整理43CA6140车床改装成深孔加工机床的油路部分设计.docx

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整理43CA6140车床改装成深孔加工机床的油路部分设计

1绪论1

1.1课题研究的背景1

1.2深孔加工系统要求2

1.2.1对机床的要求2

1.2.2对加工系统其他附件的安装要求2

1.3国内外深孔加工技术的发展现状3

1.4课题研究现状3

1.5课题研究的目的4

1.6本课题解决的问题4

1.7本课题拟采用的研究手段4

1.8本节小结5

2深孔加工的主要原理5

2.1枪钻5

2.2BTA系统6

2.3喷吸钻系统6

2.4DF系统7

2.4.1DF系统的分类7

2.4.2DF系统负压抽屑机理8

2.5本节小结12

3深孔加工系统中常用的装置13

3.1授油器13

3.1.1不旋转式授油器13

3.1.2旋转式授油器13

3.1.3微型授油器14

3.2联结器15

3.2.1典型结构15

3.2.2结构设计16

3.3中心架21

3.3.1局部滚动式中心架21

3.3.2整体滚动式中心架21

3.4本节小结22

4普通车床改深孔加工机床的方案23

5改装方案分析24

5.1CA6140车床的主要参数24

5.2改装方案分析25

5.3本节小结27

6油路系统的研究28

6.1油路的研究和改造分析28

6.2本节小结28

7油路设计29

7.1油管的选取29

7.2油箱的选取29

7.3压力表的选取32

7.4过滤网的选取32

7.5油泵的选取32

7.6溢流阀的选择34

7.6.1溢流阀的作用及类别34

7.6.2溢流阀的选择39

7.7授油器和油泵的连接40

8结论41

参考文献42

致谢44

1绪论

1.1课题研究的背景

在机械制造行业中，一般规定孔深L与孔径d0之比大于5的圆柱孔（内圆柱面），即L/d0>5的孔称为深孔；L/d0≤5的孔称为浅孔。

孔加工氛围浅孔加工和深孔加工两类。

孔的深度与直径之比，决定了孔加工工艺系统的刚度及刀具结构上的特点。

L/d0增大，工艺系统刚度降低，切屑排除及冷却润滑的难度加大。

最早用于加工金属的深孔钻头是扁钻。

它发明与18实际初期，1860年美国人对扁钻做了改进，发明了麻花钻，在钻孔领域迈出了重要的一步。

在20实际初期，德国、英国、美国等国家的军事工业部门先后发明了单刀钻孔工具，因为被用于加工制造枪孔而得名枪钻。

在1943年，的国海勒公司研制出碧斯涅耳（Beisner）加工系统（即我国常成为内排屑深孔钻削系统）。

战后，英国的维克曼公司、瑞典的卡尔斯德特公司、德国的海勒公司、美国的孔加工协会、法国的现代设备商会等联合组成了深孔加工国际孔加工协会（BoringandTrepanningAssociation）,简称BTA协会。

经过他们的努力，这种特殊的加工方法又有了新的发展，并被定名为BTA法，在世界各国普遍应用。

后来瑞典的山特维克公司首先设计出可转位深孔钻及分屑多刃错齿深孔钻，使BTA法又有了新的飞跃。

20世纪70年代中期，由日本冶金股份有限公司研制出DF（DoubleFeeder）法为单管双进油装置，它是把BTA法与喷吸钻法两者的优点结合起来的一种加工方法，目前广泛应用与中、小直径内排屑深孔钻钻削。

20世纪80年代初至21世纪，中北大学机械制造工艺研究所王峻教授等人完成了SIED深孔加工继承技术及装备的研制开发，并在生产实践中获得成功应用。

SIED技术是在归纳先有的枪钻、BTA钻、双管喷吸钻、DF系统等各种深孔加工技术优点，并最大限度的避免其缺点的基础上形成的一种具有创新性和实用性深孔加工技术体系[1]。

1.2深孔加工系统要求

在内排屑深孔加工中，加工系统各部分对空的加工质量有很大的影响，各个部分分自身精度以及安装精度的高低直接反映到孔加工质量的好坏，因此，对加工系统的各部分应有一定的要求，以保证能得到比较高的加工精度和生产率[2]。

