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用於鑽杆銑螺（luó）旋數控（kòng）銑床（chuáng）的設（shè）計

2021-3-9 來源（yuán）：中煤科工（gōng）集團西安研究院有限公司作者：路前海

摘要（yào）：針對車間現有螺旋槽銑床設備故障率高、維修（xiū）時間長、無法加工硬（yìng）度比較高的無磁鑽杆問題，設計了（le）一種用於螺旋鑽杆銑削加（jiā）工的專用銑床。分別從機械結構設計和液壓係統（tǒng）設計兩方麵（miàn）詳細介紹了專（zhuān）用銑床的設計，通過相關參數計算選擇了合適的工藝參數。加工試驗結果表明，專（zhuān）用銑（xǐ）床加工出（chū）的螺旋槽質量達到預計效果，設備使用（yòng）效果良好。

關鍵（jiàn）詞：螺旋鑽杆；數控銑（xǐ）床；銑削

0 引言

整體（tǐ）式寬翼（yì）片螺旋鑽杆與傳統的焊接式寬翼（yì）片螺旋鑽杆相比優勢明顯：①采用銑削方式直接在鑽杆上（shàng）加工螺旋槽，鑽（zuàn）杆螺旋翼片與杆體（tǐ）同材（cái）質，相對於焊（hàn）接式螺旋鑽杆，螺旋翼片整體機械性能提高（gāo）了2～3 倍，從（cóng）根本上解決了焊接式寬翼片螺旋鑽杆耐磨性差、使用壽命（mìng）偏低的問題；②鑽杆（gǎn）螺旋翼片和（hé）杆體為整體式結構（gòu），消除了焊接螺旋翼片時對（duì）杆體的損（sǔn）傷和焊縫易開（kāi）裂等問題，保證（zhèng）了鑽杆的整體強度；③鑽杆整體抗扭能力較同規格焊接式寬翼片螺旋鑽杆（gǎn）大幅提（tí）高。整體式螺旋鑽杆不僅可以進行鬆軟突出煤層瓦斯抽采鑽孔施工，也可以代替普通（tōng）外平（píng）鑽（zuàn）杆（gǎn）進行常規回（huí）轉（zhuǎn）鑽進（jìn）施工，能有效（xiào）節省鑽具購置成本。經過（guò）多年的市場培育，整體式螺旋（xuán）鑽杆（gǎn）的需求量逐（zhú）年遞增。

整體式螺旋鑽杆的銑螺旋工序作為螺旋鑽杆的關（guān）鍵加工工序，其生產效率（lǜ）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（kào）專用銑床設（shè）備加工，因螺旋鑽杆銑削過程屬於斷續切削，且（qiě）切削量大，生產過程中機床承受很大的衝擊力，加之現有設備剛度不足，造成（chéng）機床極易出現故障，維修（xiū）時間長（zhǎng），嚴重影響車間正常生產；對於新研（yán）發的整體式無磁螺旋鑽杆，機（jī）械強度高、韌性好、加工難度大，現有設備已經無（wú）法滿足生產需求。為了（le）解決現有（yǒu）專（zhuān）用銑床故障率高、無磁螺旋鑽杆生（shēng）產效率（lǜ）低（dī）的難題，研發了一種更適用於整體式螺（luó）旋鑽杆加工的專用銑床。

