用於鑽杆銑螺旋數控銑床的設計
2021-2-19 來（lái）源： 中煤科工集（jí）團西（xī）安研究院 作者：路前海
摘要： 針對車（chē）間現有螺旋（xuán）槽（cáo）銑床設備故障率高、維修時間長、無法加工硬度比較高的無磁鑽杆（gǎn）問（wèn）題，設計了一種用於螺旋鑽杆銑削加工的專用銑床。 分別從機（jī）械（xiè）結構設計和液壓係統設（shè）計兩方麵詳（xiáng）細介紹了（le）專（zhuān）用銑床的設計，通過相關參數（shù）計算選擇了合適的工藝參數。 加工試驗結（jié）果表明，專用銑床加工出的螺旋槽質量達到預（yù）計效果，設備使用（yòng）效果良好。
關鍵詞： 螺（luó）旋鑽杆； 數（shù）控銑床； 銑（xǐ）削
0 引言
整體式寬翼片螺旋鑽杆與傳統的焊接式寬翼片螺（luó）旋鑽杆相（xiàng）比（bǐ）優勢明顯：①采用銑削方式直接在鑽（zuàn）杆上加工螺旋槽，鑽（zuàn）杆螺旋翼片與杆體同材質，相對於焊接式螺旋鑽杆，螺旋翼片整體機械性能提高了2～3 倍 ，從根本（běn）上解決了焊接式（shì）寬翼片螺旋鑽杆 耐磨性差、使（shǐ）用（yòng）壽命偏（piān）低（dī）的問題；②鑽杆螺旋翼片和杆（gǎn）體為整（zhěng）體式結構（gòu），消除了焊接螺旋翼片時對杆體的損傷（shāng）和焊縫易（yì）開裂等問題，保證了鑽杆的整體強度；③鑽杆（gǎn）整體抗扭能力較同規格焊接式寬翼片螺旋鑽杆大幅提高（gāo）。 整體式螺旋鑽杆不僅可以進行鬆軟突出煤層瓦斯抽采（cǎi）鑽孔施工，也可以代替普（pǔ）通外平鑽杆（gǎn）進行（háng）常規回轉鑽進施工，能有（yǒu）效節（jiē）省鑽具購置成本（běn）。 經過多年的市場培育，整體式螺旋鑽（zuàn）杆的（de）需求量逐年遞（dì）增。
整體（tǐ）式螺旋鑽杆的銑螺旋工序作為螺旋鑽杆的關鍵加工工序，其生產效率和加工質量直接影響到螺旋鑽杆品質的好壞。 目前該工序隻能依靠專用銑床設備加工，因螺旋鑽杆銑削過程屬於斷續切削，且切削量大，生（shēng）產（chǎn）過（guò）程（chéng）中機床（chuáng）承受很大的衝擊力，加（jiā）之現有（yǒu）設備剛度（dù）不足，造成機床極易出現故（gù）障，維修時間長，嚴重（chóng）影響車間正常生產；對於新研發的整（zhěng）體式無磁螺旋鑽杆，機械（xiè）強度高、韌性好（hǎo）、加工難度大，現（xiàn）有設備（bèi）已經（jīng）無法滿足生產需求（qiú）。 為了解決現有專用銑（xǐ）床故障率高、無磁螺旋鑽杆生產效率低的難題，研發了一種更適用於整體式螺旋鑽杆加工的專用銑床。
1、螺旋（xuán）鑽杆（gǎn）專用數（shù）控（kòng）銑床總體設（shè）計
