内排屑深孔钻削机床运动系统设计

1、 西 京 学 院 本科毕业设计本科毕业设计( (论文论文) ) 题目题目： 内排屑深孔钻削机床运动系统设计内排屑深孔钻削机床运动系统设计 教学单位：教学单位： 机电工程系 专专 业：业： 机械设计制造及其自动化 学学 号：号： 0811050209 姓姓 名：名： 吴杰华 指导教师：指导教师： 刘守法 20122012 年年 3 3 月月 西京学院本科毕业设计（论文） i 摘要摘要 针对传统浇注式内排屑深孔钻削系统（bta系统或df系统）存在着切削液消 耗量大、生产成本高、污染环境及危害操作者身体健康等问题。本文是在传统 的bta内排屑深孔钻削系统基础上，增加喷雾装置，建立了亚于式内排屑深孔钻

2、 削系统。亚干式深孔钻削系统是将亚干式切削技术与深孔加工技术相结合，在 bta内排屑深孔加工系统的基础上,采用风冷雾化排屑系统代替bta系统中的切削 液排屑系统而形成的。从而实现风冷雾化切削液对刀具进行冷却润滑和排屑的 功能，以减少切削液的使用及环境污染。 本次设计以亚干式内排屑深孔钻削系统为研究对象，主要设计内容有低温 冷风雾化装置的设计、授油器设计以及负压抽屑装置的设计。亚干式深孔钻削 系统有以下优点：系统加工过程稳定，冷却、润滑、排屑效果良好，可获得较 好的刀具耐用度和内孔表面质量，同时极大地减少了切削液的用量并降低环境 污染，是一种较为理想的绿色钻削工艺系。 该设计可以节约能源、降低生

3、产成本、减少环境污染，具有良好的经济效 益和社会效益。 关键词：关键词：内排屑深孔钻削 亚干式切削 雾化装置 授油器 负压抽屑 西京学院本科毕业设计（论文） ii abstract the traditional cast-type method of inner-chip removal deep hole drilling system (such as bta system or df system) has the problems of the high cutting fluid consumption，high production costs，pollution of the

4、environment and endangering the health of the operator and so on. in this paper，in traditional bta escape of chips deep drilling process system foundation，increases the atomizing device，has established near-dry type deep hole drilling system. the near-dry deep hole drilling system is that the use of

5、 compressed air atomized cutting fluid cooling and lubrication cutters in the deep hole processing with combined near-dry cutting technology and deep hole processing technology， based on the bta inner-chips deep hole processing system，by using the air-cooled liquid escape of chips system instead of

6、the bta escape of chips system. finally the air-cooled liquid with cooling and lubricating function for the cutting tool is achieved，and reduce the use of cutting fluid and environmental pollution. the near-dry deep hole drilling system was taken as object in this study，the design of the main conten

7、ts of the low temperature cold wind atomization device design，coolant supply device design and suction chip removal device design. the result show that the near-dry system drill stability and have better effort in cooling lubrication，chip removal effective. the tool life and surface quality within t

8、he hole are better，at the same time，it can greatly reducing the amount of cutting fluid，the costs and the pollution of the environment. so we can get a conclusion that it is an ideal system in green drilling process. the results of research can save energy，lower production costs，reduce environmental

9、 pollution，and have good economic and social benefits. key word：the inner-chip removal deep hole drilling，the near-dry cutting， atomization device，coolant supply，suction chip removal 西京学院本科毕业设计（论文） iii 目录目录 摘要摘要 .i abstract.ii 1 绪论绪论.1 1.1 深孔加工的特点.2 1.2 内排屑深孔钻削加工系统的发展状况.2 1.2.1 国内相关研究发展状况.2 1.2.2 国外

10、相关研究发展状况.3 1.3 本毕业设计的主要内容.4 2 系统总体方案的布局与设计系统总体方案的布局与设计.5 2.1 总体方案的设计.5 2.2 可行性分析.6 3 低温冷风雾化装置的设计低温冷风雾化装置的设计.9 3.1 低温冷风雾化装置的组成及工作原理.9 3.2 雾化装置的组成及零件设计.11 3.2.1 空气供给装置及冷却装置.11 3.2.2 雾化器的设计.11 3.3 冷却液的选择.13 4 授油器的设计授油器的设计.15 4.1 不旋转式授油器结构及其原理.15 4.2 伸缩轴的设计.16 4.2.1 加工材料的选择.16 4.2.2 伸缩轴的结构设计.17 5 负压抽屑装置

