摘　要（yào）：　針對Ｔ２１２０型深孔鑽鏜床（chuáng）在加工機床臨界尺寸Ф３０孔時（shí）遇到的輸油器內部係統不穩定及頭（tóu）部“發熱”問題，通過分析輸油（yóu）器所受切削液的壓力及（jí）其（qí）軸承（chéng）產生的熱量，並用Ｄｅｆｏｒｍ模擬其軸承在外力作用下的溫度場（chǎng），得（dé）出輸油器所（suǒ）出現的問題是由於切削液作用力過大引起的．通（tōng）過對（duì）輸油器內部結構的優化改進，降（jiàng）低了（le）切削液（yè）作用麵積，減小了切削液作（zuò）用力，從而解決了係統不穩定及軸（zhóu）承摩擦引起的發熱（rè）過高問題，也方便拆卸，不影響原有輸油（yóu）器的加工能力（lì），增大了輸油器的加工孔範圍．
 
      關（guān）鍵詞：　深（shēn）孔鑽鏜床（chuáng）；輸油器；發熱；優化設計；軸承
 
　    在深孔鑽削技術（shù）中，由於（yú）內排（pái）屑深孔加工處於封閉狀態下（xià）進行，加（jiā）之惡劣的切削條件，獨（dú）特的（de）加工工藝，形成了其加工過程中排屑難、冷卻難、潤滑（huá）難、工（gōng）具係統剛度低等經典難題［１］．為（wéi）此需要配置（zhì）專用的輔具———輸油器，將高壓的切削液導入切削區來保（bǎo）證冷卻、排屑．同時要求輸油器主軸與機床主軸同心，旋轉精度高；密封性好，保證冷卻（què）液不外溢；對不同直徑的刀具（jù），要求更換方便，具有一定（dìng）的通用性．隨著（zhe）鑽孔深度的增加，因供油通（tōng）道或排屑通道過長而產生油壓降（jiàng）低（dī），鑽頭直徑的大（dà）小，對油壓和流量（liàng）的要求不相同．對於一定的鑽（zuàn）頭直徑和切削液，油壓的合理值和合理的變動範圍（wéi）成為順暢排屑的必要條件［２］，更加突出了輸油器的重要性．
 
     １、輸油器的作用
   
     輸油器是深孔加工係統中輔具的關鍵要素之一，同（tóng）時輸油器也是個薄弱環節［３］．其主要作用為：輸油器（qì）上的導向套與工件的尾端內錐（zhuī）麵緊密頂緊（jǐn）形成密封並定心，輸油器由液壓係統及牙（yá）輪包、齒輪（lún）齒條被（bèi）夾（jiá）緊在導軌上；切削液通過輸油器從鑽杆（gǎn）外壁與已加工表麵之間的環形空間進入，到達刀具頭部進行潤滑，並將切屑經鑽杆內部強迫推（tuī）出，帶（dài）走大量的切削熱；導向套與工件嚴格同（tóng）心，以正確引導刀具進入工件；支撐鑽杆，增加其剛性，防止振動．
 
     ２　、輸油器問題分析
 
     在實際加（jiā）工中，所加工工件為空心車軸（如圖１所示），其材（cái）料為ＥＡ４Ｔ，長度為２　２４０ｍｍ，加工孔徑為Φ３０（＋１－０）ｍｍ，長（zhǎng）徑比達到７４∶１，粗糙（cāo）度Ｒａ０．８，尺寸精（jīng）度ＩＴ５．所用設備是Ｔ２１２０深孔鑽鏜床，山東（dōng）德州巨泰機床（chuáng）廠生產，主要（yào）技（jì）術規格為（wéi）：鑽孔直徑Ф３０ ～ Ф８０ ｍｍ；中心高度３５０ｍｍ；主軸轉速（sù）範圍６１～１　０００ｒ／ｍｉｎ，１２級；進給速度５～２５０ｍｍ／ｍｉｎ（無（wú）級）；工件夾持直徑Ф６０ ～ Ф３００ ｍｍ；主電機Ｎ ＝３０ ｋＷ，ｎ ＝１４６０ｒ／ｍｉｎ．由於加工設備的（de）限製及嚴格的加（jiā）工要求，使得加工處於該機床加工範圍的臨界尺寸，這對深孔機床是（shì）個嚴（yán）峻挑戰，而輸油器又（yòu）兼顧多重的重（chóng）要作用，在加工中便出現（xiàn）了問題．
    
