基于液压减振技术的深孔钻杆组件双改设计

胡小青，杨绍杰

(1.四川工程职业技术学院机电系，四川德阳618000;2.上海彭浦机器厂有限公司，上海 200027)

深孔钻 (镗)床是深孔加工的重要设备。所谓深孔是指孔深与孔径之比 (即深径比L/D)大于3～5［1］。如机床的主轴孔、各种液压油缸、气缸的通孔、盲孔及阶梯孔等均为深孔。这些孔的形状精度要求很高，一般是在孔径公差以内，有些是在孔径公差的1/2～1/3内。深孔钻 (镗)床 (以下简称深孔钻床)及钻 (镗)杆组件 (以下简称深孔钻杆)等附件是共同保证精度的前提。现有两种结构的深孔钻杆，分别是“上下半瓦”式与“四瓣瓦”式。这两种结构的钻杆存在一定问题:“上下半瓦”式钻杆在使用一段时间之后，其支架、支承套的孔径磨损引起的间隙不仅导致振动，还容易损坏刀具;“四瓣瓦”式的钻杆制造复杂，钻杆容易纵向弯曲，新瓦更换操作繁琐等。文献［2－3］对深孔钻床及钻杆进行了比较深入的研究。在参考前人研究的基础上，针对上述问题并采用新技术对钻杆组件进行改进改型 (双改)设计。

1 深孔钻床组成与钻杆特点

1.1 深孔钻床组成

深孔钻床主要由床身、床头箱、卡盘、钻杆箱、进给箱、授油器、冷却部分、工件中心架、钻镗杆组件等组成［4］，用于钻、镗、扩、滚压等。钻孔采用内排屑，镗孔采用外排屑。

1.2 钻杆组件的功能特点

钻杆组件主要由不同规格的钻杆、支架、支承套等组成。深孔钻杆与对应的钻头、镗头、滚压头、组合头等相连接。单节钻杆长度有0.5、1.5、2 m等，以适用不同机床、不同加工深度的需求，如果加工工件较长，可以将数节钻杆连接起来。由于深孔钻削采用内排屑，所以深孔钻杆是中空的，要求钻杆外圆具有较高精度，须用专用设备进行加工，钻杆内孔要求较低，钻通或扩孔到尺寸即可，若是套料钻杆，则内孔也应加工到一定精度。为了防止铁屑堵塞并减少不必要的接触面，避免因摩擦产生高热而烧坏钻头，钻杆直径通常小于钻头。

由此可见，在深孔加工中，由数节连接起来的钻杆一般长达数米、数十米，如30 m深孔钻床，连接起来的钻杆总长超过33 m［5］，且是中空的，还要保证很强的刚性、钻杆轴线与孔端面的垂直度等，因此钻杆支架的作用就显得尤其重要。

2 钻杆支架在深孔加工中的作用

2.1 钻杆支架

钻杆支架在深孔加工中起到十分重要的作用，它由支架主体和支承套两大部件装配组成，支承套是钻杆支架的重要部件，其设计质量的高低与深孔钻孔和套料加工效率有直接关系。

(1)支点作用

钻杆支架支承钻头、套料刀、镗头和钻杆等工艺装备的重力，同时减弱或抵消工艺装备重力对钻杆产生的纵向弯曲变形。工作时，一方面使钻杆通过该支点传递扭矩与进给;另一方面，稳定整个钻杆系统，使其保持动态平衡。

(2)确定中心高

钻杆支架的结构和尺寸确定后，钻杆中心与机床床面的中心高也就确定了，具有钻杆定位作用。

(3)消振作用

钻杆支架能消除或减轻钻杆 (含各种刀具、镗头)在加工过程中引起的振动，特别是在钻孔和套料刀具切削过程中的振动，否则可能打坏刀具。因此，由钻杆、支架、支承套组成的钻杆支架系统具有消除钻杆振动的作用。

2.2 钻杆支架的数量

一般是根据深孔钻镗床的最大钻孔深度来确定钻杆支架的数量。

2～3 m深孔钻床的支架是1个;

5～8 m深孔钻床的支架是2个;

