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剪切式鑽進技術（shù）的研究

2018-3-27 來源：中煤科工集團作者：李學忠

摘要：剪切式鑽進技（jì）術是在分析了（le）現有切削機械裝備（bèi）中加工載荷的傳遞方（fāng）式下提出的一種全新的切削理論和機械產品的設計方法，利用正向切削和反向切削中兩者阻尼平衡的思路，將兩對相向切削的阻尼直接轉化為切削機具的內力，從（cóng）而減少阻尼的傳遞行（háng）程，優化設備結（jié）構，減少衍生阻尼以及附加結構，提高設備能（néng）效（xiào）；剪切式鑽進技術的提出，對中型孔徑、大型孔徑以及深孔加工（gōng）裝備的改進有參考作用。

關鍵詞：剪切式；鑽（zuàn）進；切削原理；鑽孔（kǒng）

1 、工作原理

剪切式鑽削是具有 2 個方向相反、不同轉速、扭矩相（xiàng）等的鑽具同動力源相結（jié）合，形成異向雙（shuāng）速等矩的集（jí）成鑽具，利用正向切削、反向切削的扭（niǔ）矩相等原理達（dá）到鑽具（jù）鑽進時自身平衡，形成類似於剪刀工作的一種鑽削（xuē）方（fāng）式。

剪切式鑽削原理（lǐ）如（rú）圖 1 所示，鑽具具有內層鑽具（鑽頭）和外（wài）層鑽具（擴孔鑽），鑽頭（tóu）同擴孔鑽旋轉方（fāng）向（xiàng）相（xiàng）反，利用鑽頭周向切削扭矩同擴（kuò）孔（kǒng）鑽（zuàn）周向切削扭矩相等，整體軸向推進，從而達到鑽孔、擴孔的目的。

圖 1剪切鑽削原理力

1.內層鑽具 2.提供異向雙（shuāng）速鑽具 3.外層鑽具 4.機床

2 、剪切式鑽削特點及用途

剪切式鑽削同旋切式（shì）鑽削最（zuì）大的不同就是將切（qiē）削動力源同鑽具相結合，利（lì）用 2 把鑽具的切（qiē）削方向（xiàng）的（de）不同，從而達到鑽具扭矩自（zì）身的平衡，避免了承載體在工作中承（chéng）載或傳遞扭矩（jǔ）而增加設備支撐機構的複雜性（xìng）。

最大的優點是鑽削中同（tóng）鑽具相連的承載體不傳遞扭（niǔ）矩，可以避免在鑽削中鑽杆同孔壁的摩擦，同時也提高能效。剪切式鑽削對於加工孔徑比較（jiào）大的工程（chéng）機械有很大的優勢，如鑽機、掘進機以及盾構機，避免結構複（fù）雜；同時可配合自固定裝置（zhì），實現柔性鑽（zuàn）孔技術。

3 、剪式（shì）鑽削的結構

要實現剪式鑽削，鑽（zuàn）孔設（shè）備至少需要 3 部分結構，如圖 2 所示。

圖 2剪（jiǎn）式鑽削結構圖（tú）

（1）鑽具（jù）連接體主要是連接鑽具，實現鑽具的支承和提供推進力；在普通的（de）機械加工中，主要是指機床的床身或者工作（zuò）台，而在工程機械中，是指連接（jiē）鑽具（jù）的鑽杆（鑽機類（lèi））或（huò）者連接鑽具的機身（如盾（dùn）構機的機身）；、

（2）異向雙速動力源將單向源動力經（jīng）過變速轉（zhuǎn）換（huàn），實（shí）現異向雙速動力的輸出，為鑽具提（tí）供可靠的動力源；主要可以采（cǎi）用行星變（biàn）速機構，采用單動力源時，利用行星機（jī）構中的太陽輪既做（zuò）源動力軸，同時也做動力（lì）輸出軸，輸出軸做另一動力軸，多動力源時，采用行星連接源動力，利用行星輪機構，實現動力（lì）和運動的合成與分解；