1.2.1对机床的要求

（1）应有足够的刚度：

内排屑深孔钻采用高转速、大进给量进行加工，扭矩及轴向力都很大，机床的刚性对加工孔的精度和钻头的耐用度都有较大的影响。

（2）应具有足够的功率。

（3）进给机构必须稳定可靠：

进给平稳，不能有爬行现象。

机床的进给量最好是无级调速，以适宜多种材料的深孔加工，一般进给量在0.05-0.35mm/r范围内，最好使用带有过载保护的进给机构。

（4）机床的主轴轴向窜动要小：

应把机床主轴轴向窜动调整到允许的范围内，否则易引起振动而打刀。

（5）应具有一定的控制系统：

如主轴负荷表、进给量表、超载安全装置等，以保证深孔加工的可靠性。

（6）机床主轴的径向跳动量不超过0.02mm[3]。

1.2.2对加工系统其他附件的安装要求

（1）要求机床主轴和导向套之间的跳动量不得超过0.02mm，以保证两者

的同轴度要求。

为减小机床主轴和导向套之间的同轴误差，最好在所用的机床上直接加工出导向套的底孔。

（2）要求导向套和工件之间的跳动量不超过1mm，以保证钻头初钻时良好地贯穿和足够的冷却液流量。

（3）钻杆的联结器与机床主轴应有一定的同轴度要求。

尤其当采用钻头旋转的加工方式时，钻杆联结器应严格对中，以保证与机床主轴有公共的旋转轴线。

1.3国内外深孔加工技术的发展现状

据情报检索,目前世界上利用外排屑（如枪钻）深孔钻削技术,可钻削的孔径小到Ф2mm。

而内排屑深孔钻削的孔径很少有小于Ф16mm的,且多数仍采用传统的BTA钻削系统。

由于枪钻结构为不对称形状,质心偏离中轴,这给制造、重磨都带来一定的困难,也使造价增高。

另外,其结构刚度和扭转强度低（同直径的圆形钻杆扭转刚度是枪钻的2.3倍）,使其使用的钻削速度降低,进给量小。

采用单管内排屑喷吸钻（SED）钻削系统,钻削小深孔直径可小到Ф3.7mm。

某工艺所采用SED技术,进行了孔径（mm）Ф16、Ф12、Ф10、Ф8、Ф7.62、Ф5.7、Ф3.7的小深孔钻削加工,钻削过程平稳,排屑流畅,孔的尺寸形状精度和孔壁表面粗糙度均能满意,在上述孔径范围内,完全可以替代枪钻对小深孔进行钻削加工。

由于其刚度好,可加大进给量和钻削速度,使生产效率、钻孔质量和经济效益均有所提高,显示了一定的技术优势。

1.4课题研究现状深孔加工机床相对于车床的主要区别是有机床辅具和相配套的油路两大部分。

（1）辅具是深孔加工系统中的关键要素，它们的作用是为深孔加工供油、排屑、定位夹紧、刀具导向和液压密封提供可靠的技术保证。

①.授油器：

用于将高压切削液导入钻头的进油通道。

旋转授油器主要用于工件旋转或工件与刀具同时旋转的切削方式，是最常用的一种授油器。

旋转授油器在头部增加了一个旋转部分，使导向套与工件同时转动，可以提高刀具入钻时的导向精度。

②.排屑器：

首先介绍一种不旋转式典型结构。

这种联结器结构简单，无需轴承支承，直接与机床进给系统连接。

切削液通过进油嘴进入，经由前锥套和后锥套组成的锥形喷嘴射入钻杆内腔，向后嘴射，形成负压效应。

射流间隙依靠调节后锥套来调整，并用螺帽锁紧。

（2）冷却排屑系统主要由油箱、排屑箱、油泵、电机、过滤装置和液压元件等组成。

（3）车床相对于深孔加工机床床身上有刀架部件、尾架、溜板箱，车床改装深孔加工机床只需要将刀架部件、尾架、溜板箱撤掉，换成上述的辅具及与之相配套的冷却排屑系统，即可进行深孔加工，若要进行车削加工，则换上车床相应辅具即可。

