薄壁长筒零件深孔镗削工艺与数控组合机床设计

苗晓鹏，程建安

(1.安阳工学院机械工程学院，河南 安阳 455000;2.安阳三一机械有限公司，河南 安阳 455000)

0 引言

军工、航空航天领域用到许多薄壁套筒类零件，例如火箭弹筒和各种火炮的炮管等，这类零件内孔长径比一般大于5，属于深孔加工，加工难度高，加工精度难以保证。深孔加工的难点在于:①深孔加工在封闭和半封闭状态进行，润滑、冷却都很困难，切削散热难。工艺系统热变形将严重影响孔加工精度。②深孔长径比大，刀杆受孔径限制，直径小长度大，刚性不足，切削时会出现让刀及振刀的现象，使孔的尺寸精度、位置精度及表面粗糙度都难以保证。③切削长度较大，排屑空间狭窄，切屑排出很困难，容易与孔壁摩擦，孔加工表面出现螺旋沟，也易于发生切削阻塞，刀具容易磨损、崩刀。④由于零件壁薄，加工时易发生切削变形和装夹变形，从而影响加工表面的几何精度和位置精度［1-3］。

某军工企业需要加工不同规格、不同批量的火箭弹筒，内孔尺寸精度、形状精度要求较高。最初采用管料在普通车床上加专用工装，用一般的镗刀进行加工，由于刀杆太长，加工时出现严重的振刀和让刀现象，造成零件内孔尺寸及形状公差无法满足设计要求，加工难以进行，因此该企业提出用专用机床进行加工的构想。本课题组根据企业的需求，针对某一火箭弹筒零件进行工艺分析并设计了深孔镗削数控组合机床。该机床实现数控化控制，具有一定的柔性，可用于多品种变批量薄壁长筒类零件的内孔加工。

1 深孔镗削工艺分析

1.1 零件结构

图1所示为火箭弹筒的加工工序图，零件材料为30CrMnSiA，硬度HRC-34-38，内孔直径，外径，孔深860mm。孔径比13.2，壁厚只有4.6mm，孔圆柱度要求0.03mm，精度要求高。一般内孔长径比大于5时，其加工就比较困难了，该零件内孔长径比达到13.2，普通机床已经无法满足生产的需要。

1.2 工艺方案

该零件使用的毛坯是管料，加工中只需要镗孔。深孔镗削的运动形式主要有:①工件固定、刀具旋转并进给。一般用于加工不方便旋转的、孔径精度要求较高的工件，缺点是加工的孔直线性较差。②工件旋转、刀具进给并旋转。加工效率高，但采用内排屑时，在镗杆中间形成了离心力，不易排屑。③工件旋转、刀具只进给。一般用于加工圆柱棒料类的工件，可以加工出直线度和圆度都较好的孔［4］。经过实际分析，确定该零件加工采用第三种运动方式，内排屑推镗法加工。

图1 被加工零件工序图

镗削内孔一般需要粗镗、半精镗、精镗等几道工序，为了能够在一台机床上完成全部加工工序，要求机床主轴转速、刀具进给运动速度可调，夹具、刀具等可更换调整。因此机床采用数控系统控制，通过数控加工程序来改变加工行程、切削参数等，以适应多品种变批量的加工。

2 机床方案设计

2.1 机床结构形式及配置

工件由主轴带动旋转，镗刀不旋转只轴向进给切削，因而机床采用单面卧式结构布置，单工位加工，其结构形式及配置如图2所示。机床主要由床身、主轴箱、镗刀架、数控滑台、排屑冷却、电气、液压及防护等部分组成。主轴箱2固定在床身13上，由主轴带动工件4旋转，镗刀杆7安装在刀架8上，刀架安装在数控滑台9上，由滑台带动完成轴向进给运动，为了保证镗杆的刚度，加强稳定性，镗杆采用了导向架6作为辅助支撑。工件4一端通过弹簧夹头3定位夹紧，另一端采用液压中心架5夹持。精镗时，为了避免在加工好的表面上留下刀痕，保证内孔加工精度，加工完毕时需要将刀片或镗刀手工卸下后，数控滑台带动镗刀架退回。

图2 机床结构图

整机采用模块化设计，通用性能好，机床主轴及刀具均采用伺服驱动，通过数控系统控制无级变速，通过更换夹头、刀具，调整液压中心架、导向架的轴向位置，可以实现不同规格薄壁套筒类零件内孔的粗精加工。

2.2 机床的工作循环

机床的工作循环如图3所示。闭合电气柜侧面电源开关——启动液压站——人工上件、手动夹紧——液压中心架夹持——主轴电机正传——数控滑台快进——数控滑台工进、完成镗孔加工——主轴电机停转——手动卸刀——数控滑台快速退回——松开工件——人工下件——手动装刀——进入下一个工作循环。

图3 机床的工作循环

3 机床的关键技术

3.1 主轴单元

为了精确控制主轴转速，主轴电机采用西门子1PH7131-2NF高效异步伺服电机驱动，如图4所示。主轴1由交流伺服主轴电机10通过同步齿形带8及同步带轮7、9驱动，实现无级变速。按照模块化设计原则，主轴也可配置变频电动机以降低成本，但控制精度会有所降低。主轴前后轴承都采用了滚珠数量多、刚性好的3182100系列短圆柱滚子轴承(前轴承为C级，后轴承为D级)，主轴可以获得很高的旋转精度，另外前支撑处采用两个预加负荷的推力球轴承(C级)来承受轴向力，可以保证主轴沿轴线方向窜动量小。主轴采用皮带传动，能够缓和载荷的冲击，使运动平稳。

