸钻的改进，日本冶金株式会社发明了DF(Double feeder)单管喷吸钻，不仅保留了BTA的单管式钻杆结构而且利用了双管喷吸钻的负压效应，改善了系统的密封性能。这种系统可以充分发挥切削液的排屑、冷却、润滑功能，有效地解决了深孔加工中的多方面问题。(这里解决的技术问题是不是和本发明一样？如果是的话，建议不要写出。)但是这种系统尚未标准化规范化，在应用上没用统一的参考标准，产品互换性低，不易推广使用，因此其应用受到了限制。\n[0005] 20世纪70年代以前，我国的深孔加工技术仅仅相当于苏联50年代的水 平。70年代后期才逐渐开始应用硬质合金枪钻。BTA钻在70年代引入我国，但是只有在少数企业才得以应用，80年代双管喷吸钻和DF单管喷吸钻引入我国，由于技术上的限制，这两项技术至今在我国没有得到大面积的普及，目前我国的深孔加工机床和刀具还主要依赖进口。对深孔加工技术需求的快速增长同我国目前深孔加工技术的落后局面形成了一对尖锐矛盾。\n基于对深孔加工技术的迫切需求，以及改善现有技术的落后和对国外装备的依赖，我们迫切需要一种高效的深孔钻削机床，它不仅要能够提高段排屑效率和断排屑的可靠性，还能够在很大程度上提高所加工的孔的表面质量和直线度。在提高加工效率的基础上节约成本，摆脱现有技术的困境。\n[0006] 所以，现有的深孔加工技术主要存在着冷却和断排屑困难，加工质量差，加工效率低的问题。\n实用新型内容\n[0007] 本实用新型的目的是为板类排孔零件的加工提供一种新型的振动深孔钻削设备，用以解决现有加工技术存在的冷却和断排屑困难，加工质量差，加工效率低的问题。\n[0008] 本实用新型所采用的技术方案是：板类排孔零件两坐标BTA振动深孔钻削设备，包括工作台、主机部分、排屑系统、切削液循环系统和伺服控制系统；主机部分包括：主机机身，设置在主机机身上的授油器、刀杆支架、主机滚珠丝杠、振动箱以及振动箱驱动伺服电机、和授油器连接的刀杆、及与振动箱连接的偏心轴驱动伺服电机组成。\n[0009] 本实用新型的特点还在于：\n[0010] 排屑系统由中空的刀杆、中空的主轴、与主轴连接的排屑管以及粗油箱组成；切削液循环系统包括：粗油箱和精油箱，以及设置在精油箱上的电机 泵组、授油器、刀杆、与刀杆依次连接的主轴和排屑管；伺服控制系统包括：安装在电气柜中的工作台驱动伺服电机、振动箱驱动伺服电机、主轴驱动伺服电机和偏心轴驱动伺服电机的控制部分以及电机泵组；工作台内部设置有工作台滚珠丝杠，工作台的一端设置有工作台驱动伺服电机，工作台滚珠丝杠和工作台驱动伺服电机连接。\n[0011] 主机机身通过地脚螺栓固定连接在地面上，振动箱、刀杆支架和授油器依次安装在主机机身的滑动导轨上，且三者位于同一直线上；振动箱驱动伺服电机通过联轴器与主机滚珠丝杠相连，滚珠丝杠与振动箱下面的拖板连接；偏心轴驱动伺服电机设置在振动箱的一侧。\n[0012] 振动箱中安装有主轴，主轴与主轴伺服电机连接，主轴驱动伺服电机与同步齿形带轮的一端连接，同步齿形带轮的另一端则与主轴连接；刀杆一端连接在振动箱内的主轴上，另一端通过刀杆支架和授油器后到达工作台所在的位置。\n[0013] 偏心轴驱动伺服电机与偏心轴连接，连杆的一端通过滚动轴承连接在偏心轴上，另一端通过滑动轴承连接在主轴滑体上，主轴滑体套在主轴上，且两者之间通过滚动轴承连接。\n[0014] 电机泵组下部设置有精油箱，且电机泵组与授油器连接，从而将精油箱中的切削液泵入授油器中。\n[0015] 在主轴的末端连接有排屑管，主轴为中空的，排屑管另一端位于粗油箱上方，粗油箱位于主机机身的后方。\n[0016] 本实用新型的有益效果是：\n[0017] (1)本实用新型采用刀具回转的BTA内排屑深孔钻削方法，可以满足非回转板类排孔零件深孔的加工。\n[0018] (2)通过对做回转运动的刀杆系统施加小幅的轴向振动，可以对切削过程中产生的切屑大小进行自主控制。使切屑能够更高效的被切削液带走，保证了断屑排屑的可靠性，降低了堵屑的可能。