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用於（yú）鑽杆銑螺旋數控銑床的設計

2022-3-24 來源：中煤科（kē）工集團西安研究院有限公司作者：路前海

摘要：針對車間現有螺旋槽銑床設備故障（zhàng）率高、維修（xiū）時間長、無法加工（gōng）硬度比較（jiào）高的無磁鑽杆問題，設計了一種用（yòng）於螺旋鑽杆（gǎn）銑（xǐ）削加工的專用銑床。分別從（cóng）機械結構設計和液壓係統設計兩方麵詳細介紹了專用銑床的設計，通過相關參數計算選（xuǎn）擇了合適的工藝參數。加工試驗結果（guǒ）表明，專用銑床（chuáng）加（jiā）工出的螺旋槽質量達到預計（jì）效果，設（shè）備使用效果良好。

關鍵詞：螺（luó）旋鑽杆；數控（kòng）銑床；銑（xǐ）削

引言

整體式寬翼片螺旋（xuán）鑽杆與傳統的焊接式寬翼片螺（luó）旋鑽杆相比優勢明顯（xiǎn）：①采（cǎi）用銑削方式直接在鑽杆上（shàng）加工螺旋槽，鑽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（piàn）整體機械（xiè）性（xìng）能提高了2～3 倍，從（cóng）根（gēn）本上解（jiě）決（jué）了焊接（jiē）式寬翼片螺旋鑽（zuàn）杆耐磨性差、使用壽命偏低的問題；②鑽杆（gǎn）螺旋翼片和杆體為整（zhěng）體式結構（gòu），消（xiāo）除（chú）了（le）焊接螺旋翼片時對杆體的損傷和焊縫易開（kāi）裂等問（wèn）題，保證了鑽杆的（de）整體強（qiáng）度；③鑽杆整體抗扭（niǔ）能力較（jiào）同規（guī）格焊接式寬翼片螺旋鑽（zuàn）杆大（dà）幅提高。整體式螺旋鑽杆不僅（jǐn）可以進行（háng）鬆軟突出煤層瓦斯抽采鑽孔施工，也可以代替普通外（wài）平鑽杆進行常規回轉鑽進施工，能有效節省鑽具購（gòu）置成本。經過多年的市場培育，整體式螺旋鑽杆的需求量逐年遞增。

整體式螺旋鑽杆的銑螺旋工序作為螺旋鑽杆（gǎn）的關鍵加工工序，其生產效（xiào）率和加工質量直（zhí）接影響到螺旋鑽杆品質的（de）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（guò）程屬於（yú）斷續切削，且切削量（liàng）大，生產過程中機床承受（shòu）很大的衝擊力，加之（zhī）現（xiàn）有（yǒu）設備剛（gāng）度不足，造成機床（chuáng）極易出現故障，維修時間長，嚴重影響車間正（zhèng）常生（shēng）產（chǎn）；對於新研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（xiàn）有設備已經無法滿足生產需求（qiú）。為了解決現有專用銑床故（gù）障率（lǜ）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（tǐ）式螺（luó）旋鑽杆加工的專用銑床。

1、螺旋（xuán）鑽杆專用數控銑床總體設計

螺旋鑽杆專用銑床（chuáng）總體設計如圖 1 所（suǒ）示。上料裝置用於輔助鑽杆上料；床身用於固定銑（xǐ）床，保證銑床整體穩（wěn）定性；床身上安裝有工件旋轉進給裝置，主要為鑽杆提供動力，一方麵帶動鑽杆進行軸向移（yí）動，另一方麵可帶動鑽杆進（jìn）行旋轉運動；床身側麵設有泵站和控製係（xì）統，液壓泵站為係統提供液壓動力，控製係（xì）統控（kòng）可控製各動作之間先後順序；與床身前端固定聯接設有床（chuáng）頭箱，用於銑削基礎固定；床頭箱側麵設有排屑器（qì），用於收集加工時（shí）產生的鐵屑；床頭箱上沿鑽杆軸向對稱（chēng）分布有一對銑刀機構，用（yòng）於進行螺旋鑽杆整體銑削加工，銑刀前後兩側對稱設置（zhì）有跟（gēn）刀架，在銑削（xuē）加工時扶正鑽鑽杆，以降低鑽杆振動對刀（dāo）具的損傷，床頭箱前（qián）端設（shè）有下料裝置，用於鑽杆的下料。

（1）銑刀機構設計

銑刀機構由左右兩組機構組成，兩組機構（gòu）以工件軸線方向左右布置，其中 2 個銑刀成一定夾角布置。銑刀旋轉動力通過交流變頻（pín）電機經齒輪減速傳遞到銑刀上（shàng），進給由伺服電機驅動精密滾珠絲（sī）杠（gàng）後帶動銑刀機構整體進給，進給到位後液壓鎖緊（jǐn）機構鎖死，防止切削過程中銑刀（dāo）移位，安全可靠（kào）。銑（xǐ）刀機（jī）構根（gēn）據不同的（de）軸徑和導程需要，通過角度調整座變換相應的角度，每個安裝（zhuāng）座均有銑刀頭定位機（jī）構，確保銑（xǐ）刀頭旋轉中心始終保持（chí）不變。銑刀機構示意圖如圖 2 所示。