1.5课题研究的目的由于深孔钻床的特殊性，其价格比较昂贵。

对于非专业化深孔加工的厂家，成本过高。

一般普通车床不具备深孔钻削功能，只有专业的深孔钻床才具有深孔加工功能，而专用的深孔钻床不具有万能性，不能进行车削、镗削等加工。

因而采用普通车床改为深孔加工机床，由于成本低、制造周期短以及一床多用（车削、深孔钻削、深孔镗削和深孔珩磨）等优点。

本文具体讲述普通CA6140车床改装成深孔加工机床的油路部分设计。

1.6本课题解决的问题车床改装为深孔加工机床主要有机床和油路两大部分。

机床部分主要有中心架、授油器和抽屑器三大部件组成；油路部分主要含油路、回油路以及排屑箱、油箱等。

1.7本课题拟采用的研究手段

原机床主要运动和进给机构不变，不用原车床油路系统，另进行油箱和排屑箱，并在授油器和联结器上连接冷却润滑油路。

这样改装后的钻床拆除深孔钻削装置后仍可作为车床使用。

深孔加工油路系统主要油油箱、油泵、电机和液压元件组成，深孔机床的改装往往采用地面式邮箱。

油箱高度和宽度要受到机床中心高和机床后面空间的限制。

油箱长度可按最大加工长度来确定。

油箱的箱体应设有隔板，保证污物能够沉淀。

此外，还应有滤油装置。

滤油装置主要有所要求的过滤精度来确定。

过滤精度取决于件材料、切屑形态及工件表面粗糙度等因素。

一般，过滤精度比所要求的表面粗糙度低10倍，即50μm的过滤精度可满足表面粗糙度Ra=5μm的要求。

设计的油箱采用4级过滤，在排屑箱中用80目铜网进行粗过滤；在油箱中分别用100目和120目铜网进行第二、第三级过滤；最后在油泵进行油管上装纸型过滤器进行第四级过滤，该过滤系统的精度可达10-0.5μm。

有条件的话，装入磁性滤油器效果将更好。

1.8本节小结

本结分析了深孔加工的历史，发展过程和现状，并对本课题做了比较细致的说明和阐述，从多个角度对普通车床改装成深孔加工车床进行了研究，采用另外加油路油箱的方法，在不破坏原车床油路的基础上进行改装，从而使原车床的基本功能不丢失，通过简单的改装即可完成深孔的切削和加工，即节省了开支，又完成了任务。