     

    
                              圖１　空心車（chē）軸

  
      ２．１　鑽削（xuē）加工缺陷（xiàn）
 
      １）當工（gōng）件夾緊後，啟動輸油器液壓裝置（zhì），輸油器內部結構即刻向前推（tuī）進２～３ｍｍ，導致加（jiā）工係統不穩定．
 
     ２）輸油器的前（qián）端如圖２所示（shì），加工０．５ｈ後溫度（dù）驟然升（shēng）高，用手接觸有明顯的燙手感覺．
  

     
  
                             圖２　輸油器頭部
 
     ３）軸承潤滑脂不斷泄漏，導致要不斷地加（jiā）潤滑脂，以防止軸承幹摩擦．
     ４）加工Ф６０孔時，加（jiā）工質量良好；而（ér）同樣的材料、參數，在加工Ф３０孔時，軸線偏斜嚴重，容易出現不合格品．實際加工（gōng）後（hòu）經測量壁厚值（zhí）為：內孔Ф３０．３６ｍｍ，壁厚（如圖１右（yòu））（５６．２６ｍｍ，５５．７０ｍｍ），（５４．６２ｍｍ，５７．３８ｍｍ）．

    ２．２　理論分析
 
    ２．２．１　輸油器力學（xué）分析
 
     在加工（gōng）Ф６０的通孔時，加工質量、機床運轉等都比較良好，當加工孔徑減小１／２時，使得鑽杆外壁與已加工表麵的環形空間減小（xiǎo），切削液流通量減小，切削液壓力升（shēng）高，使斷屑、排屑困難．輸油（yóu）器由液壓裝（zhuāng）置及牙輪包（bāo）由齒（chǐ）輪齧合夾緊，啟動機床（chuáng）輸油器內（nèi）部結構向前（qián）推進２～３ｍｍ，說明輸油器內部油壓過高，這（zhè）就需要降低切（qiē）削液的壓力以平衡工件夾緊力．
 
     輸（shū）油器的（de）係統結構，如圖３所示，計算液（yè）壓係統的夾緊力Ｆ夾緊（jǐn），及切削液對輸油器的推力Ｆ推（tuī）．
 
     已知在實際加工（gōng）中的夾緊壓力（lì）為２ＭＰａ，切削液壓（yā）力為１．５ＭＰａ，１ＭＰａ＝１０．２ｋｇ／平方厘米（mǐ）．查（chá）閱機械設計手冊［４］，

     式中：Ｓ１為支（zhī）撐軸的右端外截麵麵積；Ｓ２為支（zhī）撐軸的右端內截麵麵積；Ｓ３為空心軸（zhóu）內截麵麵積；Ｓ４為ＢＴＡ鑽頭外圓麵積；ｐ 為油壓壓強，ＭＰａ
  
     

   
                                 圖３　輸油器係統結構

  
     由於軸承（chéng）部分未定位，易發生錯位，向（xiàng）前推移３ｍｍ，由力學關係可以得出
  
     
  
     夾緊力Ｆ夾緊（jǐn）與工件對輸油器的推力為作用力與反（fǎn）作用（yòng）力，Ｆ夾緊遠（yuǎn）小於Ｆ推，而深（shēn）溝（gōu）球軸（zhóu）承（chéng）的內圈由空心軸２定位，導套座（zuò）又與（yǔ）空（kōng）心軸連（lián）接，工件與導套夾緊使得導套座、空心軸都得到定位（wèi），在切削液的作用下，軸承無法承受切削液的壓力，軸承的外圈與內圈發生錯位（wèi），這就（jiù）使得輸油器內部結構向前推進２～３ｍｍ，滾珠與內外圈之間發生摩擦，導致輸油器頭部溫度急劇升（shēng）高．
 
