（机械电子工程专业论文）数控枪钻机床的研究与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 深孔加工技术广泛应用于国防工业、石油采掘、航空航天、机床、汽车等行业。但 深孔加工固有难题是：排屑难，导热性差，刀具振动、易折断等。因此高效、高精度 的深孔加工机床是国内外机床厂争相研究的方向之一。如大连机床集团为不同的汽车生 产厂家设计的各种形式的主油道孔、连杆孔、缸体斜油道孔等深孔加工机床，将深孔钻 削与数控技术有机的结合起来形成高精度、高效率的深孔加工机床，成为国内深孔加工 技术的排头兵。 本文主要针对汽车发动机缸体不同深度的主油道孔的加工，设计一种经济型专用数 控枪钻加工机床。将深孔加工技术与经济型数控系统结合，形成结构简单，柔性好，换 型方便的实用型专用机床。论文论述了机床机械与电气方案的确定，重点探讨了提高深 孔钻削稳定性的方法及刀具的选用。另外针对各种不同形式的数控系统，选择了相对比 p l c 控制方式效率更高，比标准数控系统价格更便宜的经济型数控系统德国的 心f d r a m a t 公司的c l m 系统。该系统是一种紧凑型、模块化- - 四轴交流伺服数控系 统，可直接驱动d k c 完成伺服电机的精确定位运行。同时本文还介绍了伺服电机的选 择，机床电气的硬件电路的设计、电器元件的选择、c l m 的基本指令和参数的设计， d k c 驱动器的的基本功能及参数的确定，以及控制软件的程序编制等。 文中重点介绍了该机床的设计思路，通过对机械系统与电气控制系统的设计与选 用，为国内各汽车发动机生产厂主油道孔的加工做出了有重要实际意义的探索。 关键词：深孔加工；枪钻机床；经济型数控系统 数控枪钻机床的研究与实现 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no nm a c h i n eo fn cf o rd e e pg u nd r i l l a b s tr a c t t h ed e e ph o l ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sw i d e l ya p p l i e di nn a t i o n a ld e f e n c e ，p e t r o l e u m e x c a v a t i o n , a e r o s p a e e ，m a c h i n e ，a u t o m o b i l ea i e f l s b u tt h ei n l a e r e n td i f f i c u l tp r o b l e m so fd e e p h o l ep r o c e s s i n gi s ：t h ee s c a p eo fc h i p si sd i f f i c u l t ，t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yi sb a d ，t h ee u t t i n g t o o lv i b r a t e sa n db r e a k so f fe a s i l y t h e r e f o r eh i g h l ye f f e c t i v ea n da c c u r a t ed e e ph o l e p r o c e s s i n gm a c h i n ei so n eo fd o m e s t i ca n df o r e i g nm a c h i n et o o lf a c t o r i e s r e s e a r c hd i r e c t i o n s f o re x a m p l e ，d a l i a nm a c h i n et o o lg r o u ph a sb e e no n eo ft h eb e s ti nd e s i g n i n ga n d p r o d u c i n gd i f f e r e n tt y p e so fd e e ph o l ep r o c e s s i n gm a c h i n e so nm a i ng a l l e r yh o l e , c o n n e c t i n g r o dh o l e , c y l i n d e rb o d ys l a n t i n go i lh o l ef o rd i f f e r e n ta u t o m o b i l em a n u f a c t u r e rb yc o m b i n i n g d e e ph o l ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y t h i sa r t i c l em a i n l ya i m sa tt h ep r o c e s s i n go fd i f f e r e n t - d e p t hm a i ng a l