1 機床主軸中的深孔（kǒng）及DF 係統簡介

      在整個機床（chuáng）主軸的製造過程中，加工主軸鬆（sōng）拉刀孔（kǒng）是製約主軸規模化生（shēng）產的主要瓶頸之（zhī）一。鬆拉刀孔位於主軸中心，是一個貫穿整個主軸全長的通孔，通過這個孔，拉刀杆將刀柄拉緊並定位於主軸前（qián）端的錐麵上，如圖1 所示。按照對深孔的界定，任（rèn）何孔深大於（yú）10 倍直徑都應稱為深（shēn）孔。通過對主（zhǔ）軸序號為40 和50的兩類鏜、銑類主軸（zhóu）的統計發現（xiàn），主軸拉刀孔的深徑（jìng）比在26. 6 ～ 35 之間，均屬於深（shēn）孔。

      鬆（sōng）拉刀孔之所以成為製約主軸生產的瓶（píng）頸有兩方軸（zhóu）深（shēn）孔DF 係統麵（miàn）的原因。其一，由於主軸經過鍛造後為（wéi）一實心圓（yuán）柱料，在實心料上用普通麻花鑽鑽深孔是不得已才采用的一種方法，因而也就成了最費工，費時的一項工作（zuò）。僅鑽孔就占用了整個粗車（chē）工序近1 /2 ～ 2 /3 的時間，孔的精度也隻能達到IT11 ～ IT14 級，孔軸線的直線度偏斜量在（zài）實際加工過程中達到1 ～ 2 mm( 在600 mm 長度上測（cè）量) 。而且此孔是後序（xù）中加工外圓的工藝基準，孔的質量對後序影（yǐng）響很大，必須給予足（zú）夠的重視。

      其（qí）二，現代機床製造技術（shù）向著高速、高精度的方向發展（zhǎn），目前國內外加工中心（xīn）的主軸最高轉速（sù）一般在8 000 ～ 12 000 r /min，而采用電主軸的高速機床主軸轉速則更高。當機床的主軸在高速旋轉（zhuǎn）時，即使隻有很小的偏心距，也會產生非常（cháng）大的不平衡離心力。不（bú）平衡量引起的振動和噪聲會（huì）很（hěn）大，使機床主軸（zhóu）無法達到設（shè）計的轉速。根據平衡程度等級的推薦值，機床主軸的平衡精度定為G1，這時主軸組件整體的偏心量也僅為幾個微米。雖然整個主軸組件的組成零件嚴格（gé）按對稱性（xìng）來設計，但主（zhǔ）軸孔內的偏斜（xié）量就遠遠超（chāo）過這個限度，即使在後續加工工序中多次從外圓上去除材料來修正中心，但無法校正孔自身直線度（dù）差的缺陷，所以對於主軸部件來說還是很難達到高的平衡精度。故主軸深孔的加（jiā）工問題不（bú）僅影響生產效（xiào）率（lǜ），而且還成了製約技術提高的瓶頸。

      目（mù）前應用的深孔加工係（xì）統可大致分為5 種基本類型: ( 1) 帶油孔的深孔麻花鑽係統; ( 2) 槍鑽（zuàn）係統; ( 3) BTA 係（xì）統; ( 4) 噴吸鑽係統; ( 5) DF 鑽係統。但從（cóng）可能（néng）加工的（de）深度、加工（gōng）精度（dù）及加（jiā）工效率（lǜ）方（fāng）麵來看（kàn），能代表現代深孔加工技術（shù）發展方向的是（shì）槍鑽係統、BTA 係統、噴吸鑽係統和DF 鑽係統。這4 種深孔（kǒng）加工（gōng）係統有2個共同之處: ( 1) 采用有自導向作用的硬質合（hé）金刀具實現高速高精度加工，加工質量、加工效率大大提高; ( 2) 都采（cǎi）用高壓切削液排出切屑，潤滑（huá）刀具（jù）。

      深孔加工有實體鑽（zuàn）削、擴孔及套料鑽3 種工藝方（fāng）法，鑽孔的（de）深徑比達到50 ～ 100，加工孔精度可（kě）達IT7～ IT11 級，孔的軸線偏斜（xié）量一般為0. 1 ～ 0. 3 mm/m，且生產效率較高，一（yī）次鑽削就達到半精加工能（néng）達到的精度及表麵粗糙度。

