空簧孔靜電冷卻干式鏜削加工平臺(tái)的設(shè)計(jì)

成洪川，趙 娟，孫若望

（青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，青島 266033）

0 引言

高速動(dòng)車組的避震器采用的是空氣彈簧懸掛系統(tǒng)，空簧孔上接空氣彈簧，下部聯(lián)通側(cè)梁、橫梁氣路?？栈煽椎募庸け砻尜|(zhì)量會(huì)影響空氣彈簧的密封性及控制閥的精度，需采用精鏜加工工藝?？栈煽讖较虺叽鐬棣?9.5mm，鏜削縱向進(jìn)給量F=97mm，空簧孔樣件實(shí)物圖及剖面示意圖如圖1所示。

空簧孔屬于階梯型盲孔，一般利用數(shù)控加工中心對(duì)空簧孔進(jìn)行鏜削加工。目前使用的冷卻、潤(rùn)滑方法:采用幾個(gè)的噴嘴同時(shí)向環(huán)形間隙噴大量冷卻液。這種方法的缺點(diǎn)是：資源浪費(fèi)、污染環(huán)境、切削區(qū)不能充分冷卻、潤(rùn)滑。

為解決這一問(wèn)題，本文采用靜電冷卻干式鏜削：將鏜刀桿內(nèi)部開孔，使得小孔一直延伸到鏜刀頭部，小孔出口對(duì)準(zhǔn)刀尖切削處。切削時(shí)將由靜電冷卻裝置產(chǎn)生的活性氣體自鏜桿后端授入，流經(jīng)鏜刀內(nèi)孔，由鏜頭小孔噴出，噴射在刀片切削處。工藝的難點(diǎn)在于鏜刀與氣路的密封性及靜電裝置與機(jī)床的耦合性。本裝置可以使活性氣體跟隨刀片旋轉(zhuǎn)，切削處一直受到冷卻潤(rùn)滑作用。這種冷卻潤(rùn)滑方式效果好、無(wú)污染、環(huán)保清潔、對(duì)工人身體無(wú)害。

1 靜電冷卻系統(tǒng)

1.1 靜電冷卻的基本原理

干式靜電冷卻法利用的是靜電場(chǎng)裝置間隙放電原理，即將持續(xù)通入的空氣流電離，經(jīng)離子化、臭氧化成為活性氣流，噴入的活性氣體加快了切削區(qū)域空氣的對(duì)流。離子化的負(fù)氧離子增加了活性氣流的導(dǎo)熱性?；钚詺怏w中的負(fù)氧離子及臭氧具有良好的表面吸附性和滲透性，能滲入切削區(qū)切屑接觸的表面，形成一層氧化薄膜，起到邊界潤(rùn)滑作用。臭氧氣體可以使新生表面迅速發(fā)生鈍化作用，保護(hù)已加工表面。

1.2 靜電冷卻系統(tǒng)的組成

靜電冷卻系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、通氣管路、電暈放電裝置、臭氧及負(fù)氧離子檢測(cè)器四個(gè)部分。靜電冷卻系統(tǒng)如圖2所示。

空氣壓縮機(jī)是氣體輸送的動(dòng)力源；通氣管路是氣流的通道即將活性氣體引入鏜削切削區(qū)；電暈放電裝置是靜電冷卻系統(tǒng)的核心，采用的是針孔電暈放電電路來(lái)制備靜電冷卻活性氣體；臭氧及負(fù)離子檢測(cè)器主要作用是采集活性氣體的濃度數(shù)據(jù)，優(yōu)化電暈放電裝置的參數(shù)。

2 外氣路內(nèi)冷精鏜刀的設(shè)計(jì)及裝配

2.1 鏜刀要求

1）基本尺寸：外氣路內(nèi)冷精鏜刀鏜頭的徑向尺寸調(diào)整范圍大于空簧孔加工尺寸變化范圍Φ53mm～Φ60mm。刀桿與刀頭的長(zhǎng)度尺寸之和大于空簧孔的深度97mm。