l e r yh o l e si ne n g i n e c y l i n d e rb o d i e s ，d e s i g n sa ne c o n o m i c a l ，s p e c i a l - p u r p o s e , n u m e r i c a lc o n t r o l l e dm a c h i n e c o m b i n i n gd e e ph o l ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n d n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，t h ea u t h o rd e s i g n s as i m p l es 打t m t u r e ，g o o df l e x i b i l i t ys p e c i a lp u r p o s em a c h i n e t h ea r t i c l ee l a b o r a t e st h e m a c h i n e r ya n dt h ee l e c t r i c a lp l a n , p a y sm o l ea t t e n t i o nt ot h es t a b l em e t h o do fp r o c e s s i n ga n d c u t t i n gt o o ls e l e c t i o n a c c o r d i n gt od i f f e r e n tf o r m so ft h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，c h o s e g e r m a n y si n d r a m a tc o r p o r a t i o n sc l ms y s t e ma sn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，w h o s e c o n t r o l l i n gm o d ei s m o l ee f f i c i e n tt h a np l c , w h i l ec h e a p e rt h a ns t a n d a r dn u m e r i c a l c o n t r o l l i n gs y s t e m t h i ss y s t e mi sak i n dc o m p a c t e d ，m o d u l a rt w o f o u ra x i se x c h a n g es e r v o n u m e r i c a lc o n t r o l l i n gs y s t e m ，w h i c hc a r ld r i v ed k c8 e 1 v 0e l e c t r i c a lm a c h i n e r yp i n p o i n t i n g m o v e m e n td i r e c t l y m e a n w h i l e , t h i sa r t i c l ea l s oi n t r o d u c e ds e r v oe l e c t r i c a lm a c h i n e r yc h o i c e ， e l e c t r i cc i r c u i td e s i g n , e l e c t r i ca p p l i a n c ec h o i c e , c l me l e m e n t a r yi n s t r u c t i o na n dp a r a m e t e r d e s i g n , t h eb a s i cf u n c t i o n so fd k c d r i v e ra n dt h ep a r a m e t e rd e t e r m i n a t i o n , a sw e l la st h e p r o g r a m m i n go fc o n t r o l l i n gs o f t w a r e t h ea r t i c l ee m p h a s i z e so nt h ed e s i g n i n gt h o u g h t so ft h em a c h i n e w i t ht h ed e s i g n m e n t a n ds e l e c t i o no ft h em e c h a n i c a ls y s t e ma n dt h ee l e c t r i c i t yc o n t r o l l i n gs y s t e m ，t h ea u t h o rm a d e as i g n i f i c a n te x p l o r a t i o nf o rt h ed o m e s t i ce n g i