      DF 係統是英（yīng）文（wén）“Double Feeder”的縮寫，亦叫“單管噴吸（xī）鑽”或“雙加油器深孔（kǒng）鑽”，見圖2。它結合了當前深（shēn）孔內排屑加工的兩種方法———噴吸鑽吸出切屑及BTA 鑽推出切屑各自優點的一種加工（gōng）係統（tǒng）。其工作（zuò）原理為: 切（qiē）削時約占總量2 /3 的冷卻液由（yóu）孔的（de）內壁與鑽杆外（wài）徑之間的縫隙到達切削區，把切屑從鑽杆內部推出，而另一小部分冷卻液( 約占1 /3) 則從分路管中進入噴嘴並向後噴射，流速增大形（xíng）成噴射流。根據能量守恒原理( 伯努（nǔ）力方程) ，當比（bǐ）動能增大，則比壓能下降（jiàng），因此在這股噴射流的（de）周圍形成低壓區，這樣在鑽管的前、後端存在一定的壓（yā）力（lì）差，產生一定的“吸力”，加速（sù）前（qián）端有切屑的冷卻（què）液向（xiàng）後流動，把切屑排出，所（suǒ）以特別（bié）適用於12 mm 以上的中小直徑（jìng）深孔加工。在可加工性差，不易斷屑的（de）材料中使用時效果更為明顯。

      2 方案分析（xī）與設計

      在（zài）對主軸深孔的加工過程進行分析和對幾種深孔加工方法做比較之後，我們最終選擇采用DF 深孔加工係統，確定了在普通車床上通過技術改造，自主設計DF 係統深孔加工所需的授油器、動力頭（tóu）及冷卻箱等主要部件，鑽頭和鑽杆選擇外購的總（zǒng）體方案。

      由於深孔技術屬於複雜（zá）的機（jī）械加工過程，有其獨（dú）特的工作機理，自主設計其主要部件必須要對深孔加工知識和工藝過程有深入了解之後才能（néng）進（jìn）行。另外（wài）這項工作還涉及到加工、刀具（jù）、流體、機（jī）械結構、密封、檢測與（yǔ）控製等多方（fāng）麵的知識，總的來說難度不（bú）小。下麵從主軸深孔的加工工藝和DF 係統的主（zhǔ）要部件設計要點兩方麵來做說明。

      2． 1 對主軸深孔加工工藝的（de）分析

      機床主軸屬於回轉類（lèi）零件，在對（duì）我公司（sī）40 及50序號的（de）主軸單元（yuán）作統計後得出如下數據: 材料通常為滲碳合金鋼12 CrNi3、20 Cr2Ni4 及調製合金鋼40Cr等，長度小於1 000 mm，直（zhí）徑小於150 mm，孔徑範圍為18 ～ 54 mm; 鑽孔前經正火或調質處理，硬度為150 ～ 260 HB。其中適（shì）於深孔加工的孔有通過拉杆的通孔( 18 mm 及（jí）28 mm，深徑比25 ～ 35) 及碟（dié）簧安裝孔( 33 mm 及54 mm，深徑比10 ～ 15) 。下麵以合金（jīn）滲碳鋼材料的（de）主軸為例（lì）來說（shuō）明。

      在主軸的加工（gōng）工藝中，深孔加（jiā）工一般安排在主軸的預處理階段（duàn）進行。主軸在淬火前的工序為: 鍛造—正火( 校直，彎曲度小於0. 5 mm) —粗車外圓及兩端麵（miàn）—鑽（zuàn）深孔—滲碳（tàn）( 校直（zhí），彎曲度小於0. 2 mm) —找正內孔車外圓、車內孔及擴孔等—鹽浴淬火。淬火後由於（yú）工件硬（yìng）度提高，僅對非淬火（huǒ）部位進行切削加工，而對於淬火部（bù）位（wèi）隻能進行磨削，所以主要的切削過程及材料去除量要求在淬火前完成。

      深孔加工適用於工件批量大（dà）、孔徑規格單一的場合。因（yīn）為對每種孔徑需要配備相應規格的鑽頭、鑽管及其他附具，所（suǒ）以在使（shǐ）用時就（jiù）應最大程度地減少或統一孔徑規格，這樣不僅使刀附具的種類少，便於管理，也有利於加工成本的降低。而生產現（xiàn）場的情況卻（què）與此要求相差很遠，企業內產品品種多，主軸的結構（gòu）類（lèi）型和（hé）尺（chǐ）寸也（yě）不盡相同，若要深孔加工技術去（qù）適應這（zhè）種多規格的加工對象是很不（bú）適宜的，那（nà）麽如何將深孔加工技（jì）術應用到機床主軸的加工（gōng）中去，這給我們出了一道難題。