11、的设计负压抽屑装置的设计 .19 5.1 df 系统负压抽屑机理.19 5.2 旋转式负压式钻杆联结器.20 5.3 df 深孔钻削中影响抽屑的因素 .21 5.4 负压系统的参数计算.22 5.5 负压衬套和前后锥套的设计.25 6 运动控制系统的设计运动控制系统的设计 .28 6.1 深孔钻床运动系统的控制要求.28 6.2 运动控制系统的硬件设计.28 6.3 运动控制系统的软件设计.31 7 亚干式深孔钻削系统参数的分析计算亚干式深孔钻削系统参数的分析计算 .32 7.1 亚干式深孔加工切削参数计算.32 7.1.1 切削力的计算.32 7.1.2 深孔钻头各处速度的计算.34 7.2

12、 剪切面平均温度的计算.35 西京学院本科毕业设计（论文） iv 8 结结 论论.38 致致 谢谢.39 参考文献参考文献.40 西京学院本科毕业设计（论文） 1 1 绪论绪论 近年来，随着机械制造行业的不断发展，机械制造业对全球经济的发展做 出重大的贡献，但是也在一定程度上对环境造成了污染。据美国工业有害废物 来源统计表明：金属加工业占工业废物来源的5%，排第四位。切削液具有良好 的冷却和润滑特性，被广泛应用于切削加工。大量的切削液的使用不仅对我们 的环境造成了污染，而且切削液的费用几乎高达生产成本的15%，极大的增加了 生产成本。如今，全世界都在提倡绿色制造，其目标是对资源的合理利用，节

13、约成本，降低对环境造成的污染。 深孔加工是机械加工中加工难度较大，技术含量较高、专业化程度较强、 加工成本较高的一种孔加工技术，一般只有专业化程度较高，技术力量较强的 生产单位才具有这方面的加工能力。随着科技的不断发展，在石油、航空、军 工、工程机械等行业，需用大量的深孔类零件。据有关资料统计，在机械制造 行业中孔加工占全部机械加工的三分之一多，而深孔加工又占到40%以上。由于 深孔加工的特殊性从而形成了其经典难题，排屑难、冷却难、润滑难、工具系 统刚度低。这些问题长期困扰着深孔加工行业，他们限制了深孔加工的工艺范 围，也限制了深孔加工理论及技术向其它领域拓展的能力，使深孔加工成为制 造技术门

14、类中成本最昂贵的技术之一。 内排屑深孔加工作为一种专业高效的深孔加工方法，在石油机械、工程机 械以及军工等机械制造行业得到普遍使用，由于传统的内排屑深孔加工需要使 用大量的冷却油进行循环冷却及排屑，每年要消耗大量的机械油，同时还会造 成工作区的污染及处理铁屑所造成的环境污染。常用的内排屑深孔加工系统有 bta系统、喷吸钻和df系统等，结合深孔加工的实际生产经验和自身加工特点， 在深孔加工中采用完全干式的切削方法是很难实现的。亚干式切削加工技术作 为一种体现绿色制造的先进制造加工技术，具有使用切削液少、冷却效果佳以 及对环境污染小等优点。它采用最小润滑技术(minimal quantity of

15、 lubricating，mql)，将少量或微量切削液通过特定设备输送到工件的加工区域， 使刀-屑接触区、刀-工件接触区得到充分冷却和润滑，降低切削温度，提高刀 具耐用度。而将亚干式切削技术应用到内排屑深孔加工中，形成亚干式深孔钻 削加工系统，可以减少冷却油的使用，降低制造成本，减少对环境的污染。因 此，对亚干式深孔钻削加工系统的研究，无论从经济效益还是社会效益等方面 西京学院本科毕业设计（论文） 2 都具有重要的意义和价值。 1.1 深孔加工深孔加工的特点的特点 深孔加工的情况比较复杂，与普通的孔加工相比，具有其自身的一些特点， 主要表现在以下几个方面： （1）按加工的切削状况分类 深孔加工

16、处于封闭或半封闭的加工状态，无法进行直接观察刀具的加工状 况和切削环境情况。深孔加工一般的长径比都比较大，这样排屑的路径相对较 长，无法很好的保证排屑，排屑就成了很大的问题。深孔加工中钻杆一般比较 长，还有机床系统的原因，工艺系统刚性相对较差。深孔刀具加工空间相对封 闭，不利于散热，热量的积累就会导致温升的加剧，使刀具磨损严重。 （2）按加工的运动方式分类 第一种是工件旋转，钻头进给的加工方式。第二种为工件静止不动，钻头 边旋转边向前做进给运动。第三种是工件和钻头同时做旋转运动，它们旋转方 向相反，钻头做进给切削加工。这适于加工相对旋转速度要求高，并且工件惯 性又太大不适宜做高速旋转的情况，用