2深孔加工的主要原理深孔加工系统是以深扎加工中所用的冷却、排屑装置来分类的。

目前，国内、外常用的深孔加工系统钉枪钻系统、BTA系统、喷吸钻系统和DF系统。

这些系统除用于与之对应的钻头进行钻削外，亦可以用于其它深孔刀具切削加工，加深孔镗削、铰削和珩磨等。

2.1枪钻

枪钻系统属于外排屑方式，其结构如图2．1所尔，主要由中心架、扶正器、钻杆联结器和冷却润滑油路系统组成。

其中中心架辅助机床卡盘用于装夹工件；扶正器主要用于钻头入钻时导向。

并提供向外排屑的通道；尾架用于夹持钻头柄部。

支承钻削扭矩和轴向力。

枪钻系统的工作原理是：

切削液通过尾架上输油入口进入钻杆内部。

到达钻头头部进行冷却润滑，并将切除的切屑从钻头外部的v型槽中排出。

由于切屑由钻头和钻杆外部排出。

容易擦伤已加工孔表面，其加工质量要低于内排屑方式的系统。

该系统主要用于小直径（一般直径小于20mm深）孔加工[1]。

图2.1枪钻

2.2BTA系统

BTA系统属于内排屑方式。

其结构如图2．2所示。

主要由中心架、授油器、钻杆联结器和冷却润滑油路系统组成。

BTA系统中的授油器与枪钻系统中的扶正器功能不同，授油器除了具备导向扶正功用外，还提供了向切削区输油的通道。

BTA系统的上作原理是：

切削液通过授油器从钻杆外壁与已加工表面之间的环形空间进入，到达刀具头部进行冷却润滑，并将切屑经钻杆内部推出。

该系统使用范围广泛。

适用于深孔钻削、镗削、铰削和套料。

设受到钻杆内孔排屑空间的限制，主要用于直径大于12mm的深孔工。

图2.2BTA系统

2.3喷吸钻系统喷吸钻系统主要用于内排屑深孔钻削加工。

喷吸钻系统利用了流体力学的喷射效应的原理，当高压流体经过一个狭小的通道喷嘴高速喷射时。

在这般喷射流的周围形成低压区，可将喷嘴附近的流体吸走。

喷吸钻系统结构如图2．3所

示，其工作原理是：

切削液在—定压力作用下，由联结器上输油口进人，其中2／3的切削液向前进人内、外钻杆之间的环形空间，通过钻头柄部上的小孔流向切削区。

对切削部分、导向部分进行冷却与润滑。

并将切屑推人内钻杆内腔向后排出；另外1／3的切削液，由内钻杆上月牙状喷嘴高速喷入内钻杆后部，在内钻杆内腔形成一个低压区，对切削区排出的切削液和切屑产生向后的抽吸，在推、吸双重作用卜。

