用于鉆桿銑螺旋數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)
2021-3-9 來源： 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司 作者：路前海
摘要： 針對(duì)車間現(xiàn)有螺旋槽銑床設(shè)備故障率高、維修時(shí)間長(zhǎng)、無法加工硬度比較高的無磁鉆桿問題，設(shè)計(jì)了一種用于螺旋鉆桿銑削加工的專用銑床。 分別從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩方面詳細(xì)介紹了專用銑床的設(shè)計(jì)，通過相關(guān)參數(shù)計(jì)算選擇了合適的工藝參數(shù)。 加工試驗(yàn)結(jié)果表明，專用銑床加工出的螺旋槽質(zhì)量達(dá)到預(yù)計(jì)效果，設(shè)備使用效果良好。
關(guān)鍵詞： 螺旋鉆桿； 數(shù)控銑床； 銑削
0 引言
整體式寬翼片螺旋鉆桿與傳統(tǒng)的焊接式寬翼片螺旋鉆桿相比優(yōu)勢(shì)明顯：①采用銑削方式直接在鉆桿上加工螺旋槽，鉆桿螺旋翼片與桿體同材質(zhì)，相對(duì)于焊接式螺旋鉆桿，螺旋翼片整體機(jī)械性能提高了2～3 倍 ，從根本上解決了焊 接 式 寬 翼 片螺旋鉆桿 耐磨性差、使用壽命偏低的問題；②鉆桿螺旋翼片和桿體為整體式結(jié)構(gòu)，消除了焊接螺旋翼片時(shí)對(duì)桿體的損傷和焊縫易開裂等問題，保證了鉆桿的整體強(qiáng)度；③鉆桿整體抗扭能力較同規(guī)格焊接式寬翼片螺旋鉆桿大幅提高。 整體式螺旋鉆桿不僅可以進(jìn)行松軟突出煤層瓦斯抽采鉆孔施工，也可以代替普通外平鉆桿進(jìn)行常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工，能有效節(jié)省鉆具購置成本。 經(jīng)過多年的市場(chǎng)培育，整體式螺旋鉆桿的需求量逐年遞增。
整體式螺旋鉆桿的銑螺旋工序作為螺旋鉆桿的關(guān)鍵加工工序，其生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量直接影響到螺旋鉆桿品質(zhì)的好壞。 目前該工序只能依靠專用銑床設(shè)備加工，因螺旋鉆桿銑削過程屬于斷續(xù)切削，且切削量大，生產(chǎn)過程中機(jī)床承受很大的沖擊力，加之現(xiàn)有設(shè)備剛度不足，造成機(jī)床極易出現(xiàn)故障，維修時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響車間正常生產(chǎn)；對(duì)于新研發(fā)的整體式無磁螺旋鉆桿，機(jī)械強(qiáng)度高、韌性好、加工難度大，現(xiàn)有設(shè)備已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)需求。 為了解決現(xiàn)有專用銑床故障率高、無磁螺旋鉆桿生產(chǎn)效率低的難題，研發(fā)了一種更適用于整體式螺旋鉆桿加工的專用銑床。
1、螺旋鉆桿專用數(shù)控銑床總體設(shè)計(jì)
螺旋鉆桿專用銑床總體設(shè)計(jì)如圖 1 所示。 上料裝置用于輔助鉆桿上料；床身用于固定銑床，保證銑床整體穩(wěn)定性；床身上安裝有工件旋轉(zhuǎn)進(jìn)給裝置，主要為鉆桿提供動(dòng)力，一方面帶動(dòng)鉆桿進(jìn)行軸向移動(dòng)，另一方面可帶動(dòng)鉆桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；床身側(cè)面設(shè)有泵站和控制系統(tǒng)，液壓泵站為系統(tǒng)提供液壓動(dòng)力，控制系統(tǒng)控可控制各動(dòng)作之間先后順序；與床身前端固定聯(lián)接設(shè)有床頭箱，用于銑削基礎(chǔ)固定；床頭箱側(cè)面設(shè)有排屑器，用于收集加工時(shí)產(chǎn)生的鐵屑；床頭箱上沿鉆桿軸向?qū)ΨQ分布有一對(duì)銑刀機(jī)構(gòu)，用于進(jìn)行螺旋鉆桿整體銑削加工，銑刀前后兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置有跟刀架，在銑削加工時(shí)扶正鉆鉆桿，以降低鉆桿振動(dòng)對(duì)刀具的損傷，床頭箱前端設(shè)有下料裝置，用于鉆桿的下料。