     ２．２．２　深（shēn）溝球軸承摩擦熱量的計算
 
     軸承運行產生的熱源（yuán）主（zhǔ）要是（shì）由接觸區的摩擦（cā）損失和滾動阻力共（gòng）同作用（yòng）的結果．運用Ａ．Ｐａｌｍｇｒｅｎ［５］通過實驗獲得的計算軸（zhóu）承摩（mó）擦（cā）力（lì）矩的經驗公式，摩擦力矩主要由空載時潤滑油粘性產生的摩擦力矩Ｍｏ和與速（sù）度無關的載荷作用產生的摩擦力矩Ｍｉ兩部分組成，摩（mó）擦力矩分配在內外溝道接觸區的局部分量為［６］
  
      
  
      式中：Ｄｉ為內圈溝道直（zhí）徑，ｍ；Ｄｏ為外（wài）圈溝道直徑；Ｄｂ為滾子直徑；Ｄｍ為滾子（zǐ）節圓直（zhí）徑；ｐｒ為當量動（dòng）載（zǎi）荷（有插值法計算其參數），Ｎ；Ｚ 為滾子數；ｆｏ
為決定於設計和潤滑的係數；ｆ１為決定於設計與載荷的係數；ｖｎ為潤滑脂的運動粘度；ｎ 為轉子的轉動頻率，ｒ／ｍｉｎ．摩擦熱等於摩擦力矩與轉速的乘積，對於內、
外圈溝道接觸（chù）區產生的摩擦熱分（fèn）別為（wéi）［７］
  
     
  
     ２．３　實驗驗證
   
     軸承的發熱（rè）量（liàng）與軸承的結構、載荷、潤滑和運動（dòng）等因素有（yǒu）關．通過（guò）分析可知引起軸承溫升的主要原因是軸（zhóu）承的摩擦力矩（jǔ）．軸承中的摩擦力（lì）矩主（zhǔ）要由三部分組成（chéng）：外載荷引起的摩擦力矩，粘性摩擦力矩（jǔ），自旋摩（mó）擦（cā）力矩［８］．實例中，由於軸承受力過大，潤滑脂不斷泄漏（lòu），其摩擦熱量的產生主要由外載荷作用引起．軸承內、外圈與滾動體接觸間隔很短，可以假設軸承內、外圈各個部位同（tóng）時與滾動體接觸，將滾動體簡化為一個圓環處理，根據６１８５２Ｍ 型深溝（gōu）球軸承參數（shù）（外徑Ｄｏ為３２０ｍｍ，內徑Ｄｉ為２６０ｍｍ，寬度為２８ｍｍ，滾動體直徑Ｄｂ為３０ｍｍ，滾動體個數２８，額（é）定靜載荷為１２８ｋＮ，軸承平均直徑Ｄｍ為２９０ｍｍ，額定動載荷為（wéi）９５ｋＮ），在Ｐｒｏ／Ｅ 中建立模（mó）型，導入Ｄｅｆｏｒｍ軟件進行模擬（nǐ）分析．實驗主要驗證其在外載荷作用下軸承運轉２０ｍｉｎ後的（de）溫度場分布．
 
      其分（fèn）布特點如圖４和圖５所示．圖（tú）４中，外圈與滾珠（zhū）接觸處溫度最高，可達１９８℃，由於外圈不動，吸收的熱量隻能靠外表麵於（yú）箱（xiāng）體的熱傳導及滾動體帶走熱量的方法散熱，此處受到大量的摩擦（cā）熱量來不及散出，從而使外圈的溫度很高；最低溫度分布在內（nèi）圈，為１２４℃．外圈（quān）的（de）溫度變化範圍（wéi）在１６０～１９８℃之間，滾珠的溫度變（biàn）化範圍在（zài）１４３～１９８℃之間；圖（tú）５ 中，內圈溫度（dù）變化在１２７～１６７℃ 之間．所用（yòng）潤滑脂的工作溫度範圍（wéi）在（zài）－２０～１２０℃，在外載（zǎi）荷的作用下軸承的最低溫度明顯高於其正常工（gōng）作溫度．
 

