数控枪钻组合机床关键部件的优化设计

刘 明

(南京工程学院 科技与产业处，南京 211102)

0 引言

数控枪钻组合机床是一种专用深孔加工机床，将数控技术用于深孔钻削组合机床中，使得枪钻工艺已成为柔性、智能、高效、高精度深孔的有效加工方法。数控枪钻技术广泛应用于国防工业、航空航天、汽车、模具、机床、液压、航天等行业。

作为数控枪钻组合机床关键部件的主轴箱，高速旋转的主轴对其精度及其保持性的要求越来越高；钻套箱作为枪钻导向的主要部件，其制造精度和耐磨性决定了加工零件的精度和刀具的使用寿命；数控滑台为机床提供运行平稳的进给加工；而冷却排屑系统能否为机床稳定提供充足、高压、洁净的冷却液，对刀具使用寿命、孔加工精度均有重要影响。为了提高数控枪钻组合机床整机加工性能和可靠性，必须对数控钻孔组合机床中主轴箱、钻套箱、数控滑台及冷却系统等部件的结构进行优化设计。

1 机床主要结构及枪钻加工工艺要求

数控枪钻组合机床主要部件：床身底座、主轴箱、钻套箱、数控滑台以及冷却排屑、防护、电控系统等组成。枪钻(FLB)用于加工深孔(长径比>5)的单刃深孔钻，主要加工直径φ0.6～φ50mm的深孔，如钻套箱导套采用双支承导向和相应加长数控滑台的行程等措施后的钻孔深度可以达到被加工孔直径的200倍以上；孔的加工精度可达IT7,表面粗糙度Ra可达3.2～0.8μm，圆度<5μm，直线度可达0.1/1000mm。

针对上述工艺要求，为数控枪钻组合机床中各个零部件的设计增加了相应难度，本文通过对其中的主轴箱、钻套箱、数控滑台及冷却排屑系统等关键零部件进行优化改进设计，使得数控枪钻组合机床调整方便、加工精度稳定、运行可靠，效果较好。

2 关键部件的优化设计

2.1 主轴箱设计

枪钻机床的主轴箱采用前后端双支承轴承的结构，由于是数控枪钻专用组合机床多数采用多轴同时加工，由此，主轴采用中空内冷结构，后端装有提供高压冷却液的旋转接头。由于枪钻加工时刀具的进给量比较小，最小可到0.005mm/r，因此对主轴的轴向窜动要求较高，应控制在0.003mm以内，如轴向窜动量过大，会导致进给量不均匀，从而影响加工精度和损坏刀具。

因此主轴箱结构设计时，不但在静态下、连续工作时稳定地控制主轴的轴向间隙，而且要持久保持主轴的精度，为此，对主轴箱结构设计、主轴材料选择、主轴加工工艺等采取了优化措施，具体如下：

(1)加工直径在φ5mm以下的枪钻主轴箱(见图1)，由于其转速较高，为了有效控制主轴的轴向间隙和精度保持性，主轴的前后端轴承采用高精度向心推力球轴承且配对使用，前端轴承的精度等级采用P4级，后端轴承的精度等级采用P5级，轴承内外隔套厚度的实际尺寸要通过对轴承的载荷测量值进行精确计算，内、外隔套的两端面先平磨后再进行人工研磨，使其平行度控制在0.003mm以内。

图1 主轴箱结构图

(2) 根据枪钻的加工特性，主轴的材料选用38CrMoAL，经处理后具有足够的刚性和稳定性。主轴的加工工艺路线为：锻造→退火→粗车→正火→精车→铣削→钻轴向通孔及端面安装孔→粗磨→人工时效→精磨→动平衡实验→表面氮化处理→冷冻定性处理→超精磨。

2.2 钻套箱设计

钻套箱是一种导向装置，实现枪钻刀具的准确切入，在加工过程中切屑和切削液的混合物在钻套箱中被引流到排屑系统中，加工前需要导套前端(装有密封垫)与被加工件贴紧密封，根据工件的状态，一般有工件随夹具移动贴近导套箱和钻套箱移动贴近工件这两种情况。