圖 1 螺旋鉆桿專用銑床總體結(jié)構(gòu)圖
1. 上料裝置 2. 床身 3. 泵站及電控系統(tǒng) 4. 工件旋轉(zhuǎn)給進(jìn)裝置 5. 床
頭箱及護(hù)罩 6. 排屑器 7. 銑刀機(jī)構(gòu) 8. 跟刀架 9. 下料裝置
（1）銑刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
銑刀機(jī)構(gòu)由左右兩組機(jī)構(gòu)組成， 兩組機(jī)構(gòu)以工件軸線方向左右布置， 其中 2 個(gè)銑刀成一定夾角布置。 銑刀旋轉(zhuǎn)動(dòng)力通過交流變頻電機(jī)經(jīng)齒輪減速傳遞到銑刀上，進(jìn)給由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密滾珠絲杠后帶動(dòng)銑刀機(jī)構(gòu)整體進(jìn)給，進(jìn)給到位后液壓鎖緊機(jī)構(gòu)鎖死，防止切削過程中銑刀移位，安全可靠。 銑刀機(jī)構(gòu)根據(jù)不同的軸徑和導(dǎo)程需要，通過角度調(diào)整座變換相應(yīng)的角度，每個(gè)安裝座均有銑刀頭定位機(jī)構(gòu)，確保銑刀頭旋轉(zhuǎn)中心始終保持不變。 銑刀機(jī)構(gòu)示意圖如圖 2 所示。
圖 2 銑刀機(jī)構(gòu)示意圖
1. 伺服電機(jī) 2. 導(dǎo)軌 3. 銑刀盤 4. 齒輪箱 5. 交流電機(jī) 6. 導(dǎo)程架
采用盤銑刀加工螺旋鉆桿時(shí)，兩側(cè)的受力情況不一致，鉆桿左側(cè)受到銑刀豎直向下的力，鉆桿右側(cè)則受到銑刀豎直向上的力，如果左右兩側(cè)銑刀設(shè)置在同一平面內(nèi)，勢(shì)必會(huì)造成鉆桿左右側(cè)受力不均，易造成打刀現(xiàn)象，為此，將左側(cè)銑刀整體墊高 0.1 mm，右側(cè)銑刀整體下降 0.1 mm，以緩解鉆桿受力不均情況。 銑削鉆桿受力示意圖如圖 3 所示。
圖 3 銑削鉆桿受力示意圖
. 垂直紙面向外的力 . 垂直紙面向內(nèi)的力
（2）跟刀架設(shè)計(jì)
跟刀架由前后跟刀架和輔助跟刀架兩部分組成，前后跟刀架設(shè)置在銑刀前后兩側(cè)，用于夾緊扶正鉆桿，減少鉆桿振動(dòng)對(duì)銑刀盤的沖擊力；輔助跟刀架設(shè)置在前跟刀架前方，用于輔助人工卸鉆桿。 前后跟刀架由自定心夾緊機(jī)構(gòu)組成，在鉆桿軸徑發(fā)生變化時(shí)也能保持鉆桿軸線位置不變，確保夾緊穩(wěn)定可靠。
輔助跟刀架由一組油缸分別作用于 2 個(gè)鉗體，夾緊力可調(diào)，前輔助跟刀架還配有一組油缸和頂桿，主要用于拆卸鉆桿時(shí)輔助夾持后端鉆桿，防止拆卸過程中后端鉆桿出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，影響后續(xù)切削精度。
（3）工件旋轉(zhuǎn)給進(jìn)裝置設(shè)計(jì)
旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)經(jīng)蝸輪蝸桿減速后帶動(dòng)氣動(dòng)卡盤夾緊鉆桿旋轉(zhuǎn)；進(jìn)給機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)經(jīng)多級(jí)齒輪減速后驅(qū)動(dòng)齒輪、齒條沿床身進(jìn)給，進(jìn)給機(jī)構(gòu)和夾緊機(jī)構(gòu)協(xié)同作用，根據(jù)不同的導(dǎo)程以適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)速度和進(jìn)給速度配合完成旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給動(dòng)作，確保螺旋槽導(dǎo)程精度。