螺旋（xuán）鑽杆專用（yòng）銑床總體設計如圖 1 所示。 上（shàng）料裝置用於輔（fǔ）助鑽杆上料；床身用於固（gù）定（dìng）銑床（chuáng），保證銑床整體穩定性；床（chuáng）身上安裝有工件旋轉進給裝置，主要為鑽杆提（tí）供動力，一方麵帶動鑽杆（gǎn）進行（háng）軸向移動（dòng），另一方麵可帶動鑽杆進行旋轉運（yùn）動；床身側（cè）麵設有泵站和控（kòng）製係統，液壓泵站為係統提供液壓動力，控製係統控（kòng）可控製各動作（zuò）之間先（xiān）後順序；與床身前端固定聯接設有床頭箱，用於銑削基礎固定（dìng）；床頭箱側麵設有排屑器，用於收集（jí）加工時產生的鐵屑（xiè）；床頭箱上沿鑽杆軸向對稱分布有一對（duì）銑刀機構，用於進行螺旋鑽杆整（zhěng）體銑削加工，銑刀前後兩側對稱設置有跟刀架，在銑削（xuē）加工時扶正鑽（zuàn）鑽（zuàn）杆，以降低鑽杆振動對刀具的損傷，床頭箱前端（duān）設有下料裝置，用於鑽杆（gǎn）的下料。
圖 1 螺旋鑽杆專用銑床總體結構圖
1. 上料裝置 2. 床身 3. 泵站及電（diàn）控係統 4. 工件旋轉給進裝置（zhì） 5. 床
頭箱及護罩 6. 排屑器 7. 銑刀機構 8. 跟刀架 9. 下料裝置
（1）銑刀機構設計
銑刀機構由左右兩組機構組成， 兩組機構以工件軸線方向左右（yòu）布置， 其中 2 個銑刀成（chéng）一定（dìng）夾角布置（zhì）。 銑刀旋轉動力通過交流變頻電機經齒輪減速傳遞到銑刀上，進給由伺（sì）服電機驅動精（jīng）密滾珠絲杠後帶動銑刀機構整體進給，進給到位後液壓（yā）鎖緊機（jī）構鎖死（sǐ），防止切削（xuē）過程中銑刀移位，安全可靠。 銑刀機構根據不同（tóng）的軸徑和導程（chéng）需要，通過角度調（diào）整座變換相（xiàng）應的角（jiǎo）度，每個安裝座均有銑（xǐ）刀頭定位機構，確保銑刀頭旋轉中心始終保持不變（biàn）。 銑刀機構示意圖如圖 2 所示。
圖 2 銑刀機構示意圖（tú）
1. 伺服（fú）電機 2. 導軌（guǐ） 3. 銑刀盤 4. 齒輪箱 5. 交流電機 6. 導程架（jià）
采（cǎi）用盤銑刀加工（gōng）螺旋鑽杆時，兩（liǎng）側的受力情況不一致，鑽杆左側受到銑（xǐ）刀豎直向下的力，鑽杆右側則受到銑刀豎直向上的力，如果左右兩側銑刀設置在同一平麵內，勢必（bì）會造成鑽杆左右側受力（lì）不均，易造成打刀現象，為此，將（jiāng）左側銑刀整體墊高 0.1 mm，右側銑刀整（zhěng）體下降 0.1 mm，以緩解鑽杆受力不均情況。 銑削鑽杆受力示意圖如圖 3 所示。
圖（tú） 3 銑削（xuē）鑽杆受力示意圖
. 垂直（zhí）紙麵向外的（de）力 . 垂（chuí）直紙麵向內的力（lì）
（2）跟刀架設計
跟刀架由前後跟（gēn）刀架和輔助跟刀架兩部分組成，前後跟刀（dāo）架設置在銑刀前後兩側，用於夾緊扶（fú）正（zhèng）鑽杆，減少（shǎo）鑽杆振動對銑刀（dāo）盤的衝擊力；輔助跟刀架設置在前跟刀架前方，用於輔助人工卸鑽杆。 前（qián）後跟刀架由自定心夾緊機構組成，在（zài）鑽杆軸徑發生變化時也（yě）能保持鑽杆軸線位置不變，確保夾緊穩定可靠。
輔助跟刀架由一組油缸分別（bié）作用於 2 個鉗體（tǐ），夾緊力可調，前輔助跟刀架還配有一組油缸（gāng）和頂杆，主（zhǔ）要用於拆卸鑽杆時輔助（zhù）夾（jiá）持後端鑽杆，防止拆卸過程中後端鑽杆出現轉動，影（yǐng）響後續切削精度。
（3）工件旋轉給進裝置設計