1、螺旋鑽杆專用數控銑床總體設計

螺（luó）旋鑽杆專用銑床總（zǒng）體設計如圖 1 所示。上料裝置用於輔助鑽杆上料；床身用於固定（dìng）銑床，保證銑床整體穩定性；床（chuáng）身上安裝（zhuāng）有工件旋轉進給裝置，主要（yào）為鑽杆提供動力，一方麵帶動鑽杆進行軸向移動，另一方麵可帶動（dòng）鑽杆進行旋轉運動（dòng）；床身側麵（miàn）設有泵站和控製係統，液壓泵站為係統提供液壓動力，控製係統控可（kě）控製各（gè）動作之間先後順序；與床身前端固定聯接設有床頭（tóu）箱，用於（yú）銑削基（jī）礎固定（dìng）；床頭箱側麵設有排屑器，用於收集加工時產生的鐵屑；床（chuáng）頭箱上沿鑽杆軸向對稱分布有一對銑刀機構，用於進行螺旋鑽杆整體銑削加工，銑刀前後兩側對稱設置有跟刀架，在銑削（xuē）加工時扶（fú）正鑽鑽杆，以降低鑽杆振動對刀具的損傷，床頭箱前端（duān）設有（yǒu）下料裝（zhuāng）置，用於鑽杆的下料。

圖 1 螺旋鑽杆專用銑（xǐ）床總體結（jié）構圖

1. 上料裝置 2. 床（chuáng）身 3. 泵站及電控係統 4. 工件旋轉給進裝置 5. 床

頭箱及護（hù）罩 6. 排屑器 7. 銑刀（dāo）機構（gòu） 8. 跟（gēn）刀架 9. 下料裝置

（1）銑刀機構設計

銑刀機構由左右兩組機（jī）構組成，兩組機構以工件軸線方向左右布置，其中 2 個銑刀成一定夾角布置。銑刀旋轉動（dòng）力通過交流變頻（pín）電機經齒輪減速傳遞到（dào）銑刀上，進給由伺服電機驅動精密滾珠絲杠（gàng）後帶動銑刀機（jī）構整體進給，進給到位後液壓鎖緊機構鎖死，防（fáng）止切（qiē）削（xuē）過程中銑刀移位（wèi），安全可（kě）靠。銑刀（dāo）機構根據不同的軸徑（jìng）和導程（chéng）需要，通（tōng）過角度調整座變換相應的（de）角度，每個安裝座均有銑刀頭定位機構，確（què）保銑刀頭旋轉中心始終保持不變。銑刀機構示意圖如（rú）圖 2 所（suǒ）示。

圖 2 銑（xǐ）刀機構示意圖

1. 伺服電機 2. 導軌 3. 銑刀盤 4. 齒輪箱 5. 交流電機 6. 導程架（jià）

采用盤銑（xǐ）刀加工螺旋鑽杆時，兩側的受力情況不一致（zhì），鑽杆（gǎn）左（zuǒ）側受到銑刀豎直向下（xià）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（shì）必會造成鑽杆左右側受力不均，易造成打刀現象，為此，將左側銑刀整體墊高 0.1 mm，右（yòu）側銑刀整體下降 0.1 mm，以（yǐ）緩解鑽杆受力不均情況。銑削（xuē）鑽杆（gǎn）受力示意圖如圖 3 所示。

圖 3 銑削鑽杆受力示意圖

. 垂直紙麵向外的力 . 垂直（zhí）紙麵（miàn）向內的力（lì）

（2）跟刀架（jià）設計（jì）

跟刀架（jià）由前（qián）後跟刀架和輔助跟刀架兩部分組成，前後跟刀架設置在銑刀前（qián）後兩側，用於夾緊扶正鑽杆，減少鑽杆振動對銑刀盤的衝擊力；輔助跟刀架設（shè）置在前（qián）跟刀架前（qián）方，用於輔助人工卸鑽杆。前後跟刀架由自定心夾緊機構組成，在鑽杆軸徑發生變化時也（yě）能保持鑽（zuàn）杆軸線位置不（bú）變，確（què）保（bǎo）夾緊穩定可靠。

輔助跟刀架由一（yī）組油缸（gāng）分別作用於（yú） 2 個鉗（qián）體（tǐ），夾緊力（lì）可調，前輔助（zhù）跟刀架還（hái）配有（yǒu）一組油缸和頂杆（gǎn），主要用於拆卸（xiè）鑽杆（gǎn）時輔助夾持（chí）後端鑽杆，防止拆卸過程中後端鑽杆出（chū）現轉動，影響後續切（qiē）削精度。