10～15 m深孔钻床的支架是3个;

20～30 m深孔钻床的支架是4～5个。

3 现有钻杆支架研究

3.1 上下半瓦钻杆支架

“上下半瓦”式钻杆支架结构如图1所示。支承套的上、下两半瓦一般由机床厂家采用黄铜铸造再由机械精密加工而成，并随机床配备;小支承套则根据深孔加工现场由用户自行配作。为防止小支承套随钻杆前进、后退时从上、下半瓦孔中掉出，采用挡板、螺钉分别挡住两端的小支承套。上、下半瓦右端外圆上加工有一凹槽，用于放置两块筋板，筋板可使上、下支承套与钻杆支架上的φ310孔固定，以确定支承套与支架的相对位置。因钻杆中心架的局限性，钻杆套外圆直径 φ310不能改变［6］，但长度可作适当调整，当钻杆支架前、后移动时，上、下半瓦可同时移动。半瓦有两种规格:320 mm宽的用于导向中心架，178 mm宽的用于钻杆支架。其优点为:

(1)结构简单，设计、制造周期短;

(2)更换钻杆时，可分别起吊上、下半瓦及钻杆，故起吊时对钻杆产生纵向弯曲变形影响较小。

图1 上下半瓦式钻杆支承套结构

主要缺点是:

(1)支承套长期使用后，上、下半瓦之孔径经磨损后逐渐增大，与钻杆外圆间隙也逐渐增大，又无法调整其间隙，振动很难消除，且容易损坏刀具。

(2)上、下半瓦的内孔面均浇铸有少量巴氏合金，巴氏合金中含有锑、铜、铅、锡等金属，价格较高。更换新瓦时费工费时。

(3)更换钻杆时因分别吊起上半瓦、钻杆和下半瓦，故辅助工时比整体式结构支承套要增加一倍以上［7］。

3.2 四瓣瓦钻杆支架

“四瓣瓦”钻杆支架［8］如图2所示。其优点是:(1)因支承套内采用四瓣瓦结构，当顺时针方向拧紧螺帽时四瓣瓦产生径向收缩，瓦的内孔将钻杆外圆抱紧，可消除瓦与钻杆之间的间隙，可以及时消除钻杆振动和减少刀具的损坏。(2)操作方便，瓦与钻杆之间的间隙可随时调整。(3)更换钻杆时可一次起吊钻杆和支承套，缩短辅助工时。(4)更换支承套时，依靠支承套外圆和纵向两个凸台可以达到与钻杆支架孔迅速而准确的定位。其缺点是:(1)该支承套内的四瓣瓦制造较复杂，采用QT60-2材料，价格较高。(2)更换四瓣瓦时，手工操作较繁琐。(3)更换钻杆时，易引起钻杆纵向弯曲，特别是直径较小的钻杆。

图2 “四瓣瓦”钻杆支架结构

4 深孔钻杆组件双改设计

理论上讲，只要钻头始终处于孔中心位置，且钻杆的摆幅越小，加工出的孔就越直［8］。实际加工时，钻杆始终处于进给和回转的动态力学状态，钻杆的摆幅受两个因素制约:轴向作用力和回转的离心力。钻孔时钻杆受压而不是受拉，细长杆必弯;钻杆旋转，受到离心力作用必然出现一定的摆幅。所以，钻杆箱、钻杆支架、钻杆导向架等均会影响孔的加工精度;在进行改进改型的双改设计中必需一起考虑。

4.1 采用液压减振技术改造钻杆支架

采用液压减振技术研制的液压减振支承套也叫减振器，结构如图3所示，其中元件7为夹布胶木减振锥。工作时，压力油分成两路，一路进入到变压力端的油缸，另一路进入到不变压力端的油缸。压力油由液压缸供油系统供给。当钻杆与减振锥配合间隙较大时，变压力端增大压力推变压力端降低压力，减振锥退回变压力端。这样，液压减振装置既保证了减振锥与钻杆紧密接触并和钻杆液一起转动，又保证了钻杆实现轴向进给运动。