图4 主轴单元结构图

3.2 定位与夹紧方案

薄壁长筒形零件的刚度低，装夹时很容易产生弹性变形，影响零件加工精度。设计定位与夹紧方案时如何解决夹紧变形是个关键问题。对于薄壁易变形的零件常以端面及外圆作为定位基准［5］。外圆柱面限制了4个自由度，左端面限制沿轴向的1个自由度。为了提高定位精度，保证加工后的壁厚均匀，常采用自动定心机构，它能同时使工件得到定位、夹紧和定心［6］。

经过分析确定被加工零件采用外圆柱面与左端面联合定位，左端采用弹簧夹头定位与夹紧，夹头在零件的整个圆周施加夹持力，而不是仅在选定的接触区域，可获得很好的同心度。右端采用液压中心架作为辅助支撑，以增加工件的刚性和切削的稳定性。

本机床设计了专用弹簧夹头，具体结构如图5所示。夹头体2以左端φ80mm的短外圆面和端面A在主轴上定位，并用六个螺钉1固定在主轴前端。这种安装方式定心精度高，刚性好，但要求制造精度很高，需要φ80mm的短外圆面与主轴内孔配磨，配磨间隙0.005－0.01mm。弹簧夹头4以φ120mm外圆面与夹头体2右端的内孔配合，并用六个螺钉11紧固在夹头体2上，通过端面键3传递扭矩。带锥面的薄壁弹性套10与弹簧夹头4右端的锥孔配合，弹性套10沿轴向共开有12个槽8，前后各6个。拧紧螺母5，通过钢球6、卡环7推动弹性套10左移，在斜面的作用下，卡爪收缩，将工件9定心夹紧。松开螺母5，卡爪弹性恢复，工件松。夹头体2的内孔给镗头留出切出空间，外壁上沿周向均布着4个宽63mm，长100mm的轴向槽，用于精加工完毕后手动卸刀。

图5 弹簧夹头总图

3.3 深孔镗刀及进给机构设计

刀具加工系统采用深孔镗刀装置，进给运动由交流伺服电动机驱动，经联轴器驱动滚珠丝杠螺母副，带动镗刀架移动。配置滚珠直线导轨，C级，带12个滑块，每根6个。滚动直线导轨摩擦系数小、启动灵敏、无爬行。导轨润滑采用自动集中润滑系统。整个进给系统具有精度高、刚性好、运动平稳、精度保持性好等优点。

由于深孔的长径比大，刀杆细而长，刚性较低，易产生振动，使加工的孔偏歪而影响加工精度和生产效率，因此专门设计了深孔镗刀。目前，在深孔加工刀具中，都有2个以上导向块，导向块支承在已加工表面上，可以平衡径向切削力，实现引导刀具进给，增强刀杆的动态刚度，减少加工孔的轴向走偏，提高孔的直线度的作用。

本机床设计了机夹式深孔镗刀，如图6所示，镗刀主要由导向块、刀片及刀夹和刀体组成。导向块3由导向块体6和YG8硬质合金支承块7焊接而成，用压紧螺钉4固定在刀体5上。导向块的主要作用就是能够保证镗刀在孔中处于稳定状态，具有支撑和挤压作用。导向块的布置采用三导向，三个导向块3相对于切削刀片1布置的角度分别为:75°、180°、105°，导向块3的外圆面可将导向块装到刀体上磨出。刀片1置于刀夹2上，并用螺钉紧固在刀体5上。刀片和刀夹均采用瑞典SANDIVK公司产品。刀体5与镗杆采用矩形多头螺纹连接，保证了连接强度和装卸速度。镗刀采用内排屑冷却润滑系统，切削液可直接喷射到切削刃和导向块上，达到理想的冷却润滑效果。

图6 镗刀总图

4 结束语

本组合机床采用数控系统控制，设计了专用夹头及镗刀，解决了在普通机床上加工薄壁长筒类零件定位难度大，加工精度难以保证的难题。机床研制成功后，协议企业共购置4台，一台用于小批量火箭弹筒的生产，在一台机床上完成工件的全部加工。另外三台组成流水线，分别完成粗镗、半精镗、精镗等各道工序，用于大批量零件的生产。经过用户使用证明，该组合机床实现了不同规格、不同批量薄壁长筒零件的自动化加工，加工精度达到设计要求，降低了工人的劳动强度，生产效率也明显提高，取得了良好的经济效益和社会效益。

［1］何定健，李建勋，王勇.深孔加工关键技术及发展［J］.航空制造技术，2008(21):90－93.

［2］姚荣庆.薄壁零件的加工方法［J］.机床与液压，2007，35(8):250－253.

［3］肖继明，李言，郑建明，等.薄壁深孔镗头的设计与应用［J］.组合机床与自动化加工技术，2004(6):80－81.

［4］付宏鸽.难加工材料镗削技术研究［D］.西安石油大学，2006.

［5］大连组合机床研究所.组合机床设计(第一册)［M］.北京:机械工业出版社，1975.

［6］王先逵.机械制造工艺学(第2版)［M］.北京:机械工业出版社，2011.