\n[0019] (3)通过控制本实用新型的振动参数(A,ω)，以及切削用量(n,f)之间的匹配关系，可以实现对振动钻削过程中切屑大小的合理控制，改善切削区的断屑排屑条件，并充分冷却润滑，进而提高孔的加工质量，尤其是孔的直线度和表面粗糙度。可广泛用于非回转板类排孔零件加工领域。\n附图说明\n[0020] 图1是本实用新型板类排孔零件两坐标BTA振动深孔钻削设备的三维结构示意图；\n[0021] 图2是本实用新型板类排孔零件两坐标BTA振动深孔钻削设备的俯视图；\n[0022] 图3为本实用新型型板类排孔零件两坐标BTA振动深孔钻削设备振动箱的传动工作原理图；\n[0023] 图4是本实用新型板类排孔零件两坐标BTA振动深孔钻削设备刀杆系统回转，刀杆系统沿Y轴低频振动，振动箱沿Y轴进给，以及工作台沿X轴运动的工作原理图。\n[0024] 图中，1.电气柜，2.工作台，3.工件，4.授油器，5.刀杆支架，6.主机滚珠丝杠，\n7.振动箱，8.主机机身，9.振动箱驱动伺服电机，10.排屑管，11.粗油箱，12.主轴驱动伺服电机，13.电机泵组，14.工作台滚珠丝杠，15.工作台驱动伺服电机，16.刀杆，17.偏心轴驱动伺服电机，18.精油箱，19.偏心轴，20.连杆，21.主轴滑体，22.主轴，23.同步齿形带轮。\n具体实施方式\n[0025] 下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型进行详细说明。\n[0026] 板类排孔零件两坐标BTA振动深孔钻削设备，如图1所示，包括工作台2、主机部分、排屑系统、切削液循环系统和伺服控制系统。\n[0027] 主机部分包括：主机机身8，设置在主机机身8上的授油器4、刀杆支架5、主机滚珠丝杠6、振动箱7以及振动箱驱动伺服电机9、和授油器4连接的刀杆16、及与振动箱7连接的偏心轴驱动伺服电机17组成；\n[0028] 排屑系统由中空的刀杆16、中空的主轴22、与主轴22连接的排屑管10以及粗油箱11组成；\n[0029] 切削液循环系统包括：粗油箱11和精油箱18，以及设置在精油箱18上的电机泵组13、授油器4、工件3、刀杆16、与刀杆16依次连接的主轴22和排屑管10；\n[0030] 伺服控制系统包括：安装在电气柜1中的工作台驱动伺服电机15、振动箱驱动伺服电机9、主轴驱动伺服电机12和偏心轴驱动伺服电机17的控制部分以及电机泵组13；\n[0031] 工作台2内部设置有工作台滚珠丝杠14，工作台2的一端设置有工作台驱动伺服电机15，工作台滚珠丝杠14和工作台驱动伺服电机15连接。\n[0032] 主机机身8通过地脚螺栓固定连接在地面上，振动箱7、刀杆支架5和授油器4依次安装在主机机身8的滑动导轨上，且三者位于同一直线上；振动箱驱动伺服电机9通过联轴器与主机滚珠丝杠6相连，滚珠丝杠6与振动箱7下面的拖板连接，主机主轴伺服电机12设置在振动箱上部，偏心轴驱动伺服电机17设置在振动箱的一侧。\n[0033] 刀杆16一端连接在振动箱7内的主轴22上，另一端通过刀杆支架5和授油器4后到达工作台所在的位置。\n[0034] 如图2所示，在主机机身8后部设置有粗油箱11和电机泵组13，电机泵组13下部设置有精油箱18，且电机泵组13与授油器4连接，从而将精油箱18中的切削液泵入授油器\n4中。\n[0035] 在主轴22的末端连接有排屑管10，主轴22为中空的，排屑管10另一端位于粗油箱11上方，粗油箱位于主机机身的后方，用于接收废油和废屑。\n[0036] 如图3所示，振动箱7中安装有主轴22，主轴22与主轴伺服电机12连接，刀杆16夹持在主轴22上，主轴驱动伺服电机12与同步齿形带轮23的一端连接，同步齿形带轮23的另一端则与主轴22连接。\n[0037] 偏心轴驱动伺服电机17与偏心轴19连接，连杆20的一端通过滚动轴承连接在偏心轴19上，另一端通过滑动轴承连接在主轴滑体21上，主轴滑体21套在主轴22上，且两者之间通过滚动轴承连接。\n[0038] 本实用新型板类排孔零件两坐标BTA振动深孔钻削设备，其中，主机机身8用地脚螺栓固连在地面上，振动箱7和刀杆支架5安装在主机机身8上，并可以沿主机机身8的滑动导轨做Y方向的运动。