导套的材料、热处理后硬度、精度以及与枪钻的间隙都是影响工件加工质量的因素之一，导套与枪钻的配合间隙一般在0.005～0.015mm之间，当间隙大于0.02mm时应更换导套，导套的材料一般用硬质合金或GCr15，要求热处理后硬度达到HRC60以上。

2.3 数控滑台设计

由于枪钻加工时进给量很小，因此要求滑台运行平稳，避免爬行现象，通常选用HJC高精度机械滑台，随着数控技术的广泛应用，现在普遍采用数控滑台代替机械滑台，而数控滑台有硬轨和线轨两种结构形式，采用滚珠丝杆传动，三支承导向，精度保持性好，滑台的稳定性好，导向精度高，动态性能好。加工孔径大于12mm的深孔可选用相应宽度规格尺寸的长行程的硬轨数控滑台。

2.4 排屑系统设计

枪钻加工是采用内冷外排的工艺，钻头为中空结构，高压冷却液从钻柄尾部中心孔流入，在高压作用下，铁屑沿V形槽排出工件，带走切削热，同时也可以减少刀具与工件的摩擦损耗，提高了钻孔精度。

数控枪钻组合机床的冷却排屑系统能否稳定地供给充足、高压、干净的切削液，对刀具的寿命、孔的表面粗糙度以及尺寸精度均有重要影响。有效的冷却排屑能起到以下的作用：①减少刀具与导套的磨损；②冷却刀具，减少和消除摩擦热和切削热；③切削液在高压和正常温度作用下，在工件和刀具表面形成一层薄的油膜，可预防刀具和工件的咬死；④在高压切削液的作用下连续排除切屑；⑤可有效抑制积屑瘤的产生。

为了能使冷却排屑系统稳定地为机床供给充足、高压、干净的切削液，在设计该系统时对切削液的净化、流量、压力作优化设计处理，具体结构如图2所示。

图2 排屑系统

系统的工作流程为：切削液和大量的切屑进入磁性排屑器后，大部分的切屑被排出并送到积屑小车，掺着部分碎屑的切削液溢流到沉淀箱内，切屑与切削液的初步分离；用提升泵将切削液送到过滤箱中，过滤箱中装有两排共12套吸油过滤器，切屑液经过吸油过滤器再一次过滤，此时，切削液得到第2次的净化，其过滤精度可达到20μm;经过滤器过滤后的切削液回流到3次净化箱中，在切削液的回流通道中装有5套条形磁铁，其上下交错放置，形成切削液回流的迷宫，使得流经的切削液中含有粉状的切屑被吸附起来，切削液即得到第3次的净化，其过滤精度可达到5～10μm。另外必须定期对吸油过滤器和调形磁铁进行清洗，清除表面的铁屑粉末，以保持稳定的净化效果。

在枪钻加工过程中，必须为切削液提供一定的压力和流量，选用油泵时可根据加工孔径尺寸及材料来确定其额定流量和压力，加工时根据其效果，可通过压力调节阀来进行调整。

切削液温度控制。枪钻加工过程中，由于金属切屑的变形、刀具的钻削等产生大量的热量，因而切削液的温度上升很快，必须加以控制，在其系统中用匹配的油冷机来对切削液进行冷却，将其温度稳定在20℃～45℃之间，超过50℃时，不但不能使刀具处于良好的冷却状态下进行切削，而且切削液的状况也将变得恶化，从而影响润滑效果；当切削液的温度低于20℃时，会因为低温遇到高温切削区，容易导致刀具表面形成小块泡沫，使得刀具的正常切削遭到破坏而造成不良后果，因此切削液油箱的大小除了具有足够的容积外，还需要配有与之相匹配的温控装置(即油冷机)，才能使得机床连续保持良好的切削性能。

在冷却排屑系统中要对系统的压力、液位等进行监控，当压力或液位低于设定值时，机床的控制系统能自动退刀或采取其它的相应的保护措施，以保证工件、刀具、机床的安全。

3 结束语

在设计深孔加工数控枪钻组合机床时，通过对其中的主轴箱、钻套箱、数控滑台、冷却排屑系统等关键零部件进行优化改进设计，实际运行后机床性能稳定，达到了预期的效果，为相关深孔加工机床设计提供了一定借鉴。