1 機床主軸中的深（shēn）孔及DF 係統簡介

      在整（zhěng）個機床主軸的製造過程中，加工主軸鬆拉刀孔是製約主軸規模化生產的主要瓶頸之一。鬆（sōng）拉刀孔位於主軸中心，是一個貫穿整個主軸全長的通孔，通（tōng）過這個孔，拉（lā）刀杆將刀柄拉緊並定（dìng）位於主軸前端的錐麵上，如圖1 所示。按照對深（shēn）孔的界定（dìng），任何孔深大於（yú）10 倍直徑都應稱為深孔。通過對主軸序號為40 和50的兩（liǎng）類鏜、銑類主軸的統計發（fā）現，主軸拉刀孔的深（shēn）徑比在26. 6 ～ 35 之間，均屬於深孔。

      鬆拉刀孔之（zhī）所以成為製約主軸生（shēng）產的瓶頸有兩方軸深孔DF 係統麵的原因。其一，由於主軸經過鍛造後為一（yī）實心圓柱料，在實心料（liào）上用普通麻花鑽鑽深孔是不得已才采用的一種方法，因（yīn）而（ér）也（yě）就（jiù）成了最費工，費時的一項工作（zuò）。僅鑽孔就占用了整個粗車工序近1 /2 ～ 2 /3 的時間，孔的精度也（yě）隻能達（dá）到IT11 ～ IT14 級，孔軸線的直線度（dù）偏斜量在實際加（jiā）工過程（chéng）中達到1 ～ 2 mm( 在（zài）600 mm 長度上測量) 。而且此孔是後序中加工（gōng）外圓的工藝基準，孔的質量對後序影響很大，必須（xū）給予足夠的重視。

      其二，現代機床製造技（jì）術向著高速、高精度的方向發展，目前國（guó）內外加工中心的主軸最高轉速一般在8 000 ～ 12 000 r /min，而采用電主軸的高速機床主軸轉速則更高。當機床的主（zhǔ）軸（zhóu）在高速旋轉時，即使隻有（yǒu）很小的偏心距，也會產生非（fēi）常大的不平衡離心力。不（bú）平衡量引起的振動和噪聲（shēng）會很大，使機床主軸無法達（dá）到設計的轉速。根（gēn）據平衡程度等級的推薦值，機床主軸（zhóu）的平衡精度定為（wéi）G1，這時主軸組件整體的偏心量也（yě）僅為幾（jǐ）個微米。雖然整個主軸組件的組成零件嚴格（gé）按對稱性來設計，但主軸孔內的偏（piān）斜量就遠遠超過這個限度，即使在（zài）後續加（jiā）工工序中多次從外圓上去除材（cái）料來修正中心，但無（wú）法校正孔（kǒng）自身直線度差的缺陷，所以對於（yú）主（zhǔ）軸（zhóu）部件來說（shuō）還是很難達到高的平（píng）衡精度。故主軸深孔的（de）加工（gōng）問題不僅影響生產效率，而且還成了製約（yuē）技術提（tí）高（gāo）的瓶頸。

      目前應用的深（shēn）孔加工係統可大（dà）致分為5 種基本類型: ( 1) 帶油孔（kǒng）的（de）深孔麻花鑽係統; ( 2) 槍鑽係統; ( 3) BTA 係統; ( 4) 噴吸（xī）鑽（zuàn）係統; ( 5) DF 鑽係統。但從可能加工的深度、加工精度及加工效率方麵來（lái）看，能代表現代深孔（kǒng）加工（gōng）技術發展方向的是（shì）槍鑽係統、BTA 係統、噴吸鑽係統和DF 鑽係統。這4 種深（shēn）孔加工係統有2個共同之處（chù）: ( 1) 采用有（yǒu）自導向作用的（de）硬質（zhì）合金刀具實現高速高精度加工，加工質量、加工效率大大提高; ( 2) 都（dōu）采用高壓切削液排出切屑，潤滑（huá）刀具。

      深孔加工有實（shí）體鑽（zuàn）削、擴孔及（jí）套料鑽（zuàn）3 種工藝方法，鑽孔（kǒng）的深徑比（bǐ）達到50 ～ 100，加工（gōng）孔精度可達IT7～ IT11 級，孔的軸線偏斜量一般為0. 1 ～ 0. 3 mm/m，且生產效率較高，一（yī）次鑽削（xuē）就達到半精加工能達到的精度及表麵粗糙度（dù）。