n ep l a n to nm a i ng a l l e r yh o l ep r o c e s s i n g k e yw o r d ：p r o c e s so ft h ed e e ph o l e = m a c h i n ef o rd e e pg u nd r i l l ；t h ee c o n o m i ct y p e t r a n s f o r mo fn u m e r i c a lc o n t r o l i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：垒竺数日期；兰壁：! ：罗 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 窭塑堑 导师签名：! 垂笪虹 一血彳日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 本论文选题来源于大连机床集团发动机分厂的实际生产课题。该分厂始建于1 9 9 6 年，当时为生产6 1 1 0 型柴油发动机投资建立了专用的组合机床生产线，发动机主油道 孔的加工机床为双面卧式机床，刀具采用加长麻花钻，对头分先后对主油道孔进行加工， 先在缸体的一侧面钻孔后，刀具退回，另一侧才能开始进行钻削，加工节拍长，甚至比 一次走刀加工节拍还长，拖了整个生产的后腿。另外往往由于麻花钻本身固有的缺点， 定位不准、易振颤与偏斜，从而产生加工误差，造成主油道孔不圆，工件的大量报废。 2 0 0 5 年该分厂与长春一汽和无锡柴油机厂合作，增加了6 1 1 3 等型号的柴油发动机加工。 随着产量的加大及产品不断换型需要，此台机床的矛盾日益显现：1 、加工节拍慢，成 为生产线上瓶颈工序。2 、刀具寿命短。3 、生产换型困难。于是研制新的主油道加工机 床的任务被提出。 在机器制造中，一般孔的深径比i d 大于5 时称为深孔，主油道孔是发动机润滑系 统中，贮存压力润滑油的最主要腔道。该孔细且长，孔径m1 5 m m 由2 0 m m ，几乎占据 了气缸体的整个纵向长度( 如图1 1 所示) ，对于货车发动机，气缸数较多的缸体来说， 总长度约l m 左右，同时缸体内结构复杂，非常紧凑，稍有偏差，主油道孔将被钻漏。 深径比约为4 0 5 0 的深孔，加工难度大、技术含量高、专业化强度高、加工成本高的一 种孔n t _ 技术。排屑困难以及派生出来的钻头寿命短等诸多不利因素使得利用普通麻花 钻钻深孔时，有以不具体困难： ( 1 ) 钻头细长刚性差，工作时容易偏斜和产生振动。因此孔的直线精度及表面粗糙 度难保证。 ( 2 ) 切屑多而排屑通道长，若不采取必要措施，随时可能由于切屑堵塞而导致钻头 损坏，甚至钻头折断。 ( 3 ) 普通麻花钻的横刃为负前角，钻削时横刃处于挤刮状态，易引起钻头振动。 ( 4 ) 钻头在近似封闭的状态下工作，切削液不易进入，热量不易散出，钻头磨损严 重【i 】o 因此麻花钻( 包括加长麻花钻) 己不能适应深孔加工的需要，而必须采用近年来深孔 加工较先进的枪钻加工。枪钻的好处是： ( 1 ) 排屑通畅。枪钻在加工深孔时，具有一定压力的切削液通过枪杆和刀头，在孔 内能良好地分屑、卷屑和断屑，并同时将切屑强制排出。 数控枪钻机床的研究与实现 图1 1 机床左头加工示意图 f i g u r e1 1t h es c h e m a t i cd r a w i n go f m a c h i n e sl e f tp a r t ( 2 ) 冷却和润滑充分。在钻屑过程中，具有一定压力的切削液不仅能将高速时产生 的热量带走，而且还有润滑作用和防腐性能。 ( 3 ) 良好的加工精度和表面粗糙度。为了防止钻头工作时偏斜和振动，枪钻都采用 了精确的前导向装置：枪钻加工出孔的精度为i t 8 i t l 0 ，表面粗糙度为r a 3 2 0 8 u m ，枪 铰加工出孔的精度为i t 6 i t 9 ，表面粗糙度为r a l 6 0 6 u m ，而且孔的直线度也比较好。 ( 4 ) 有些高精度深孔( 如连杆螺栓孔) ，经钻削之后，还需要铰削精加工。用枪铰的 效果比用普通铰刀要好得多。如果枪钻后再枪铰，用一台机床一道工序完成，既经济又 可减少中间工序环节。 ( 5 ) 加工效率高，劳动强度低。因枪钻切削速度和进给量都比普通切削加工快，铁 屑由切削液强制排出，不存在加工中倒屑现象，所以效率很高，而枪钻机床属于半自动 控制机床，这大大降低了工人劳动强度【2 】。 因而针对主油道孔长而细的特点，宜采用枪钻机床加工。 大连理工大学硕士学位论文 另外随着中国汽车工业的发展，产品更新换代的速度加快，专机已不能满足产品换 型的需要，这就要求新设计的机床柔性好，可以适应不同形式的缸体主油道孔加工。数 控机床刚好能满足这一需求。目前数控机床按功能水平分类可分为三种形式：一是经济 型数控机床：经济型数控机床是指采用步进电动机驱动的开环控制的数控机床。这种机 床一般精度较低、价格便宜、功能简单，适用于自动化程度不高的场合。二是全功能型 数控机床，全功能型数控机床的功能齐全、价格较贵。它适用于加工复杂零件。