圖 1 螺旋鑽杆專用銑床總體（tǐ）結構圖

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

頭箱及護（hù）罩 6. 排屑器 7. 銑刀機構 8. 跟刀架 9. 下料裝置

圖 2 銑刀機構（gòu）示（shì）意圖

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

采用盤銑刀加（jiā）工螺旋鑽杆時（shí），兩側的受力情況不一致，鑽杆左側受到銑刀豎（shù）直向（xiàng）下的力，鑽杆右側則受到銑刀豎直向上（shàng）的力，如果左右兩側銑刀設置在同一平麵內（nèi），勢必會造成鑽杆左右側受力不均，易造成打（dǎ）刀現象，為此，將左側銑刀（dāo）整體墊高 0.1 mm，

右側（cè）銑刀整體下降 0.1 mm，以緩解（jiě）鑽杆受力不均情況。銑（xǐ）削（xuē）鑽杆（gǎn）受力示意圖（tú）如圖 3 所示。

（2）跟刀架設（shè）計

跟刀架由前後跟刀架和輔助跟刀（dāo）架兩部分組成，前後跟（gēn）刀（dāo）架設（shè）置在銑刀前（qián）後兩側，用於（yú）夾（jiá）緊扶正鑽杆，減少鑽杆振動對銑刀（dāo）盤的衝擊力（lì）；輔助跟刀（dāo）架設置在前跟刀架前方，用於輔助（zhù）人工卸鑽杆。前（qián）後跟刀架由（yóu）自定心夾緊機構組成，在鑽杆軸徑發生變化（huà）時也能保持鑽杆軸（zhóu）線位置不變，確保夾（jiá）緊穩定可靠。

輔助跟刀（dāo）架由一組油缸分別作用於 2 個鉗體，夾緊力可調，前輔助跟刀架還配有一組油缸和頂杆，主要用於拆卸鑽杆時輔助夾（jiá）持後端鑽杆，防止拆卸過程中後端鑽杆出現轉動，影響後續切削精度。

（3）工件（jiàn）旋轉給進裝置設計（jì）

旋轉（zhuǎn）機構由（yóu）伺服電機經蝸輪蝸杆（gǎn）減速後帶動氣動卡盤夾緊鑽杆旋轉；進給機構由（yóu）伺服電機經多級齒輪（lún）減速後驅動齒輪、齒條沿床身進給，進給機構和夾緊機構協同作用，根據不同的導程以（yǐ）適當（dāng）的旋轉速度和進給速（sù）度配合完成旋轉和進給動（dòng）作（zuò），確保螺旋槽導程（chéng）精度。

（4）床身（shēn）設計

床身作為整個設備的基礎（chǔ），應結（jié）實穩重、剛性大、承重能力強。床（chuáng）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性處理，以保（bǎo）證床身的整體性（xìng）能，選用重型直線導軌，結構穩定（dìng）、可（kě）靠。

2、液壓係統總體設計（jì）

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（dòng）作要求一致，以保證鑽杆（gǎn）同時被（bèi）抬起或（huò）者放（fàng）下，為此，液壓係統中設置有分流閥，保證各動作均勻一（yī）致（zhì）。輔助跟刀架、前後跟刀架、液壓鎖各部分的（de）工作壓力（lì）均不相同，但都共用 1 個液壓泵站，為此，各係統均設有減壓閥，以（yǐ）保證各部分所需壓力。跟刀架均設有（yǒu）液（yè）壓互（hù）鎖裝置，保證液壓缸在夾（jiá）緊（jǐn）時能相互鎖（suǒ）住，不發生移動。設有兩位（wèi）四通電磁換向（xiàng）閥，控（kòng）製（zhì）各組液壓缸的伸縮運動。

圖4液壓係（xì）統（tǒng）原理圖

1. 液壓油箱 2. 電機 3. 液壓泵 4. 安全閥 5. 單向閥 6. 減壓閥7. 壓（yā）力表 8. 兩位四通電磁換向閥 9. 分流閥 10. 液壓鎖11. 輔助跟刀架油缸 12. 後跟刀架油缸 13. 前跟刀架油缸 14. 液壓鎖油缸

3、工（gōng）藝（yì）參數設計

加工普通螺旋鑽杆，鑽杆硬度 HRC20～30，選用合金刀具。

經過計算，各（gè）項參數符合刀具使用範圍。

4、現場（chǎng）加工試驗

設備安裝調（diào）試完成後，驗證了設備各項功能，核驗了設備技（jì）術參數，試切鑽杆，各項功能、參數指標均正常，然（rán）後開始進行現場試運行（háng）試驗。加工完成準（zhǔn）73×3 000 mm、準89×3 000 mm 螺旋鑽杆，總共 60 根，槽寬 20 mm、槽（cáo）深 5 mm、導程 280 mm、2 頭。加工過程（chéng）中設備振動較小，設備噪聲在合理（lǐ）範圍內，螺旋槽表麵刀痕均勻分布，表麵無凸點、毛刺，螺旋槽深度、寬度均符合設（shè）計要求，螺旋槽質（zhì）量達到預期效果。

5、結語

針對車間現有專（zhuān）用銑（xǐ）床故障率高、維（wéi）修時間長以及無磁螺（luó）旋鑽杆生產效率低問題，結合車間實際情（qíng）況，研製一套適用於加工螺旋鑽（zuàn）杆銑（xǐ）螺旋工（gōng）序的專用銑床，通過計算得出銑削加工工藝參數，並進行了現場加工試驗（yàn）。試驗結果表（biǎo）明（míng），設計出的專用銑床加工出螺旋鑽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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