      對於機床主軸中像鬆拉刀（dāo）孔這類孔，應用深孔加工技術的目的主要是提高效率和降低勞動強度，並為孔及外圓的（de）後序加工提供（gòng）一個好的基準。所以我們采用如下（xià）的（de）方法: 在工件( 主軸) 還是（shì）實心料狀態時，將不同（tóng）種類（lèi）主軸（zhóu）上鬆拉刀（dāo）的孔的孔徑統一成一至兩種，采用深孔（kǒng）加工方法完成通孔加工，而像碟簧安裝孔（kǒng）等其餘規格的孔再以通孔為基礎用麻花鑽擴孔來完成。

      此方法（fǎ）的優點是，將不同種類的工件統（tǒng）一匯總後使工件的批量得到加大，孔徑規格得到統一，可以充（chōng）分發（fā）揮深孔加工（gōng）技術在實心（xīn）料鑽孔中的高效和高精度的優勢，而對（duì）其餘深徑（jìng）比不大的各孔，在通孔的基礎上進行擴孔其加工難度也比以前大大降低，不再成為影響生產進度的一個瓶頸問題。

      2． 2 DF 係統主要部件的設計要求

      ( 1) 授油器結構設計（jì）

      授油器的主要功能是為鑽頭提供穩定的（de）、帶壓力的切削液。授（shòu）油器（qì）安（ān）裝在車（chē）床的導軌上( 圖3) ，工作（zuò）時靠緊工件端麵、密封切削液、並隨（suí）著工件旋（xuán）轉。當工件的（de）長度改變時還應便於移動和拆卸。授油器前端隨工件進行低速旋轉，後端隨鑽（zuàn）杆高速旋（xuán）轉（zhuǎn），在鑽杆方向還要有一定的移動量，以便於與工件端（duān）麵密封、工件裝（zhuāng）夾、鑽頭裝卸和檢查。授油器前端的導向套定心精度要（yào）求高，磨損後要便於更換。該授（shòu）油器（qì）的設計工作範圍是從15 ～ 65 mm，覆蓋整個DF 係統深孔鑽適宜的加工範圍。

      ( 2) 連接器及傳動機構設計

      這部分結構的主要功能是為鑽管提供動力和在鑽杆末（mò）端產生吸出切屑的負（fù）壓。連（lián）接器固定在車床的（de）溜板箱上，隨溜板（bǎn）箱的移動產生進給。設計的加工範圍是（shì）18. 4 ～ 28 mm，能滿足（zú）常用的從40 號（hào）主軸到50 號（hào）鏜、銑類加（jiā）工中心主軸的深孔加工。由於深孔加工對切（qiē）屑的形狀有特殊的（de）要求，需要切削速度和（hé）進給量的配合來實現對不同材料切屑形狀的控製，以滿足排屑的要（yào）求。這需要鑽頭的速度在一定的範圍能調整，另外當孔徑不同時（shí），鑽頭的轉速也應隨著變化，以滿足功效的要求。所以（yǐ）鑽頭的驅動（dòng）裝置還應有調速功能，此功能用變頻器來實（shí）現。

      ( 3) 冷卻及排屑係統（tǒng）

      切削液在深孔（kǒng）加工中起著冷卻、潤滑、衝刷、減振和消聲的作用。冷卻排屑係統主要（yào）由油箱（xiāng）、排屑箱、油泵、過濾裝（zhuāng）置和液（yè）壓件等組成。在加（jiā）工鋼件（jiàn）時宜選用低粘度油類冷卻潤滑液，最好（hǎo）選用專（zhuān）用的深孔加工切削液。我們在（zài）試驗（yàn）時選用的 “長（zhǎng）城”牌特（tè）種切削油( M0006) ，使用效果也不錯。使用時保持冷卻液的清潔非常重要。髒的冷卻液會導致孔壁（bì）上潤（rùn）滑膜的破壞，或使直徑小的深孔鑽油路堵塞，也容易使油泵和閥門等液壓元（yuán）件過早地磨損。我們（men）采取的措施是采用迷宮式的回油（yóu）路線（xiàn），以盡量增加（jiā）冷卻液在油箱（xiāng）內的流（liú）動距離，減緩流動的速度，保證（zhèng）汙物能有足夠的時間來沉澱; 此外泵進油口（kǒu）還需加裝一定精（jīng）度（dù）的（de）濾油裝置，並且在回流的路徑上及泵進油口處放置磁（cí）鐵以吸附（fù）冷卻液中（zhōng）微小的（de）鐵屑。

      油泵的壓力和流量一般根據（jù）所加工（gōng）孔的孔徑確（què）定。查閱山特維克深孔加工樣本知，對於18. 4 ～ 28mm 的孔，切削液流量小於100 L /min，壓（yā）力小於2MPa。我（wǒ）們選取流量為80 L /min，壓力為2. 5 MPa 的齒輪泵。