三是精 密型数控机床，精密型数控机床采用闭环控制，它不仅具有全功能型数控机床的全部功 能，而且机械系统的动态响应较快。它适用于精密和超精密n i t 3 1 。由于主油道孔加工 精度不高，功能较简单，所以采取精心的简约结构设计的经济型数控机床，一方面能发 挥最佳性能，另一方面功能又很简洁，为许多生产厂家所接受，也是我们设计的主导思 想。 因此针对不同型号缸体、不同深度的主油道孔的加工，设计一种经济性好、柔性好、 刀具寿命长的经济型数控加工深孔钻床的任务被提出。本文的内容主要介绍该枪钻机床 的机械方案的制定，电气方案的制定，包括机床主轴的设计、进给滑台的设计、刀具的 选用、数控系统硬件的选择，伺服驱动组的选择及应用，软件编程等。 深孔加工技术由于其高效、高精度等优越性已在国防工业、石油采掘、航空航天、 机床、汽车等行业获得相当广泛的应用。近年来，深孔加工技术的发展很快，我国机械 制造加工业对深孔加工技术的研究也取得了长足的进步，如将深孔钻削与经济型数控系 统结合起来形成结构简单，柔性好，换型方便的实用型机床，对深孔加工技术的发展是 非常有益的。 随着中国汽车工业的迅猛发展，发动机的主机厂将越来越多，对缸体主油道的加工 需求也会迅速增加，主油道超大径深比的加工是这些主机厂共同面临的问题，通过对该 机床的研究将为这些加工厂开辟出道路，指明方向。 1 2 国内外研究现状概况 1 2 1 枪钻国内外研究现状 深孔加工的发展经历了从传统的麻花钻到高速钢枪钻到硬质合金枪钻，2 0 世纪9 0 年代研制的单管内排屑喷吸钻、数控机床用钻头等。深孔麻花钻由于其无需专用设备、 成本低、非常适用于非回转体零件的加工，国内外己研究出多种类型的加工2 0 以下孔 径麻花钻，如美国的b e n d i x 公司的抛物线槽型钻头、德国g u h r i n g 公司的g t 系列钻头、 英国d o r m e r 公司的蜗杆形钻头、德国r s t o r k 公司的v 槽型钻头、国内生产的深孔麻 花钻及西安石油大学的四棱带深孔麻花钻等，加工直径最小可以达到6 一1 4 m m 【4 j 。 数控枪钻机床的研究与实现 但是，当深度超过排屑槽长度时麻花钻钻头需要多次从孔中退出进行润滑和排屑，另外， 麻花钻的抗扭矩性能有限，进给速度低，而且加工孔可能出现螺旋形沟槽，使麻花钻的 应用范围受到限制。 枪钻：因其自身的特点适用于力t l i d , 孔径零件，而且一次走刀就可以加工出高精 度、低表面粗糙度的深孔，并可取代现行的钻、扩、铰工艺。近几年出现的新型枪钻较 多，结构变化也大，其中突出的有双刃枪钻、断屑枪钻、振动枪钻、s p e e d b i t 枪钻及销 式枪钻【5 】钻孔直径1 9 n l l l l 一c d 5 0 m m 或更大的孔径，加工深度可达4 m 左右，孔加工 误差一般0 0 1 3 m m 以内，特别是用于加工直径c d 2 ( i ) 4 0 m l l ，长径比小于1 2 5 的超深通 孔或盲孔，是其他孔加工刀具所不能胜任的【6 】。d o u b l e f e e d e r 钻属于内排屑深孔钻，由 于双抽吸作用，最d , 力n i 直径可达到c d6 m m ，在钻孔深度上，采取逐渐加长钻杆和适当 加长导向块的办法，可以加工长径比为3 0 0 以上的深孔，但是当钻头小于8 m m 时， 制造成本高于枪钻【7 1 。单管内排屑喷吸钻克服了枪钻结构不合理、力学性能差、制造困 难等缺点它的结构工艺性完善，性能优越，易于国产化。广西工学院研制出一种用于数 控机床的高效深孔钻【引，解决了在数控机床上加1 4 , 直径深孔( t d 2 0 m m ，5 u d m e f f ( 3 - 2 0 ) 式中符号的含义如下： 1 5 数控枪钻机床的研究与实现 1 m f 2 t r q u ef r i c t i o n 2 m f ( t ) = t o r q u e f r i c t i o nt a b l e 3 ( s ) ：t o r q u ef r i c t i o ns c r e w 4 i = c r e a rr a t i o 变速比 5 r e = m a s so fa x i si n c l u d i n gw o r k p i e c e 6 g = 9 81k g r r g s e c 7 u = f r i o r i o nf a c t o r ( s t e e l s t e l l 0 15 o 1 ) 8 h = p i t c ho fb a l ls c r e w 9 n = e f f i c e n e yf a c t o r 10 m w = t o r q u ew e i g h t 1 1 s i n a = a n g l eo fa x i st oh o r i z o n t a l h o r i z o n t a la x i s = 0 v e r t i c a la x i s = 】 磨擦力矩 工作台磨擦力矩 丝杠磨擦力矩 轴负载重量( 包括工件在内) 自由加速度 摩擦系数 螺距 有效系数 重量力矩 轴安置角度 12 w a g h tc o m p e n s a t i o n 重量补