（3）剪式鑽具利用鑽具切削方向的不同和扭矩的自身平衡，從而實現剪式（shì）鑽（zuàn）削，達到鑽具連接體零扭矩承載或少（shǎo）扭矩承載，主要是 2 套切削方（fāng）向不同的刀具和套式刀具。剪（jiǎn）式鑽削按鑽具連接體承載扭矩的大小，分為完全剪式鑽削和不（bú）完全剪式鑽削。

完（wán）全剪（jiǎn）式鑽削是剪式鑽具的內層和外（wài）層（céng）在鑽削過程中扭矩（jǔ）相等，鑽具連接體不承載扭矩傳遞；不完全剪式鑽削就是內層鑽具和外層鑽具的扭矩不（bú）全相（xiàng）等，在鑽削過程中，鑽具連接體承載少量的扭矩，絕大部（bù）分都是（shì）不完全剪式鑽削。

4 、異向（xiàng）雙速旋轉機（jī）構

實現剪（jiǎn）切式鑽孔的關（guān）鍵主要是實現異向雙（shuāng）速（sù）同軸旋轉，可通過調（diào）整不同的齒輪組合設計來達到該功能。該結構（gòu）演變過（guò）程如圖 3 所示。

圖 3齒輪傳（chuán）動演變示意（yì）圖（tú）

1.動力軸 2.主動齒 3.從（cóng）動齒 4.工作軸 5.行星齒 6.從動齒圈7.支（zhī）架 8.2 根同心工作軸圖 3（a）為普通的齒輪傳遞，動（dòng）力軸的功率全部（bù）傳遞給（gěi）工作軸，隻實現速度（dù）的變（biàn）化（huà）和旋向的變化，一般做減（jiǎn）速機構使用。減速器殼（ké）體（tǐ）承擔（dān）力（lì）矩。

圖 3（b）是異向分動（dòng）箱傳動示（shì）意圖，分動（dòng）箱的 2根動力（lì）軸方向相反，主軸既（jì）是動力（lì）軸，也是工作軸，隻是（shì）主（zhǔ）軸將功率（lǜ）傳遞給 2 根動力軸，實現速度（dù）、功率和（hé）運動方向的傳遞。機構箱體承受的扭矩（jǔ）

圖 3（c）是傳統的分動箱示意圖（tú），主軸將動力分別傳遞給 2 根工作軸，從而實現功率和運動再分配。圖（tú） 3（d）是剪切式傳動示意圖，該機構是（shì）利用行星齒輪傳動機構實現太陽輪軸筒齒環軸的不同旋向（xiàng），但是同心轉動的原理，實現 2 根工（gōng）作軸（zhóu）的不（bú）同旋向，從而（ér）實（shí）現異向雙速轉動功能（néng）；圖 3（e）是利用（yòng）功率的合成（chéng），將 2 個或多個相同功率，通過內（nèi）齒和（hé）外齒的傳動，合成 2 個旋向相反、速度不同、扭矩相等的雙軸係統，實現異向雙速轉（zhuǎn）動功能（néng）。

5 、動力分配

要保證支撐機構在鑽進中隻承受軸向推力，需確保擴孔同鑽孔的扭（niǔ）矩大小相等 M1=M2（見圖 1 及圖 4），設定以下參數：在鑽進過程中鑽頭工作承受的壓力（lì）均為 p,鑽進的進給量為 B，D2/D1=k （D1、D2分別為鑽頭、擴（kuò）孔鑽外徑），且轉速相等。

從公式中可以看出，等轉速下是等功率分配，不同（tóng）轉（zhuǎn）速下是不等功率分配（pèi）。

圖 4 動力分配（pèi）圖

6 、結語

剪切式鑽孔技術在深孔成（chéng）孔和（hé）大孔成孔中具（jù）有（yǒu）獨特的優勢，減少了單成孔技（jì）術中，鑽具同動（dòng）力源（yuán）之間連（lián）接杆件間的扭（niǔ）矩的傳遞、附加扭矩的生成（如鑽杆同孔壁的摩擦）以及克服鑽進阻尼大而設計龐大機（jī）身來（lái）平衡切削力（如盾構機等）。

表 1 列舉（jǔ）了各（gè）種鑽孔方式的（de）對照表，從表中可以看出，剪切式鑽孔有獨特的優勢。

表 1 各種鑽孔方式比較表

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