      DF 係統是英文“Double Feeder”的縮寫，亦叫“單管噴吸鑽”或“雙加油器深孔鑽”，見圖2。它結合了當前深孔內排屑加工的兩種方法———噴吸鑽吸出切屑及BTA 鑽推出切屑各自優點的一種加工係統。其（qí）工作（zuò）原（yuán）理為: 切削時約占總量2 /3 的冷卻液由孔的內壁與鑽杆外（wài）徑之間的縫隙到達切削區，把切屑從鑽杆內部推出，而另一小部（bù）分冷卻液( 約占1 /3) 則從分路管中進入噴嘴並向後噴射，流速增大形成噴射流。根據能量守恒原理( 伯努力方程) ，當比動能增（zēng）大，則比壓能下（xià）降，因此在這股噴射流的周圍形成低壓區，這樣在鑽管的前、後端存在一定的壓力差，產生（shēng）一定的“吸（xī）力”，加速前端（duān）有切（qiē）屑的冷卻液向後流動，把切屑排出，所以特（tè）別適用於12 mm 以上的中（zhōng）小直徑深孔加工。在可加工性（xìng）差（chà），不（bú）易斷屑的材料中使用時效果更為明顯。

      2 方案分析與設計

      在對主（zhǔ）軸深孔（kǒng）的加工過程進行分析和（hé）對幾種深孔（kǒng）加工方法做比較（jiào）之後，我們最終選擇采用（yòng）DF 深孔加工係統，確定了在普通車床上通過技術（shù）改造，自主設計DF 係統（tǒng）深孔加工所（suǒ）需的授油器、動力頭及冷卻箱等主要部件，鑽頭和鑽杆選擇外購的總體方案。

      由於深孔技術屬於複雜的機（jī）械加工過程，有其獨特的工作（zuò）機理，自主設計其主要部件必須要（yào）對深孔加工知識和工藝過程有深入了解之後才能進行。另外這（zhè）項工作還涉及到加（jiā）工、刀具、流體、機械結構、密封、檢測與控（kòng）製等多方麵的知識，總的來說難（nán）度（dù）不小。下麵從主軸深（shēn）孔的加工工藝和DF 係（xì）統的主要部件設計要（yào）點兩方麵來（lái）做說明。

      2． 1 對主（zhǔ）軸深孔加工工（gōng）藝的分析

      機床主軸屬於回轉類（lèi）零件，在對我公司40 及50序號（hào）的主軸單元（yuán）作統計後得出（chū）如下數據: 材料通常為滲碳合金鋼12 CrNi3、20 Cr2Ni4 及調製合金鋼40Cr等（děng），長度小於1 000 mm，直徑小於150 mm，孔徑範圍為18 ～ 54 mm; 鑽孔前經（jīng）正火或調質處理，硬度為（wéi）150 ～ 260 HB。其中適於深孔加工的孔有通過拉杆的通孔( 18 mm 及28 mm，深（shēn）徑比25 ～ 35) 及碟簧安裝孔( 33 mm 及54 mm，深徑比10 ～ 15) 。下麵以合金滲碳（tàn）鋼材料的主軸為例來說明（míng）。

      在主軸的加工工藝中，深孔加工一般安排在（zài）主軸的預處理階段進行（háng）。主軸在淬火前的工序為: 鍛造—正火( 校直，彎曲度小於0. 5 mm) —粗車外圓及兩端麵—鑽深孔—滲碳（tàn）( 校直，彎曲度小於0. 2 mm) —找正內孔車外圓、車內（nèi）孔及擴孔等—鹽浴淬火。淬火後由於工件硬度提高，僅對非淬火部位進行切削加（jiā）工，而對於淬火（huǒ）部位隻能進（jìn）行磨削，所以主要的切削過程及材料去除量要求在淬火（huǒ）前完成。

      深孔加工適用於工件批量大、孔徑規格單一的場合。因（yīn）為對每種（zhǒng）孔徑需要（yào）配備相應規格的鑽頭、鑽管及其他附具，所以在使用時就應最大程（chéng）度地減（jiǎn）少（shǎo）或統一孔徑（jìng）規格，這樣不（bú）僅使刀附具的種類少，便於管理，也有利於加工成本的降低。而生產現場的情況卻與此要求相差很遠，企業內（nèi）產品品種多，主軸的結構（gòu）類型和尺寸（cùn）也不盡相同，若要深孔加工技術去適應這種多（duō）規格（gé）的加工（gōng）對象是很不適宜的（de），那麽如何將深（shēn）孔加工技術應（yīng）用到機床主軸的加工中去，這給我們出了一道難題。