促使切屑迅速向外排出。

因此，在喷吸钻钻孔时，切削液压力低而稳定。

不易外泄，排屑顺畅，降低了钻削系统的密封要求。

保证了钻削加工可以在较大的切削用量下进行。

唤吸钻系统由中心架、扶正器、内钻杆、外钻杆及冷却润滑系统等组成。

由于有内管，喷吸钻加工最小直径范围受到限制。

一般不能小于18mm[1]。

图2.3喷吸钻

2.4DF系统

DF为英文DoubleFeeder的缩写。

原意为双进油装置，是20世纪70年代中期日本冶金有限股份公司研制出来的。

它并非独创，而是将BTA方法拉出切屑与喷吸钻吸出切屑的力法相结合，仅用一个钻杆完成推、吸双重作用。

它同时具备了BTA系统和喷吸钻系统的优点，并克服不足，使钻削直径范围增大（最小直径可达6mm，）密封压力减小，加工精度和效率提高。

DF系统需要把切削液分成两条路线分别供给授油器和联结器，如图2.4所尔。

其工作原理是：

约2／3的切削液向BTA系统一样由授油器进入。

并从钻杆外壁与已加工孔表面之间的环形空间到达钻头头部，并将切屑从钻杆内部推出；另外1/3的切削液直接从钻杆联结器的负压装置进入钻杆内腔，产生一定的负压。

将切削区的切削液和切屑向后抽吸，促使团屑顺利排出[1]。

图2.4DF系统

3深孔加工系统中常用的装置

3.1授油器

授油器的功用是正确引导钻头并向切削区供给高速冷却液。

授油器一般分为不旋转式授油器和旋转式授油器两种，如图3.1和3.2所示，分别用于工件不旋转和旋转两种方式。

3.1.1不旋转式授油器

如图3.1所示不旋转式授油器是由支架l、前密封圈2、导向套3、伸缩轴4、手轮5、支承螺母6和后密封圈7等组成。

支架1可沿机床导轨移动并固紧。

钻孔时，旋转手轮5使伸缩轴4靠向工件表面，将前密封圈贴紧于工件表面上.压力油通过伸缩轴进入，经由钻头体与导向套3形成的环形缝隙进入切削区。

冷却润滑钻头。

后密封圈7是为了防止压力油从钻杆漏出而设置的。

钻头进入工件时，由导向套3引导稳定钻削。

当导向套3磨损后需及时更换。

这种授油器主要用于刀具旋转的深几加工方式[5]。

图3.1不旋转式授油器

3.1.2旋转式授油器

如图3.2所示，主要用于工件旋转或工件与刀具同时旋转的钻削方式，是最常用的一种授油器。

该授油器在头部增加了一个旋转部分,使导向套与工件同时转动，可以提高刀具入钻时的导向精度。

图3.2旋转式授油器

3.1.3微型授油器

对于小直径深孔．由于空间受到限制，常用如图3.3所示的微型授袖器。

它由支架1、导向套2、移动轴3、锁紧螺母4、密封团5和支承螺母6组成，去掉了手轮，用扳手松紧、调整移动轴3，达到导向、密封和给切削区供油的目的。

工作时，松开后锁紧螺母，旋转前锁紧螺母，使移动轴3前移，让密封团与工件端面贴紧；加工结束后，松开前锁紧螺母，移动轴后移而脱开工件表面。

这种授油器结构简单。

占用空间不大。

图3.3微型授油器

3.2联结器

联结器的功用是支承钻杆和排屑管，传递钻削力矩和轴向力。

对于喷吸钻系统和DF系统，联结器中还设计有负压抽屑装置，用于射流流量的调节。

本文主要介绍带负压抽肩装置的联结器[9]。

3.2.1典型结构

带负压抽屑装置的联结器可以做成旋转和不旋转两种形式，分别用于刀具旋转和工件旋转加工方式。

旋转式典型结构如图3.4所示。

转轴1通过法兰盘与机床主轴连接，并通过钻扦接头5与钻杆8连接，带动钻头旋转。

壳体2，轴承3、7，密封圈4、6组成—个旋转支承和密封系统。

压力油经由壳体2的进油口从锥形喷嘴高速射人，产生负压效应。

其射流间隙的大小可内调整垫片9调节、以达到最理想的负压效应。

如图3.4所示为不旋转式典型结构。

这种联结器结构简单，无需轴承支承，直接与机床进给系统连接。

切削液通过进油喷嘴4进入，经由前锥套2和后锥套5组成的锥形喷嘴射入钻杆内腔，向后喷射v形成负压效应。

射流间隙依靠调节后锥套5来调整，并用螺帽6锁紧。

图3.4旋转式负压抽屑装置

3.2.2结构设计

（1）均压腔设计：

切削液在进入喷嘴前。

先进入一个环绕喷嘴的空间，该空间就称为均压腔。

如图3.4和图3.5所示,均压腔的作用是使射流通道切削液在射流前均压，保证环锥形射流束均匀，以提高负压效应。

因此，在设计负压装置均压腔时。

首先应保证均压效果。

在此基础上。

尽量减小均压腔空间，以便减小扩压能量损失，减小负压装置体积。

1—钻杆；2—前锥套；3—壳体；4—进油喷嘴；5—后锥套；6—螺帽；

图3.5不旋转式负压抽屑装置

（2）射流喷嘴设计：

负压抽屑装置中与钻杆相通的进油口，称为喷嘴。

常用的形式有两种，一种是月牙槽形。

如图3.6所示；另一种是圆锥形喷嘴。

月牙槽形喷嘴一般由两排组成，间隔约为5mm．每排3～5个月牙槽，沿圆周均布。

月牙槽有一个倾角，用以控制液流的方向。

通常喷射角9取20°～30°，间隙ｂ取0.3～0.5mm。

两排月牙槽在整个圆周内应搭成封闭环，避免产生喷射流的死区。

必要时可修整喷嘴形状，以尽量减小喷射流死区，修整的形式如图3.7所示。