      油箱容積在條件容許的情況下（xià）盡量的大（dà）。理想的情況（kuàng）是油箱容量一般為油泵每分鍾輸出量的5 ～ 10倍，以保證（zhèng）切削液能正常冷卻及汙物的沉澱（diàn）和分離。但在車床上（shàng）進行改造時，油箱高（gāo）度和寬度要受（shòu）到車床中心高和床身後麵（miàn）空間的限製，往往達不到上述要求。最後油箱的（de）容積定為500 L，實際裝油量約為（wéi）400 L。

      ( 4) 安全保（bǎo）護（hù）

      由於深孔加（jiā）工的刀具比較嬌（jiāo）貴，而且整個切削過程是在半封閉的狀況下進行，所以安全檢測裝置（zhì）顯得尤為（wéi）重要。目前深孔加工（gōng）中較為先進的（de）方法是對鑽杆的進給力、轉矩及鑽管內冷卻液壓力進行的動態監測。由於我們條件所限采取了下麵的保護措施（shī）: 用車床自身的落下蝸杆結構來（lái）進（jìn）行進給保（bǎo）護，通過實驗設定一個值（zhí），當進給力超出後，自動斷開進給傳（chuán）動鏈; 采用（yòng）壓力檢測保護，當切屑發生（shēng）阻塞時，授（shòu）油器中的壓力會增高，壓力開關發（fā）出信號（hào），由電氣控製停車; 采用電氣順序保護，油泵電動機與鑽杆驅動電動（dòng）機要有啟動順序的要求，先起動油泵電（diàn）動機再（zài）起動（dòng）連接器電動機，以免因起動順序錯誤而造成連接器內部機械密封裝置因幹摩擦而損壞（huài）。雖（suī）然這些措施的效果和可（kě）靠性與（yǔ）動態監測的方法相比作用（yòng）有限，但還是能避免出現嚴重的故障。

      在本方案中利用車床的卡盤夾持工件，給鑽杆也配置了驅動裝置（zhì），工（gōng）件和鑽頭相（xiàng）對旋轉，並以鑽頭（tóu）旋轉（zhuǎn）為（wéi）主，工件作輔助低速轉動（dòng）。在鑽小直徑的孔時，要求轉速高而（ér）所需（xū）的功率較小，可以選擇鑽頭旋轉工件隨動的方式。當所加工的孔徑較大時，要求轉速有（yǒu）所降低而功率增大，可（kě）選擇工件旋轉而鑽頭不轉（zhuǎn）動的方式，這時可充分發揮車床主軸功率大的優勢，而不必為（wéi）鑽杆配備大功率的驅動動力，從而簡化了機械結構，避免了浪費。這種車床主軸和（hé）鑽杆都帶動力的方案具有較（jiào）強的靈活性和實（shí）際意義。例如用70 m/min 的切削速度鑽18. 4 mm 的（de）孔時，鑽頭的轉速達到近1 200 r /min，這時可選用鑽頭作高速旋轉（zhuǎn），而工件作輔助的低（dī）速相對轉動，不僅能滿足孔直線度要求，也（yě）避免了工件作高速轉動帶來的（de）一係列問題。另外（wài）本方案（àn）不需（xū）要對工件（jiàn）端（duān）麵預先加工導向（xiàng）孔，這點對於主軸的批量化生產有著重要（yào）意義（yì）。

      3 結語

      以18 mm 鑽頭加工長度（dù）為630 mm 的主軸為例，改進前後的對（duì）比見表1。

      通過表1 可（kě）看出，采用DF 係（xì）統深孔加工方法後孔的精度、表麵粗（cū）糙度及直線度有很大程度的提高，刀（dāo）具成本約為原來的4 倍（bèi），工時降為原來的1 /3。綜合（hé）考慮節省（shěng）勞動力成本（běn）和工件（jiàn）年產量的（de）增加（jiā）所帶（dài）來的效益來計算，總體的經濟效益仍（réng）然可觀。而且從勞動（dòng）力成本逐（zhú）年增加的（de）趨勢來看，其（qí）意義會顯得（dé）越來越重要。總的看來，通過這次的技術革新，普遍認為費用較（jiào）高的深（shēn）孔加（jiā）工技術應（yīng）用到機床主軸類工件加工，是一次有益的嚐試，不僅解決了主軸批量化生產時效率低和勞動強（qiáng）度大的（de）問題，而且提高了深孔的加工質（zhì）量，為降低主軸加（jiā）工成本帶來了（le）很大的空間。