陈灵强1, 2 , 朱 林1, 王卫刚2
( 11 西安石油大学, 陕西西安710065; 21 宝鸡石油有限责任公司技术中心, 陕西宝鸡721000)

石油钻机中有很多大型箱体类零件, 如绞车架、传动箱等。这类箱体零件多数由较薄的钢板组焊而成,本身刚性较差, 箱体上通孔的尺寸大, 且其内、外端面又要求加工。传统加工方法见图1a, 是在卧式镗床(W200G、W250G) 上进行铣削( 单刀刮铣)。由于单刀刮铣时切削力很大, 易产生振动, 噪音大, 加上刀具安装误差, 往往刮铣出的端面呈凸型( 或凹型)。因此, 加工后表面粗糙, 形状精度差, 生产效率低下, 且易打碎刀片。为此, 经分析论证, 研制出了自动进给式镗头。
图1 箱体上通孔内、外端的2 种加工方法
1 自动进给式镗头的设计
本设计是以降低切削力为出发点, 采用了端面镗车的原理来实现这一目的, 如图1b 所示。自动进给式镗头的设计原理如图2 所示, 该镗头主要由输入轴、壳体、内齿圈、行星轮、蜗杆蜗轮副、丝杠丝母副、燕尾槽导轨副等零部件组成。为便于直观地了解该镗头的设计原理, 将整个切削过程分解为主切削运动和进给运动, 其传动流
程如下:
主切削运动: 输入轴回转键连接壳体回转通过动、静导轨副( 因壳体与静导轨一体)燕尾槽动、静导轨
图2 自动进给式镗头设计原理图
同步周向回转动导轨与刀夹刚性连接刀具周向回转,
形成主切削运动。进给运动: 输入轴回转键连接壳体回转由于内齿圈固定
行星轮自转与蜗杆轴通过键连接蜗杆轴回转蜗轮回转由于蜗轮与丝母作为一体丝母回转由于丝母轴向固定丝杠平移燕尾槽动导轨与丝杠刚性连接燕尾槽动导轨相对于静导轨平移动导轨与刀夹刚性连接刀具径向平移, 形成进给运动。
由图2 和传动流程可以看出: 输入轴与机床主轴联接, 并随主轴一起回转。燕尾槽导轨的静导轨通过壳体过渡与机床主轴刚性连接, 故随机床主轴一起回转, 输出主切削力, 进行主切削运动。同时, 由于内齿圈固定, 行星轮在公转的同时带动蜗杆轴同步自转,蜗杆驱动蜗轮, 而蜗轮与丝母做成一体, 蜗轮转动即为丝母转动, 蜗轮轴向固定即为丝母轴向固定, 这样,丝母便推动丝杠沿轴向移动, 丝杠就带动燕尾形导轨的动导轨作径向运动, 带动固定在动导轨上的刀杆、刀具作径向进给运动, 以实现镗头的端面车削。
《新技术新工艺》#机械加工工艺与装备 2006年 第 7期 # 35 #
2 自动进给式镗头主参数设计
21 1 工艺参数的确定
经过对石油钻采设备箱体件上孔径的统计, 确被加工孔的直径为5300~ 5800 mm, 箱体上被加工孔的内、外端面( 环面) 宽度小于130 mm, 同时考虑动、静导轨的接触面积以及加工范围的富余量, 确定动导轨的滑移范围为2 @ 75= 150 mm, 见图3。
图3 加工范围示意图
21 2 刀具材料选择需加工端面的工件材料多为Q235A 钢, 也有45 钢、1 6Mn 钢等材料, 结合切削条件及工况, 选用硬质合金YT 15 刀片。为保证刀尖强度及刀刃锋利, 刀具主偏角选用75b。
21 3 切削参数的确定
切削参数主要指切削用量的选择。根据被加工工件表面粗糙度要求和结合现场实际选取进给量f= 01 3 mm/ r; 根据端面加工余量和加工效率确定背吃刀量ap = 5 mm; 结合背吃刀量ap 、刀具进给速度f , 根据选用的刀具材料YT15, 选定切削线速度v =
11 8 m/ s。所以, 据被加工孔直径5300~ 5800 mm,可计算出主轴转速n= 43~ 115 r/ min。
21 4 切削力及切削功率
主切削力FZ 是各切削分力中的1 个, 它消耗了切削总功率的95%, 是设计时确定主运动系统刚度和强度的的主要依据; 走刀抗力F X 是确定进给系统刚度和强度的的主要依据。根据《切削用量手册》算得: FZ= 2 610 N, FX =
1 154 N。
3 自动进给式镗头的结构设计
31 1 自动进给式镗头中传动件与移动件的设计
自动进给式镗头中传动件与移动件的设计主要包括蜗轮蜗杆副、丝杠丝母副、行星轮副, 燕尾槽导
轨副的设计。蜗轮由蜗轮支座确定位置, 蜗轮支座通过螺栓及定位销与壳体固定在一起, 蜗轮支座与壳体之间加了调整垫, 从而保证了蜗轮就是丝母的正确位置,蜗轮与丝母做成一体, 简化了结构, 减小了壳体以及整个镗头的体积。齿轮传动运用行星轮传动方式, 也减小了体积。燕尾槽导轨间隙的调整借鉴了车床的导轨方式, 即在静导轨的一侧导轨面, 沿长度方向增加了斜度为1 B80 的斜面。动、静导轨之间设计了斜度为1 B 80 的镶条与之相匹配, 镶条端部带一个螺钉, 通过松紧螺钉推动镶条前后移动, 实现导轨间隙的调整。镶条材质为HT 200, 耐磨且有储油作用。
