深孔钻床设计

谭德宁 黄宝岭 付振鲁

(山东普利森集团有限公司，山东德州 253003)

深孔钻床设计是一项技术，不是随便就能设计好的，国内有广东东莞、山东法因数控、西安机床厂、上海顺杰机电、北京哈镘和山东普利森等厂家，国外的就不提了;论技术与水平，国内大都是仿制，水平中等，在国际上做的较好的是德国TBT公司。在这里介绍一项填补国内空白的深孔钻制造技术。

图1是山东普利森集团有限公司的ZP2102深孔钻床，为基型产品，1990年在北京机床展销会上获得金马二等奖。这里再次进行技术创新和量体裁衣的专机设计，供国内知名人士共睹。

1 专机设计要求

深孔钻床属于专用机床而且特别专，笔者参加设计了40多台专机，92%没有相同的。这里以一种专机为例，介绍一下设计的特殊技巧。在1997年北京机床展销会上，我公司承接了一台ZP2102深孔钻床，用户为长春一汽公司，安排由我为主进行设计，图2为加工零件图，零件的材料为易切钢35，调质处理，加工件有精度要求。对于深孔钻削来说，表面粗糙度Ra1.6 μm容易达到，尺寸精度φ12.7H7容易保证，但是内孔对外圆的径向跳动0.03 mm不易保证。

根据加工零件的精度要求设计了一台专机。

2 专机总体设计

根据深孔钻床的结构和加工零件的精度要求进行了两种布局，如图3所示。实践证明:两种结构均可满足使用要求，总体布局一为1997～2001年长春一汽公司使用的结构，零件的加工精度为:表面粗糙度Ra1.6 μm，尺寸精度φ12.7H7，内孔对外圆的径向跳动0.02～0.04 mm;在床头箱02与导向架36之间安装了一套夹紧装置90，工件依靠夹紧装置90上的弹簧夹头定位，工件的旋转由床头箱02通过拨臂带动，导向架36设计有液压顶紧缸和回转轴承，这样导向套既能顶紧工件又能随工件回转。在使用过程中，夹紧装置90上的轴承使用1年以后(1天16 h连续工作，两班倒)会产生磨损，此时轴承产生间隙0.3 mm左右，当导向架36再顶紧工件时会产生图中细实线所示的后仰情况，导致内孔对外圆的径向跳动超差，差值在0.12～0.18 mm。经过多次维修，精度难以恢复，最好情况为:内孔对外圆的径向跳动0.06～0.08 mm。

为了彻底解决问题，2002年重新与用户签定技术协议，设计了总体布局二的结构，使用至今，精度完全达到要求，机床使用良好，说明这种结构非常可靠。该结构是在床头箱主轴2上直接安装弹簧夹头3对工件定位，在主轴尾部设计有夹紧液压缸1，由弹簧夹头3后部的拉杆拉紧对工件进行定位夹紧，导向套4通过顶紧液压缸5顶紧工件，在导向套4前端有锥面，顶紧时可进行自动封油，深孔钻6采用插入式结构，这样钻杆的长度可以缩短。

3 液压系统改造设计

3.1 液压缸速度的改进

上述结构是通过液压控制实现自动夹紧和松开，该结构决定了需要两套液压缸，那么液压系统需使用两排叠加阀分别来实现其动作。从图3所示，顶紧液压缸5的缸径远远大于夹紧液压缸1的缸径，在相同流量的作用下，顶紧液压缸5的运动速度很慢，需要40 s左右，夹紧液压缸1的运动速度5 s内还行，为了解决速度问题，采用了图4所示的结构。

在管路上只需将两液压缸的进油管路用一根软管串联，再在两液压缸的出油管路用另一根软管路串联，这样必然产生夹紧液压缸1工作结束后，两排阀的油路一起给顶紧液压缸5供油，从而提高了顶紧液压缸5的运动速度，反之，松开时亦然。顶紧液压缸5的运动速度提高到10 s左右，满足使用要求。

3.2 液压缸力量匹配的改进

液压缸是机床的一个组成部分，在我厂深孔钻床ZP2102上，离不了用液压缸来顶紧加工工件，它的控制是依靠液压阀来实现的。当液压缸的压力为0.7 MPa时，顶紧力为8 778 N;当液压缸的压力为0.2 MPa时，顶紧力为2 508 N。如果采用0.7 MPa的压力顶紧工件，弹簧卡头夹紧工件会变形影响加工精度，必需采用0.2 MPa的压力。参看《液压样本》可知，一般的压力控制阀——减压阀或溢流阀最低控制压力为0.6～0.7 MPa，结构如图5所示，这种结构是非常简单的。

减压液压溢流阀:此种结构的最低压力能够控制在0.1～0.2MPa，在液压缸的进油口增加一个减压式“压力溢流控制阀”，通过溢流阀调整回路的压力。

如图6所示，图6a的回路为常用型叠加阀。图6b的回路在常用型叠加阀基础上增加了1个“溢流阀和单向阀组合阀”。当油缸顶紧时通过溢流阀1流过液压缸，此时液压缸的压力由溢流阀1上的弹簧来调整。济南液压件厂就可生产，压力可以控制在0.1～0.2 MPa，流过溢流阀1的液压油不能流过单向阀2，因为在单向阀内已经将弹簧的顶紧力增大到开启压力在0.7 MPa上。油缸松开时通过单向阀2流过溢流阀1的溢流口流回油箱，此时液压缸的压力为2 MPa，这时液压油不能流过溢流1。由图5可知:因为液压油将油口堵死，锥堵只能单方向移动，不可能是双向的。

3.3 管式溢流阀的改进

这里是另外一种控制顶紧压力的方法，从图7液压原理图可知，在液压顶紧缸的进油口处安装了1个管式溢流液压阀，液压管道的通径为φ6 mm，依靠该阀对液压顶紧缸进行0.2 MPa的压力控制。实践证明:该方法可以解决液压顶紧力大小的问题。

从图8管式溢流液压阀结构图可知:松开右端的锁紧螺母，操纵调节螺杆4使之前进或后退，从而改变了调节弹簧3的压缩长度，导致作用在锥阀2的顶紧力产生变化——增大或减小;当液压油从左端进油口接头1进入时(接头1内径只有φ2～3 mm)，锥阀2对液压油起到阻尼作用，迫使流经下部出油口的压力下降，通过改变调节弹簧3的压缩量可以调节出油口的压力的大小，压力可以控制在0.1～0.2 MPa。

当管径比较大的油液流经管径比较小的管道时，在直径变化处会产生节流作用，使小管径里的油压力增高，流量会减小，在直径变化处形成紊流，无论是进油口还是出油口正反通油，锥阀2与溢流阀体5始终是开口的，不能完全闭合;这就是利用紊流产生的压力差使锥阀2不能闭合，确保图7所示正反通油的原因。

4 结语

通过上面的理论分析和生产实践证明，机床设计仿制比较容易，要想做好却很难;通过对深孔钻床一种工件实例的设计与研究，阐述了机床结构设计和液压阀改进设计，机床的各个部件之间互相联系、相互依存并缺一不可，液压系统有时会影响整机的加工精度，本文提出了在液压控制阀上实现0.2 MPa压力的方法，填补了国内空白。

［1］陈心昭.现代实用机床设计手册［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［2］德州机床厂.ZP2102、ZK2102 深孔钻床图纸［Z］.1999.