（4）床身設(shè)計(jì)
床身作為整個(gè)設(shè)備的基礎(chǔ)，應(yīng)結(jié)實(shí)穩(wěn)重、剛性大、承重能力強(qiáng)。床身采用焊接結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置加強(qiáng)肋板，在進(jìn)行機(jī)械加工前必須進(jìn)行二次定性處理，以保證床身的整體性能，選用重型直線導(dǎo)軌，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠。
2、 液壓系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
液壓系統(tǒng)總體原理圖如圖 4 所示，前跟刀架油缸、后跟刀架油缸動(dòng)作要求一致，以保證鉆桿同時(shí)被抬起或者放下，為此，液壓系統(tǒng)中設(shè)置有分流閥，保證各動(dòng)作均勻一致。 輔助跟刀架、前后跟刀架、液壓鎖各部分的工作壓力均不相同，但都共用 1 個(gè)液壓泵站，為此，各系統(tǒng)均設(shè)有減壓閥，以保證各部分所需壓力。跟刀架均設(shè)有液壓互鎖裝置，保證液壓缸在夾緊時(shí)能相互鎖住，不發(fā)生移動(dòng)。設(shè)有兩位四通電磁換向閥，控制各組液壓缸的伸縮運(yùn)動(dòng)。
圖 4 液壓系統(tǒng)原理圖
1. 液壓油箱 2. 電機(jī) 3. 液壓泵 4. 安全閥 5. 單向閥 6. 減壓閥
7. 壓力表 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. 后跟刀 架油缸 13. 前跟刀架油缸 14. 液壓鎖油缸
3 、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)
加工普通螺旋鉆桿，鉆桿硬度 HRC20～30，選用合金刀具。
經(jīng)過計(jì)算，各項(xiàng)參數(shù)符合刀具使用范圍。
4、 現(xiàn)場(chǎng)加工試驗(yàn)
設(shè)備安裝調(diào)試完成后，驗(yàn)證了設(shè)備各項(xiàng)功能，核驗(yàn)了設(shè)備技術(shù)參數(shù)，試切鉆桿，各項(xiàng)功能、參數(shù)指標(biāo)均正常，然后開始進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行試驗(yàn)。 加工完成準(zhǔn)73×3 000 mm、準(zhǔn)89×3 000 mm 螺旋鉆桿，總共 60 根，槽寬 20 mm、槽深 5 mm、導(dǎo)程 280 mm、2 頭。 加工過程中設(shè)備振動(dòng)較小，設(shè)備噪聲在合理范圍內(nèi)，螺旋槽表面刀痕均勻分布，表面無凸點(diǎn)、毛刺，螺旋槽深度、寬度均符合設(shè)計(jì)要求，螺旋槽質(zhì)量達(dá)到預(yù)期效果。
5 、結(jié)語
針對(duì)車間現(xiàn)有專用銑床故障率高、維修時(shí)間長(zhǎng)以及無磁螺旋鉆桿生產(chǎn)效率低問題，結(jié)合車間實(shí)際情況，研制一套適用于加工螺旋鉆桿銑螺旋工序的專用銑床，通過計(jì)算得出銑削加工工藝參數(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)加工試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)出的專用銑床加工出螺旋鉆桿的螺旋槽質(zhì)量符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，設(shè)備使用效果良好。
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