旋轉機構由伺服電機經蝸輪蝸杆減（jiǎn）速後帶動氣動卡（kǎ）盤夾緊鑽杆旋轉；進給（gěi）機構由伺服（fú）電機經多級齒輪減速後（hòu）驅動齒輪、齒條沿床身進給，進（jìn）給機構和夾緊（jǐn）機構協同（tóng）作用，根據不同的導（dǎo）程以（yǐ）適當的旋轉速度和進給（gěi）速度配合完（wán）成旋轉和進給動作，確保螺（luó）旋槽（cáo）導程精度。
（4）床身設（shè）計
床身作（zuò）為（wéi）整個設備的基礎，應（yīng）結實（shí）穩（wěn）重、剛性大（dà）、承重能力強。床身采用（yòng）焊接結構，內（nèi）部設置加強肋板，在進行機械加工前必須進行二次定性處理，以保證床身的整（zhěng）體性（xìng）能，選用重型直線導軌，結構穩定、可靠。
2 、液壓係統總體設計
液壓係統總體原理圖如圖 4 所示，前跟刀架油缸、後跟刀架油缸動作（zuò）要求一致，以保證鑽杆同時被抬起或（huò）者放下，為此，液壓係統中設（shè）置有（yǒu）分流閥，保證各動作（zuò）均勻一致。 輔助跟刀架、前後跟刀架、液壓（yā）鎖各部分的工作壓力均不相同，但都共用 1 個液壓泵站，為此，各係統均（jun1）設有減壓閥，以保證各部分所需壓力。跟刀架均設有液壓互鎖裝置，保證液壓缸在夾緊時能相互鎖住，不發生移動。設（shè）有兩位四通（tōng）電磁換向（xiàng）閥，控（kòng）製各組液壓缸的伸縮運動。
圖（tú） 4 液壓係統原理圖
1. 液壓油箱 2. 電機 3. 液壓泵 4. 安全閥 5. 單向閥 6. 減壓（yā）閥
7. 壓力表 8. 兩位（wèi）四通電磁換向閥 9. 分流閥 10. 液（yè）壓鎖
11. 輔跟刀架油缸 12. 後跟刀架油缸 13. 前跟刀架油缸（gāng） 14. 液壓鎖油缸
3 、工藝參（cān）數設計（jì）
加工普通螺旋鑽杆，鑽杆硬度（dù） HRC20～30，選用合金刀具。
經過計算，各項參數符合刀（dāo）具使用範圍。
4、 現場加工試驗
設備安裝調試完成後，驗證了設備各項功能，核驗了設備技術參數，試切鑽杆，各項功（gōng）能、參數指標均正常，然後開始進行現場試運行試驗。 加工完成準73×3 000 mm、準89×3 000 mm 螺旋鑽杆，總共 60 根，槽寬（kuān） 20 mm、槽深（shēn） 5 mm、導程 280 mm、2 頭（tóu）。 加工過程中設備振動較小，設（shè）備噪聲（shēng）在合理範圍內，螺旋槽表麵刀（dāo）痕均勻分布，表麵無凸（tū）點、毛刺，螺旋槽深度、寬度均符合設計要求，螺旋槽質量達（dá）到預（yù）期效（xiào）果。
5 、結語（yǔ）
針（zhēn）對車間現有專用銑床故障率高、維修時間（jiān）長以（yǐ）及無磁螺旋（xuán）鑽杆生產效率低問題，結合車間實際情況，研製一套（tào）適（shì）用於（yú）加工螺旋鑽杆銑螺旋工序的專用銑床，通過計算得出銑削（xuē）加工工藝參數，並進行了現場加工試驗。試驗結果表明，設計出的（de）專用銑床加工出螺旋鑽（zuàn）杆的螺旋槽質量符合產品設計要求，設備使用效果良好。
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