      對於機床主軸中像鬆拉刀孔這類孔，應用深（shēn）孔加工（gōng）技術的（de）目的主要是提高效率（lǜ）和降低（dī）勞（láo）動（dòng）強度，並（bìng）為孔及外圓的後序加工（gōng）提供一個好的基準。所以我們采用如（rú）下的方（fāng）法: 在（zài）工件( 主軸) 還（hái）是實心料（liào）狀態時，將不同種類主軸上鬆拉刀的孔的（de）孔徑統一成一至兩種（zhǒng），采用深孔（kǒng）加工方法完成通孔加工，而（ér）像（xiàng）碟簧安裝孔等其餘規格的孔再以通孔為基礎用麻花鑽擴孔（kǒng）來完成。

      此方法的優點是，將（jiāng）不同種類的工件統一匯總後使工件的批量得到加大，孔徑規（guī）格得到統一，可以充分發揮深孔加工技（jì）術在實心料（liào）鑽孔（kǒng）中（zhōng）的高效和高精度的優勢，而對其餘深徑比不大的各孔，在通孔的基礎上進行擴孔其加工難度也比以前大大降低，不再（zài）成為影（yǐng）響生產進度的一個瓶頸問題。

      2． 2 DF 係統主要部件的（de）設計要求

      ( 1) 授油器（qì）結構設計

      授油器的主要功能（néng）是為鑽頭提供穩定的、帶壓力（lì）的切削液。授油器安裝在車床的導軌（guǐ）上( 圖3) ，工作時靠緊工（gōng）件（jiàn）端麵、密（mì）封切削液、並隨著工件旋（xuán）轉。當工件的長度改變時還應（yīng）便於移動和拆卸。授油器前端隨工件進行低速旋轉，後端隨鑽杆高速旋轉，在（zài）鑽杆（gǎn）方向還要有一定的移動量（liàng），以便於與工件端麵密（mì）封、工（gōng）件裝（zhuāng）夾、鑽（zuàn）頭裝卸和檢（jiǎn）查。授油器前端的導向套定心精度要求高，磨損後要便於更換。該授油器的設（shè）計（jì）工（gōng）作範圍是從15 ～ 65 mm，覆蓋整個DF 係統深孔（kǒng）鑽適宜的加工範（fàn）圍。

      ( 2) 連接器及傳動機構設計

      這部分結構（gòu）的主要功能是為鑽管提供動力和在鑽杆末端產生吸出切屑的負壓。連接器固定在車床（chuáng）的（de）溜板箱上，隨（suí）溜板箱的移動產生進給（gěi）。設計的加工範圍是18. 4 ～ 28 mm，能滿足常用的（de）從40 號主軸到50 號鏜、銑類加工（gōng）中（zhōng）心主（zhǔ）軸的深孔加工。由於深孔（kǒng）加工對（duì）切（qiē）屑的形狀有特殊的要求，需要切削速度和進給量的配合來實現（xiàn）對不同材料切屑形狀的控製，以（yǐ）滿足排屑的要求。這需要鑽頭的速度（dù）在一定的範圍（wéi）能（néng）調整，另（lìng）外當孔徑不同時，鑽頭的轉速也應隨著（zhe）變化，以滿足功效的要求。所以鑽頭的驅動裝置還應有調（diào）速功能，此功能用（yòng）變頻器來實現。

      ( 3) 冷卻及排屑（xiè）係統

      切削液在深孔加工中起著冷卻、潤滑、衝刷、減振和消聲（shēng）的作用。冷卻排屑係統主要由油箱、排屑箱、油泵、過濾裝（zhuāng）置和液壓件等組成。在（zài）加工鋼件（jiàn）時宜選用低（dī）粘度油類（lèi）冷卻潤滑液，最好選用（yòng）專用的深孔加工切削液。我們（men）在（zài）試驗時選用的（de） “長城”牌特種切削油( M0006) ，使用效果也不錯。使用（yòng）時保持冷卻液的清潔非常重要。髒的冷卻液會導致孔壁上潤滑膜的破壞，或使直徑小的（de）深孔（kǒng）鑽油路堵（dǔ）塞，也容易使油泵和閥門等液壓元件過早地磨損（sǔn）。我（wǒ）們采取的措（cuò）施是采用迷宮（gōng）式的回油路線，以盡量增加冷卻液在油箱內的流動距離，減緩流動的速度，保證汙物能有足夠的時間來沉澱; 此外泵（bèng）進油口還需加裝一定精度（dù）的濾油裝置，並且（qiě）在回流的路徑上及泵進油口處放置磁鐵以吸附（fù）冷卻液中微小的鐵屑。