（3）工件旋轉給進裝置設計

旋轉機構由伺服電機經（jīng）蝸輪蝸杆減速後帶動（dòng）氣動卡盤夾（jiá）緊鑽杆旋轉；進給（gěi）機構由伺服電機經多級齒輪減速（sù）後驅動齒輪、齒（chǐ）條沿床（chuáng）身進給，進給機構和（hé）夾緊機構（gòu）協同作用，根據不（bú）同的導程以適當的（de）旋轉速度和進給速度配合完成（chéng）旋轉和進給動（dòng）作，確保螺旋槽導（dǎo）程精度。

（4）床身設計

床身作為整個設備的基礎，應結實穩重、剛（gāng）性大、承重能力強。床身采用焊接結構，內部設置加強肋板，在進行機械加工前必須進行二次定（dìng）性處理，以保證床身的整（zhěng）體性能，選用（yòng）重型直線（xiàn）導軌（guǐ），結（jié）構穩定、可靠。

2、液壓係統總體設計

液（yè）壓（yā）係統總（zǒng）體原理圖（tú）如圖 4 所示，前跟刀架油缸、後跟刀架油缸動作要求一致（zhì），以保證鑽杆同時被抬起或者放下，為此，液壓係統中設置有分流（liú）閥（fá），保證各動作均勻一致。輔助跟刀架、前後跟刀架、液壓鎖各部分的工作壓力均（jun1）不相同，但都共用 1 個液壓泵站，為此，各係統（tǒng）均設有（yǒu）減（jiǎn）壓閥，以保證各部分所需壓力。跟刀架均（jun1）設有液（yè）壓互鎖裝（zhuāng）置，保（bǎo）證液壓缸在（zài）夾緊時能相互鎖住，不發生移動。設（shè）有兩位四（sì）通（tōng）電磁換向閥，控製各組液壓缸的伸縮運動。

圖 4 液壓（yā）係（xì）統原理圖

1. 液壓油箱 2. 電機 3. 液壓泵（bèng） 4. 安全（quán）閥 5. 單向閥 6. 減壓閥

7. 壓力表 8. 兩位四通電磁換（huàn）向閥 9. 分（fèn）流閥 10. 液壓鎖

11. 輔（fǔ）助跟刀（dāo）架油缸 12. 後跟刀架油缸 13. 前跟刀架油缸 14. 液（yè）壓鎖油缸

3 、工藝（yì）參數設計

加工普（pǔ）通螺旋鑽杆，鑽杆硬度（dù） HRC20～30，選用合金刀具。

經過計算，各項參數符合刀具使用範圍。

4、現場加工試驗

設備安裝（zhuāng）調試完成後，驗證了設備各（gè）項功（gōng）能，核（hé）驗了設備（bèi）技術參數（shù），試切（qiē）鑽杆，各項功（gōng）能、參（cān）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 20 mm、槽深 5 mm、導程 280 mm、2 頭（tóu）。加（jiā）工過程中設備振（zhèn）動較（jiào）小，設備噪聲在合理範圍內，螺旋槽表麵刀痕均勻分布（bù），表麵無凸點、毛（máo）刺，螺旋槽深度（dù）、寬度均符合設計要求（qiú），螺（luó）旋槽質量達到預期效果。

5 、結語

針對車（chē）間現有專用銑床（chuáng）故（gù）障率高、維修時間長（zhǎng）以及無磁螺旋鑽（zuàn）杆生（shēng）產效率低問題，結合車間實際情（qíng）況，研製一套適用（yòng）於加工螺旋鑽（zuàn）杆銑螺旋工序的專（zhuān）用銑床，通過計算得出銑削加工工藝參數，並進行了現場加工試驗。試驗結果表明，設計出的專用銑床加工出螺旋鑽杆（gǎn）的螺旋槽質量符合產品設計要求，設備使用效果（guǒ）良好。

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