2）耦合性：外氣路內(nèi)冷精鏜刀應(yīng)保證刀桿旋轉(zhuǎn)，外氣路固定。MV-80加工中心主軸底部有六個(gè)螺栓孔，采用固定桿與主軸底部的法蘭孔配合將外氣路連接套固定。主軸如圖3所示。

圖3 MV-80加工中心主軸

3）絕緣性：采用靜電冷卻方式得到的活性氣體負(fù)氧離子，在傳送過(guò)程需要絕緣化環(huán)境，所以鏜刀的整個(gè)氣體回路需做絕緣化處理。

4）外氣路：為了實(shí)現(xiàn)加工時(shí)切削區(qū)的最優(yōu)化冷卻，活性氣流在外氣路直接與刀柄的內(nèi)氣路連接的絕緣環(huán)境下直接到達(dá)切削區(qū)。

5）氣流量： 在一定范圍內(nèi)，高壓電暈放電產(chǎn)生的的臭氧和負(fù)氧離子濃度隨氣流量增大而增加，但空簧孔樣件尺寸固定，選取的內(nèi)冷精鏜刀鏜頭上冷卻孔的直徑為4mm，因此只能利用調(diào)節(jié)外氣路氣壓來(lái)調(diào)節(jié)氣流量。

6）密封性：活性氣體在傳送過(guò)程中必須要做到全程密封性，這也是改裝精鏜刀難點(diǎn)。

2.2 外氣路內(nèi)冷精鏜刀的改裝

由選定型號(hào)的精鏜刀改裝成的外氣路內(nèi)冷精鏜刀將鏜刀、加工中心、電暈放電裝置耦合。改裝后的內(nèi)冷精鏜刀實(shí)物及剖面圖如圖4所示。

外氣路內(nèi)冷精鏜刀組成部分：

1）鏜頭：型號(hào)為BSD50Φ53-95，總高度為58mm，材料為高速鋼。

2）刀桿：直徑Φ50，高度141mm，材料為45號(hào)鋼。

圖4 外氣路內(nèi)冷精鏜刀

3）內(nèi)絕緣氣路：由兩段直徑不同相互連接在一起的絕緣氣管組成，直徑分別為Φ6mm、Φ4mm。大直徑氣管位于鏜刀上加工的通孔內(nèi)，一端與內(nèi)套采用強(qiáng)力膠水粘接在一起，另一端接小直徑氣管。小直徑氣管尾部對(duì)準(zhǔn)鏜削時(shí)的已加工表面。

4）隨動(dòng)裝置：由內(nèi)套和緊固螺釘組成，鏜削加工時(shí)內(nèi)套隨著鏜刀桿一起旋轉(zhuǎn)。

5）外氣路連接裝置：由快速接頭、外套、軸承和固定桿組成?？焖俳宇^與外套通過(guò)管螺紋孔連接，外接管通過(guò)上下軸承間間隙與內(nèi)絕緣氣管相接，固定桿一端通過(guò)兩個(gè)螺釘連接在外套上，另一端嵌入加工中心的螺栓孔內(nèi)，外套材料采用強(qiáng)度、硬度高，絕緣性好的聚四氟乙烯。該裝置能保證外接氣管與主軸箱保持相對(duì)靜止。

2.3 外氣路內(nèi)冷精鏜刀的裝配

精鏜刀改裝完成后后，零部件的裝配關(guān)系：內(nèi)套與鏜桿采用的是過(guò)盈配合，過(guò)盈量為0.02mm，裝配時(shí)，首先將內(nèi)套放入開水中浸泡3min～5min，內(nèi)套受熱膨脹，然后將內(nèi)套取出套入鏜桿內(nèi)，內(nèi)套遇鏜桿冷卻收縮，與鏜桿緊密配合連接在一起。上下軸承與內(nèi)套采用的也是過(guò)盈配合，過(guò)盈量為0.01mm；與外套采用的是過(guò)度隙配合，裝配時(shí)，將銅管套入上軸承內(nèi)圈，用敲擊的方法將軸承打入內(nèi)套，然后將外套套在軸承外圈上。