      油泵的壓力和流（liú）量一般根據所加工孔的孔徑確定。查閱山特維克深孔加工樣本知，對於（yú）18. 4 ～ 28mm 的孔，切削液流量小於100 L /min，壓力小於2MPa。我們選取（qǔ）流量為80 L /min，壓力為2. 5 MPa 的齒輪泵。

      油箱容積在條件容許的情況下（xià）盡量的大。理想的情況是油箱容量一般為油泵每分鍾輸出量（liàng）的5 ～ 10倍，以保證切削液能正常冷卻及汙物的沉澱和分離。但在車床上進行改造時，油（yóu）箱高度和（hé）寬度要受到車床（chuáng）中（zhōng）心高和床身後麵空間的限（xiàn）製，往往達不到上述要求。最後油箱的容積定為500 L，實際裝油量（liàng）約為400 L。

      ( 4) 安全（quán）保護

      由於深孔加工的刀具比較嬌貴，而且整個切削過程（chéng）是在半封閉的狀況下進行，所以（yǐ）安全檢測裝置（zhì）顯得尤為重要。目（mù）前深孔加工中較為（wéi）先進的方（fāng）法是對鑽杆的進給力、轉矩及鑽管內冷卻液壓力進行的（de）動態監測。由於我（wǒ）們條件所限采（cǎi）取了下麵的保護措施: 用車床自身的落下（xià）蝸杆結構來進行進給保護，通過（guò）實驗設定一個值，當進給力超出後，自動斷開（kāi）進（jìn）給傳動鏈（liàn）; 采用壓力檢測保（bǎo）護，當切屑發（fā）生阻塞時，授油器中的壓力會增高，壓力開關發出信（xìn）號，由電氣（qì）控製停車; 采用電氣順序保護，油泵電動機與鑽杆（gǎn）驅動電動機要有啟動順序的要（yào）求，先起動油泵電動機再（zài）起（qǐ）動連接器（qì）電動機，以免（miǎn）因起動順（shùn）序錯（cuò）誤而造成連接（jiē）器內部機械密封裝置因幹摩擦而損壞。雖然這些措施的效果和可靠性與動態（tài）監測的（de）方法相比作（zuò）用有限，但還是能避免出現嚴重的故障。

      在本方（fāng）案中利用車床的卡盤夾持工件，給（gěi）鑽杆也配置了驅動裝置，工件和鑽頭相對旋轉，並以鑽頭旋轉為主，工件作輔助低速轉動。在鑽小直徑的孔時，要求轉速高而所需的功率較小，可以選擇鑽頭（tóu）旋轉工件隨（suí）動的方式。當所加（jiā）工的孔徑較大時，要求轉速有所降低而功（gōng）率增（zēng）大，可選擇工件旋轉而鑽頭（tóu）不轉動的方式（shì），這時可充分發揮車床主軸功率（lǜ）大的優勢，而不必為鑽杆配備大功率的驅動動力，從而簡化了（le）機械結構（gòu），避免了浪費。這種車床主軸和鑽（zuàn）杆都帶動力的（de）方案具有較強（qiáng）的靈活性和實際意義。例如用70 m/min 的切削速度鑽18. 4 mm 的孔時，鑽頭的轉速達（dá）到近1 200 r /min，這時可選用鑽頭作高速旋轉，而工件作輔助（zhù）的低速相對（duì）轉動，不（bú）僅能滿足孔直線度要求，也避免了工件作高速轉動（dòng）帶來的一係列問（wèn）題。另外本（běn）方案不（bú）需要對工件端麵預先加工導向孔，這點對於主軸的批量化生產有著重要意義。

      3 結語

      以18 mm 鑽頭加工長度為630 mm 的主軸為例（lì），改進前後的對比見表1。

      通過表1 可看出，采用DF 係統深孔加工方法後孔的精度（dù）、表麵粗糙度及直線度有很大程度的提高，刀具成（chéng）本約為原來（lái）的4 倍，工時降為原來的1 /3。綜合考慮節省勞動力成本和工件年產量的增加所帶來的效益來計算，總體的經濟效益仍然可觀。而且從勞動力成本逐年增加的（de）趨勢來看，其意義（yì）會顯得越（yuè）來越重要。總的看（kàn）來，通過這次的技術革新，普遍（biàn）認為費用較高的深孔加工（gōng）技術應用到機床主軸類工件加工，是一次（cì）有益的嚐試，不僅解決了主軸批（pī）量化（huà）生產時（shí）效率低和勞動強度大的問題，而且提高了深孔的加工質量，為降低主軸加工成本帶來了很大的空（kōng）間。