                        圖４　外載荷作用下溫度分布
 

                                   圖５　內圈溫度分布

     ３　、優化設計
   
     經過對問題的解析，得（dé）出了影（yǐng）響輸（shū）油器的最主要原因，即：切削液作用到輸油器的壓力過大（dà），流（liú）量減小．針對問題，在不更換輸油（yóu）器，不（bú）改變液壓係統及輸油器外部結構的基礎上，對輸油器內部係統加以優化設（shè）計改進［９－１２］．為解決問題的根本（減小力Ｆ），而Ｆ＝Ｓ×ｐ，ｐ 由液壓係統所決定，在（zài）不改變液壓係統的前提下，隻有減小切削液作用麵積Ｓ．在原（yuán）有輸油器的基礎上，拆除６１８５２Ｍ 型軸承組，嵌（qiàn）入如圖６所示輸油器結構（包括軸承座、軸承組（zǔ）、輸油器連（lián）接軸）取代原先的導套座、空心軸（zhóu）等組件，以用較小型號的６０２０型軸承組及軸承座，並加入輸油器連接軸代替，將（jiāng）輸（shū）油口安裝在輸（shū）油連接軸（zhóu）上，使得切削液隻是進入（rù）輸油連接軸的內部，作用（yòng）麵積也隻（zhī）是輸油連接軸的內部腔麵積．這樣既減小了切削（xuē）液的作用麵積（jī），減小了切削液作用力，也（yě）保證（zhèng）了斷（duàn）屑排屑所需油壓［１３］．同時，為拆卸簡便，連接軸用螺栓與（yǔ）軸承座連（lián）接（jiē）．當加工較大直（zhí）徑孔時可以將此結構拆除換（huàn）用原先的結（jié）構，使得此深孔機床得以充分（fèn）利用，擴大了其加工範圍．
 

                                   圖６　改進後輸油器
   
       改進後的輸油（yóu）器受力
  
      
  
      式中：Ｓ５為導套座的外截麵麵積．切削液作用到輸油器的壓力遠小於軸承的額定負荷，從而使軸承能夠正常運轉，產熱量控製在允許範圍（wéi）內．同時，由（yóu）於深孔加工技術和不同加工方法、不同刀具直徑，其（qí）油壓和流（liú）量是不同（tóng）的，一般根據實際（jì）操作中的（de）經（jīng）驗值選取，油壓、流量的配合，以能實現正常的排屑（xiè）為限．在ＢＴＡ鑽頭［１４－１５］上增加凹馳（如圖７和圖８所示（shì）），以增大通油量，使其配合油壓保障正常排屑．
 

              圖７　正常鑽頭（tóu）
 
      經改進後的輸（shū）油器（qì），根據相應的參數，用（yòng）上述同樣的實驗方法驗證輸油器軸（zhóu）承在運轉（zhuǎn）５ｈ後的溫度場，結果如圖９所示．溫度最高為１０３℃，分布在軸承的外圈；最低溫度為（wéi）５０．９℃，分布在內圈上（shàng）．其溫度處於（yú）潤滑脂的正常工作（zuò）溫（wēn）度範圍內．
 

     ４、　結　論
 
    通過實驗分析，軸承（chéng）在（zài）切削液的作用力下，溫度明（míng）顯升高，運轉２０ｍｉｎ後（hòu）其最低（dī）溫度也達到１２４℃，明顯高於（yú）潤滑脂的工作溫度範圍．針對遇到（dào）的問題，在不換輸（shū）油器，不（bú）改變液壓係統、油壓範圍及輸油器外部結構的基礎上，通過對輸油器內部結構的優化設計改進，減小了切削液（yè）作（zuò）用麵積，降低了切削液對輸（shū）油器的作用力；在（zài）鑽頭上加凹（āo）槽，增大了通流量，保障了正常排屑，使得切削液帶走更多的熱（rè）量，從而解決了輸油器發熱（rè）及係統不穩定的問題，確保了加工質量．