主机机身8的一端设置有固定安装的授油器4。刀杆16的一端夹持在主轴22上，穿过刀杆支架5并从授油器4中穿出。\n[0039] 安装在主机机身8上的伺服电机驱动主机滚珠丝杠6，使主机机身做回转运动，主机滚珠丝杠6通过滚珠丝杠副驱动振动箱7，使其能沿Y方向做进给运动。\n[0040] 电机泵组13将切削液从精油箱18中泵出，通过管路送至授油器4到达切削区润滑吸热带走切屑，切削液和切屑的混合物经过中空的刀杆16和中空的主轴22由排屑管10引回粗油箱11。切削液经由粗油箱11和精油箱18的过滤后，完成一次切削液的循环。\n[0041] 主轴驱动伺服电机12在同步齿形带的作用下带动同步齿形带轮23，经过减速增扭作用以后驱动安装在振动箱7中的主轴22，使其做回转运动。安装在振动箱7上的偏心轴驱动伺服电机17驱动偏心轴19，使其做回转运动。连杆20的一端通过滚动轴承连接在偏心轴19上，另一端通过滑动轴承连接在主轴滑体21上，在偏心轴19做回转运动的同时连杆20随着摆动，并带动主轴滑体21做轴向往复运动，这是振动的来源。主轴滑体21套在主轴22上，通过滚动轴承连接，并限制两者之间的轴向自由度，使主轴滑体21做轴向往复运动的同时带动主轴22也做轴向往复运动。这样，主轴22不仅能做回转运动，也能做小幅的轴向振动。\n[0042] 振动箱7通过其内部的偏心轴19，双连杆20，主轴滑体21组成曲柄滑块机构，连杆的一端安装在偏心轴19上，另一端安装在主轴滑体21上，偏心轴在伺服电机的驱动下做回转运动的时候主轴滑体做轴向往复运动，同时主轴滑体带动主轴，也做轴向往复运动为切削提供轴向振动。主轴的一端安装有同步齿形带，伺服电机通过一对同步齿形带减速增扭，从而驱动主轴做回转运动。这样，主轴做回转运动与轴向往复运动的同时，带动夹持在主轴上的刀杆系统，对工件做振动切削。\n[0043] 切削液进入授油器4后，流经已加工的孔内壁与刀杆外壁形成的环形区域到达切削区，对切削区冷却润滑带走切屑，切屑液经过中空的刀杆和中空的主轴流经排屑管回到粗油箱11。切削液经过精油箱18过滤后，被安装在精油箱18上的电机泵组13泵出送到授油器4，完成一次冷却循环。\n[0044] 另外，转动授油器的手柄，授油器会通过齿轮齿条副的传动顶紧工件，对油液回路起到密封作用。\n[0045] 本实用新型的工作过程，如图4所示，在钻削过程中，振动箱驱动伺服 电机9通过联轴器与主机滚珠丝杠6相连，振动箱驱动伺服电机9转动的同时，主机滚珠丝杠6也随其转动。丝杠螺母安装在振动箱7的拖板下方的丝杠螺母座中，主机滚珠丝杠6转动的时候能够通过丝杠螺母副驱动振动箱7，使振动箱7沿Y方向做进给运动。夹持在主轴22上的刀杆16可以与主轴一起回转的同时沿Y方向做小幅振动。钻孔完成后，刀杆16从工件\n3中退出，此时工作台驱动伺服电机15开始转动，以同样的方式驱动工作台丝杠螺母副，使工作台2沿X方向移动到下一个孔位开始下一次钻削。在刀杆16从工件3退出后至下一次钻孔开始之前，主轴驱动伺服电机12，偏心轴驱动伺服电机17和电机泵组13中的油泵电机均停止工作。\n[0046] 本实用新型在传统BTA深孔钻削的基础上引入了沿刀杆16轴向的小幅振动，使钻削过程中能够通过小幅的振动解决传统深孔加工过程中断屑排屑不可靠的问题。在偏心轴驱动伺服电机17不工作的状态下，偏心轴19，连杆20和主轴滑体21都不运动，主轴22也停止轴向振动，此时对深孔的加工属于传统钻削方式。\n[0047] 本实用新型通过电气控制系统对振动钻削频转比、振幅与进给量之比进行控制。\n合理的选取切削参数可以降低切削力，减少切削过程的冲击振动，从而提高加工精度。\n[0048] 本实用新型是BTA深孔加工技术、振动切削技术以及数控技术的集成，通过控制振动驱动伺服电机可实现普通深孔加工与振动深孔加工的转换，扩大了工艺范围；通过控制振动钻削工艺参数可实现切屑的自主控制，解决了断排屑效果差的难题；通过控制振动参数与钻削用量的匹配关系，可改善钻头恶劣的切削条件，提高了加工精度，克服了现有刀具回转深孔加工设备存在的断排屑不可靠、加工孔的质量差、加工效率低的问题。