最后一排月牙槽，应在进油口的中心线位置上或超前一些，月牙槽应避免开在进油口的涡流区内。

还需注意密封，若有泄漏会提高管内压力而破坏喷吸效应。

月牙槽形喷嘴加工尺寸的计算如图3.8所示。

图中喷嘴的面积可以近似看成椭圆上的一段圆弧乘以喷嘴宽。

图3.6月牙槽形喷嘴

图3.7月牙槽喷嘴修整形式

图3.8斜切口月牙槽喷嘴结构圆锥形喷嘴是由钻杆后端加一锥形喷嘴构成。

喷嘴间隙可以调节，从而可以得到较好的喷吸效果，适应范围广。

喷射角与喷射间隙的合理选取。

是保证喷吸效果的关键。

喷射角通常取15°～30°；喷射间隙通常取0.1～0.5mm。

除月牙槽形喷嘴和锥形喷嘴外。

还可以采用以下两种形式：

第一种是小孔喷嘴，如图3.9所示。

它用在圆周上均匀排列的与轴线成30°。

并在圆周方向倾斜15°的小孔组成。

第二种是带有螺旋角的螺旋锥形喷嘴。

如图3.10所示：

螺放锥形喷嘴由于射流方向在周向有—倾斜角，在射流过程中可避免射流束本身的直接碰撞。

减小射流碰撞能最损失。

同时，因射流动员的切向分量的增大以及径向分量的减小，盲区涡流能量损失也将大大地减小，故负压效应相应提高。

4普通车床改深孔加工机床的方案由于深孔钻床的特殊性，其价格比较昂贵。

对于非专业化深孔加工的厂,成本过高。

而采用普通车床改装为深孔加工机床，由于共成本低、制造周期短以及一床多用（车削、深孔钻削、深孔镗削和深孔珩磨）等优点,已为许多生产厂家所接受。

车床改装为深孔加工机床主要有机床和油路两大部分。

机床部分主要有中心架、授油器和联结器三大部件；油路部分主要包含进油路、回油路以及排屑箱、油箱等，改装总图如图4.1所示：

1—排屑箱；2—油箱；3—后排屑管；5—钻杆；4—联结器；6—授油器；7—中心架；8--工件；9—车床；10—前排屑管；11—前排屑箱

图4.1改装结构总图

改造对车床的要求不高，可以用旧机床进行。

改装时，不改变原车床的性能。

只需将车床上刀架拆除。

换上联结器。

授油器和中心架分别装在车床内导轨上。

原机床主运动相进给运功机构不变。

不用原车床油路系统，另行配置油箱和排屑箱。

并在授油器和联结器上接冷印润滑油路改装后的钻床拆除深孔钻削装置后，仍可作为车床使用[12]。

5改装方案分析

5.1CA6140车床的主要参数

CA6140型卧床的工艺范围很广，它适用于加工各种轴类、套筒类和盘类零件上的回转表面，如车削内外圆柱面、圆锥面、环槽及成形回转面；车削端面及各种常用螺纹；还可以进行钻孔、扩孔、铰孔、滚花、攻螺纹和套螺纹等工作图

5.1

CA6140型卧式车床的万能性较大，但结构复杂而且自动化程度低，在加工形状比较复杂的工件时，铁刀较麻烦，加工过程中辅助时间较长，生产率低，适用于单件、小批生产及修理车间。

卧式车床的主要参数是床身上最大工件回转直径，如图5.2，第二主参数是最大工件长度。

为了满足加工不同长度工件的需要，主参数值相同的卧式车床，往往有几种不同的第二主参数。

例如CA6140型卧式车床的主参数为400mm，第二主参数有750、1000、1500、2000mm四种。

为完成各种加工工序，车术必须具备下列成形运动：

工件的旋转运动-主运动；刀具的直线移动一进给运动。

为实现这些运动，机床的传动系统需要具备以下传动链：

实现主运动的主传动链；实现纵向进给运动的纵向进给传动链；实现横向进给运动的横向进给传动链。

此外，为了节省辅助时间和减轻工人的劳动强度，有些卧式车床，特别是尺寸较大的卧式车床，还有一条快速空行程传动链，在加工过程中传动刀架快速退离或趋近工件。

6油路系统的研究

6.1油路的研究和改造分析

深孔加工需要强制冷却、润滑和排屑，因此，必须设计一个独立的切削液油路。

目前常用的内排屑深孔钻有BTA钻、喷吸钻和DF喷吸钻，这3种深孔钻所对应的油路系统有所不同。

DF系统将BTA系统推出切屑与喷吸钻系统吸出切屑的方法相结合，仅用一个钻杆实现推、吸双重作用。

DF钻的钻削直径范围比喷吸钻大，密封压力比BTA系统低，其油路系统在目前应用最为广泛。

DF系统的油路原理图如图6.1所示。

从油泵输出的切削液分为2路，一路直接由授油器进入，通过钻杆外壁与已加工孔表面之问的问隙到达切削区，并将切屑从钻杆内部推出;另一路从钻杆尾部通过一射流喷嘴进入钻杆内腔，向后喷出，产生一定的负压，将切削区的切削液和切屑向后抽吸，促使切屑顺利排出[17]

[18]。

2路切削液的流量分配为

图6.1DF系统油路示意图

Q首=2/3Q

Q尾=1/3Q

式子中Q首为通过授油器的油量；

Q尾为通过尾架的油量；

Q为油泵输出油量。

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7油路设计

7.1油管的选取

油管的规格尺寸由下面公式算出：

d=2q/v

d为油管内径；q为管内流量；v为管中油液的速度；

δ=pdn/2σb

δ为油壁厚；p为管内工作压力；n为安全系数

油管的管径不宜选得过大，也不能选得太小，