3 整體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包含：立式數(shù)控加工中心、鏜削刀具、三向壓電式切削力測(cè)量?jī)x、熱電偶測(cè)量?jī)x、數(shù)據(jù)采集器、電暈放電裝置和其他機(jī)械加工輔助設(shè)備和參數(shù)測(cè)量?jī)x器。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建整體框圖如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

3.1 加工中心及鏜削工具

立式數(shù)控加工中心，機(jī)床型號(hào)為MV-80，采用FANUC系統(tǒng)。精鏜工步采用的是外氣路內(nèi)冷精鏜刀，孔徑加工范圍Φ53mm～Φ70mm，加工深度范圍0mm～130mm。

3.2 測(cè)力儀、熱電偶及數(shù)據(jù)采集器

采用三向壓電式切削力測(cè)量?jī)x，根據(jù)壓電效應(yīng)原理來(lái)測(cè)量三個(gè)方向鏜削力。利用數(shù)據(jù)采集器獲得熱電偶產(chǎn)生的電壓信號(hào)，熱電偶測(cè)量?jī)x如圖6所示。

圖6 熱電偶測(cè)量?jī)x

3.3 電暈放電裝置

靜電冷卻系統(tǒng)采用的是針-孔放電裝置，經(jīng)試驗(yàn)得出將孔口直接對(duì)準(zhǔn)切削區(qū)所得到的冷卻效果很好。電暈放電裝置連接如圖7所示。

圖7 電暈放電裝置連接圖

3.4 空簧孔樣件的裝夾

利用螺栓將測(cè)力儀與空簧孔樣件固定在數(shù)控加工中心上，進(jìn)行基本裝夾。為了避免震動(dòng)，試驗(yàn)采用螺桿在空簧孔樣件的兩端施加向上的平衡力，來(lái)增加整體剛性。工件的裝夾屬于不完全定位，鏜孔加工前需要進(jìn)行找正處理。樣件裝夾如圖8所示。

圖8 空簧孔樣件的裝夾

3.5 精鏜刀與電暈放電裝置的裝配

試驗(yàn)采用PU管將電暈放電裝置與精鏜刀進(jìn)行連接。根據(jù)電暈放電裝置外接氣路的特點(diǎn)：PU管越短，氣路的彎曲度越低，活性氣體噴至切削區(qū)的濃度越高，靜電冷卻效果越好。根據(jù)現(xiàn)有機(jī)床Z軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的行程，選取PU氣管的長(zhǎng)度為1.5m，裝置連接如圖9所示。

圖9 內(nèi)冷精鏜刀與靜電冷卻裝置連接圖

3.6 平臺(tái)的整體搭建及實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意問(wèn)題

切削熱和切削力的測(cè)量?jī)x器需要接地處理，否則初始數(shù)據(jù)在零點(diǎn)處會(huì)有很大的波動(dòng)。電暈放電裝置會(huì)產(chǎn)生高壓直流電場(chǎng)，其對(duì)傳感器產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾，本文采用靜電屏蔽的方法如用外壁通過(guò)導(dǎo)線接地的金屬殼罩住放電裝置來(lái)消除干擾。平臺(tái)的搭建如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4 結(jié)論

本文以空簧孔的精鏜加工為研究對(duì)象，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使鏜刀、靜電冷卻裝置以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)備具有很好的耦合性。經(jīng)過(guò)精鏜實(shí)驗(yàn)，分析大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出靜電冷卻方式可顯著降低切削溫度和切削力，降低刀具磨損量，提高刀具的使用壽命。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算得出靜電冷卻干式鏜削刀具壽命為濕式鏜削時(shí)的0.87倍，符合新型冷卻工藝的要求。因此采用本文設(shè)計(jì)的精鏜裝置進(jìn)行靜電冷卻干式鏜削工藝可以代替切削液的使用而投入到實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中。

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