图3 液压减振器结构

采用液压减振器对深孔钻杆组件进行改型设计，需要在每个钻杆支架上配备液压缸，压力大小根据钻杆直径来调整。参考数据见表1，通过自动控制系统来实现调整。

4.2 钻杆支架布局分析

要提高深孔加工精度，除了找好机床各部件的几何精度外，钻杆支架的合理布局也是钻杆系统改进改型设计的重要内容。

深孔切削中，钻杆受压，细长的深孔钻杆会发生弯曲变形，钻杆系统实际受力与变形如图4所示。L1、L2、L3越大，δ1、δ2、δ3就越大［9］。对于一个钻杆支架来说，钻杆支架不是位于导向架和钻杆箱的中间位置而是位于靠近导向架为好，这样δ1小，钻头的倾斜越小，钻出的孔偏心就小。由传递顺序和衰减次数的关系［1］可知:δ4是经过 δ3、δ2到 δ1的，是 2次指数衰减;δ3是经过δ2到δ1的，是1次指数衰减;所以δ4大了δ1却不大。对于多个钻杆支架，它们之间的间距并非均匀布置，而是从导向架向后间距逐渐增大的。因此，为了便于调整钻杆各支架之间的距离，以适应不同工况，故将多个支架做成活动可调的。

图4 钻杆系统实际受力与变形

4.3 钻杆支架改进设计

根据钻杆支架的布局分析，对钻杆支架进行改进设计。钻杆支架安装在右部床身上，用于支持钻杆。依靠挂钩，由钻杆箱牵引支架在床身上往复移动，借助支架外侧的撞块，可以将其停在所需要位置，性能可靠、操作轻便，能满足φ50～300 mm孔加工的不同钻杆支承需求。钻削时，钻杆支架尽可能前移缩短L1间距，钻孔质量更佳。

4.4 钻杆箱单配润滑系统及操控面板

钻杆箱及电机安装在托板上，在导轨上可作往复移动，单配润滑系统可以改善润滑条件并加快冷却。正常走刀 (进给)由丝杠带动，快速移动则由快速移动电机驱动减速器实现。钻、镗杆可以旋转也可固定，若需固定钻杆，只需将主轴前端的止动块装上即可，钻杆箱具有12级变速，其转速范围为30～500 r/min，通过操纵控制面板进行操控。

4.5 采用导向中心架

导向装在右部床身上，可沿导轨作2 m以内的机动或手摇移动，导向孔内支持着授油器，以便将具有较大压力的冷却液输入工件孔内。在授油器的前端装有可换的刀具导向套，将刀具正确地导向旋转中心上。当镗孔时，取下授油器换上镗削支承套，变为镗削导向支承架。在导向架上设有主操作台，操纵方便。

4.6 改进授油器适应不同钻头或钻杆

授油器装在导向中心架上，它是一个圆柱形部件，用于钻孔时内排屑输送压力冷却液。它前端的导向套可根据钻头直径调换规格，后端钻杆的支持套可根据钻杆的直径变换规格，授油器上配有操纵控制面板，方便卸拆授油器。

5 应用效果

应用液压减振技术对Q1-024(8 m钻)深孔钻床的钻杆组件等关键件进行双改设计后，钻孔质量明显改善，“双改”后的Q1-024深孔钻床，最大钻孔深度为8 m，满负荷钻削时，液压减振装置支承套紧紧箍住钻杆，径向间隙小，钻杆运动平稳，加工精度高，孔出口最大偏差1.25 mm，最小0.5 mm;将钻杆支架调整到适当位置后，孔出口最大偏心可控制在0.7 mm以内，精度比“双改”前提高两倍以上。

6 结束语

应用液压减振技术对Q1-024深孔钻床的钻杆组双改取得成功后，又对Q1-010(10 m钻)、TD21150(15 m钻)进行了双改，达到了预期效果，证明液压减振器装置——减振器的效果较好。减振器在钻杆支架上的使用，极大改善了深孔加工刀具工作状态，提高了刀具寿命和生产效率，液压减振器技术预示了支承套的发展趋势，对设备改造具有积极意义。

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