牙轮钻机中空轴的机械加工工艺分析

谢军， 李国荣

（中钢集团衡阳重型机械有限公司，湖南 衡阳 421002）

1 中空轴的机械设计原理分析

1.1 牙轮钻机钻孔原理

我们在分析中空轴的受力情况时，要先了解牙轮钻机钻孔原理。牙轮钻机一般是在各种矿（岩）硬度为f4-20的大中型金属露天矿（黑色和有色）及非金属露天矿穿炮孔作业。

当钻架立起后，钻架下部与主平台用锁销轴锁定钻架，钻架垂直地面处于可穿孔状态。它利用旋转冲击来破碎岩石形成钻孔，钻机工作时，回转机构带动钻具旋转，通过钻杆给钻头施加足够大的轴压力和回转力矩，使钻头压在岩石上，边推进边回转。为了保证钻孔工作连续进行，钻机穿孔作业排碴由螺杆式压缩机产生压力风，进入主风道，通过回转减速机主中空轴内部到钻杆、稳杆器、钻头，将碴沿孔壁与钻杆之间间隙吹出到地面，如图1所示。

图1 牙轮钻机钻孔示意图

1.2 中空轴在牙轮钻机中的作用

牙轮钻机工作时，主要是通过其回转、加压机构使钻具回转钻孔。牙轮钻机通过回转机构减速机的主中空轴与钻具相连，用来回转钻具，并把电动机的扭矩和转速传递给钻头。加压机构给钻头施加轴向压力，使岩石破碎，如图2所示。

1.3 中空轴材料及结构

通过分析牙轮钻机工作原理，根据中空轴的工作环境、工作条件、受载及应力情况，选用了有高强度和高韧性以及有着优良的综合机械性能的35CrMoV合金钢，该材料具有良好的切削性能和热处理工艺性能。

中空轴的阶梯设计从轴的右端向左依次安装轴承、轴承座、齿轮、隔套、右端轴承、引风压盖等零件。零件安装以轴肩和隔套定位，中空设计便于压力汽流通过，将破碎下来的岩石排至孔外。如图3所示。

图2 回转减速机示意图

图3 中空轴零件图

2 中空轴机械加工工艺方案

2.1 中空轴工艺性分析

机械加工的加工质量、生产效率和经济效益，在很大程度上取决于所选用的工件毛坯。根据中空轴材料、结构等特点，可采用锻造方法制造毛坯。中空轴毛坯的尺寸及加工余量，可根据工艺手册中的有关数据，再考虑毛坯锻件及毛坯热处理后表面的氧化层、裂纹、切削加工后的内应力等因素，可按中空轴毛坯工艺示意图中的有关尺寸，毛坯余量选择单边在12～15mm之间比较合适。既能保证产品的加工质量，又能提高生产效率。

2.2 中空轴的加工工艺路线

（1）中空轴主要部位加工方法。中空轴φ70内孔由φ100深孔钻床钻合图，按工艺简图左端镗为φ70H7×60作为工艺基准。三处表面粗糙度为Ra1.6的轴承位置及左端花键外圆、φ206n6由磨床磨削加工外，其余各部内、外径和螺纹由车床车削。右端φ90孔车成φ90H7、左端φ164锥孔车成φ164H7锥孔作为磨削加工基准。两处花键轴由铣床铣合。

（2）中空轴的加工工艺路线。中空轴在单件小批量生产的条件下，加工工艺过程如下：锻→热处理→车划→φ80车钻→30车→热处理→30车→100深孔钻→30车→φ315外圆磨→φ600轴铣→30车→车划→φ80车钻→4米龙门铣→钳。

图4 机械加工工艺简图

（3）中空轴加工过程中定位基准选择。为保证零件的尺寸和形位精度，在加工过程中正确选择定位基准非常重要。轴类零件都是以轴的中心线作为设计基准，轴类零件的加工一般采用中心孔作为定位基准。中空轴为中心通空设计结构，无法在零件本体上加工出中心孔，因此，还需借助内孔配上闷板工具来实现轴的中心孔定位，以保证以后各工序有统一的定位基准，符合基准重合与基准统一原则。中空轴各主要加工工序基准选择如下：（a）中空轴在粗车时，以两端中心孔作为定位基准；（b）在深孔钻床上钻深孔时，以粗加工后的外圆为定位基准；（c）精车及磨削时，两端内孔配上闷板，以两端闷板中心孔作为定位基准；（d）铣两处花键部及键槽时，均以精车后的外圆为定位基准。

2.3 刀具及工装量具

在生产加工过程中，为确保零件的尺寸精度及定位要求，有些工序需要专用的刀具及工装量具，这些专用的刀具及工装量具需在零件正常加工前准备好。

深孔钻工序钻深孔时，需要深孔钻头及相应长度的钻杆；在车床工序车各部时需要端头闷板、左端锥闷头、左螺纹环规；在轴铣两处花键时，需要花键铣刀、花键环规等刀具及工装量具。其中端头闷板与各配装孔，设计过渡配合公差进行加工，左端锥闷头右加长与左端锥孔配车。

3 结语

本文通过对牙轮钻机中空轴的机械加工进行优化，加工出的产品完全满足技术要求和实际使用要求。

［1］杨明忠，朱家诚.机械设计［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2009.

［2］黄孟生，赵引.工程力学［M］.北京：清华大学出版社，2009.

［3］邓文英.金属工艺学［M］.北京：高等教育出版社，1990.

［4］李晓豁.露天采矿机械［M］.北京：冶金工业出版社，2010.

［5］鞍山黑色冶金矿山研究院，长沙矿山研究院.国外牙轮钻机［M］.北京：冶金工业出版社，1978.

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