31 2 丝杠的选择与安装
由于丝母轴向固定, 丝杠移动, 存在轴向载荷和径向载荷, 故丝杠的支承部位选用圆锥滚子轴承, 安装方式为面对面安装。内齿圈部位仅存在径向载荷, 故采用深沟球轴承。各处轴承调整部位均设计了垫片, 以便于调整。
31 3 润滑与密封
行星轮处为浸油润滑, 通过内齿圈上的注油孔加注适量润滑油进行润滑。蜗轮与蜗轮支座以及动、静燕尾槽的滑动摩擦面采用油杯润滑。其余部位均采用手动润滑以简化结构, 从而使镗头外形尺寸尽可能小巧。输入轴与内齿圈端面采用V 型密封圈封, 动、静导轨端面加毡片以防止切屑等损伤导轨。需要说明的是, 由于该镗头为开式结构, 故其润滑及密封结构的设计有其不足之处。
4 自动进给式镗头的传动设计计算
针对该镗头, 以前述选定的各项参数和结构设计为依据, 说明总传动比的确定及分配如下。
41 1 总传动比i 的确定
f = 01 3 mm/ r , 即主轴每转1 圈, 动导轨平移(即丝杠轴向平移) 01 3 mm, 而丝杠螺距P= 3 mm, 故主轴每转1 圈, 丝母要回转( 01 3/ 3) @ 360b= 36b, 而丝母与蜗轮作为一体, 即主轴每回转1 圈( 360b) , 蜗轮回转36b。由此得到总传动比i= 36b/ 360b= 01 1。
41 2 总传动比的分配
镗头要求体积小, 结构紧凑, 且传动链为空间分布( 空间转向90b) 。为压缩空间位置, 在结构设计中,将蜗杆与轴作成一体, 蜗轮与丝母作成一体。综合考虑后确定, 总传动比采用先增速再减速, 分配如下。蜗杆头数为1, 模数m= 2, 蜗轮齿数z = 30, 模
数m= 2, 蜗轮蜗杆副的传动比为1/ 30, 符合蜗轮蜗杆副推荐的传动比1/ 8~ 1/ 80 的范围。行星轮副中大齿轮: 模数m= 21 5, 齿数z = 58, 行星轮模数m=21 5, 齿数z = 20, 则可逆向推出总传动比为: ( 58/20) @ ( 1/ 30) = 01 097U01 1。
5 工艺试验
51 1 试验条件和参数
试验设备: W250G 卧式镗床; 加工零件: 70L 钻
机并车箱; 加工尺寸范围: 5340~ 5650 mm51 2 与传统加工方式的数据比较
采用自动进给式镗头与普通镗头加工方式相比
较, 其切削速度由原来112 m/ s 提高到118 m/ s , 进给
量由原来01 2 mm/ r 提高到013 mm/ r , 加工效率提高
了321 7%; 加工精度和表面粗糙度的比较见表1。
表1 不同加工方式的数据比较
加工孔的
尺寸要求
5550+ 01 07
左端
5 340+ 01057
左端
5 370+ 01057
右端
5 650+ 01 07
右端
表面粗糙度
要求R a/Lm
31 2 31 2 31 2 31 2
普通镗头
加工尺寸
5550+ 01 23 5 340+ 01059 5 370+ 01065 5 650+ 01 25
普通镗头加工表
面粗糙度R a/Lm
> 81 0 > 81 0 > 81 0 > 81 0
自动进给式镗头
加工尺寸
5550+ 01 05 5 340+ 01059 5 370+ 01065 5 650+ 01 07
自动进给式镗头加
工表面粗糙度R a/Lm
31 2 31 2 61 2 61 2
6 结语
1) 自动进给式镗头将行星轮机构、蜗轮蜗杆副、丝
杠丝母副、燕尾形导轨副巧妙地组合, 实现了在镗床上
进行内外端面车削的功能, 对于扩大镗床的工艺范围、
提高机械加工工艺水平发挥了重要的作用。
2) 自动进给式镗头的使用, 降低了切削力、减
少了工件振动、表面粗糙度由R a81 0 Lm 以上降低
到R a31 2~ 61 2 Lm, 加工效率提高了321 7%。
[ 参考文献]
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[ 4] 艾兴, 等. 切削用量手册[ M ] . 北京: 机械工业出版
社, 1984.
作者简介: 陈灵强( 1976- ) , 男, 主要从事石油钻采设备的工
艺设计研究工作。
收稿日期: 2006 年2 月26 日