17、钻头的旋转做补充。最后一种是工件边 旋转边进给，钻头固定的情况，这一种方法不好，一般不予采用。 （3）按排屑方式分类 外排屑方式和内排屑方式，外排屑是切屑由已加工表面和钻杆外壁构成的 空间排出，然而内排屑是切屑由钻杆内腔排出，不与已加工表面接触。内排屑 的加工方式一般比较合适，尤其是对加工深孔表面要求较高的情况，内排屑的 方式不会擦伤已加工的表面。它能更好的保证加工精度，排屑顺利。 1.2 内排屑深孔钻削加工系统的发展状况内排屑深孔钻削加工系统的发展状况 1.2.1 国内相关研究发展状况国内相关研究发展状况 20 世纪后期，双管吸喷钻和 df 系统同时进入我国少数企业，而这两种技 术各有其局限

18、性，至今也未能普及。90 年代以来，国内机床工业水平提高较快， 相对而言，深孔机床发展则相对滞后，在设计水平、品种、精度和专业化程度 等方面与欧、美、日本还有相当大的差距。深孔加工技术水平研究相对落后， 研究的成本又比较高，出成果相对比较困难，由于深孔加工多用于军工方面， 西京学院本科毕业设计（论文） 3 好多新的研究技术成果在应用推广方面也受到了一定的限制。 深孔技术在我国得到了广泛的应用，江西量刃具厂、成都工具研究所、中 北大学、西安理工大学、西安石油大学、北京科技大学、大连理工大学等单位 在深孔加工技术研究方面处于领先水平。广西工学院研制出了一种用于数控机 床的高效深孔钻，解决了在数控机

19、床上加工小直径深孔（，20 ）的问题，这种深孔钻的前角为02，后角为12，顶角为32/5dl 120，排屑槽呈120v型，在加工合金结构钢小直径深孔时效果较好。留日博 士陈德成等人基于微量润滑的思想，采用油膜附水滴作为润滑剂，并且在实验 中取得了很好的效果。 中北大学也成功的研制出了单管内排屑喷吸钻技术(single tube inner chipremovel ejector drilling)简称“sied技术”，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。使 得深孔加工的实用性更强。西安石油大学深孔加工技术研究所设计出多尖齿内 折线刃深孔

20、钻头，它是在普通内排屑深孔钻头的基础上，对钻头的结构和刃型 做了有效的改进，钻头包含中心齿、外齿、中间平齿（各一个）和两个中间尖 齿，各齿不在同一个圆锥面上，中间尖齿的锥面在轴向方向上高出中心齿和外 齿的锥面（0.51）f，可实现完全分屑，由于中间尖齿为尖齿型，可起到钻削 定心和稳定钻削的作用，除外齿外缘一侧为尖角，其余刀齿都进行了倒角，同 时带有612的侧后角，消除尖角、增大散热面积和刀齿强度，提高刀具耐 用度。这种深孔钻的切削力小，定心效果好，切削平衡，在深孔钻削中取得了 较好的效果，使深孔加工的孔径与深度范围大大扩展。这些科研成果的出现， 把我国的深孔加工水平推向一个更高的层次。 根据喷

21、射器理论，设计适用于亚干式深孔加工系统的喷雾装置，在原有bta 深孔钻床的基础上，建立亚干式深孔加工系统也是全世界不断研究的方向之一。 目前，国内的一些科研机构(如江苏科技大学、重庆大学等)也进行了冷风发生 装置的研究和开发,并取得了一定成果。 1.2.2 国外相关研究发展状况国外相关研究发展状况 19世纪末20世纪初，为解决枪管的加工，出现了将高压切削液通过钻杆内 通道输送到钻头，进行刀具润滑和冷却，并帮助排屑的枪钻，使用时，在枪钻 外径上增加有导向块来保证钻孔正确方向，第二次世界大战期间，由于枪管的 西京学院本科毕业设计（论文） 4 需要量猛增，对枪炮的加工精度的要求提高，使这项技术得到了

22、快速发展。 1943年，由于战争的需要，德国海勒公司研制出了bta内排屑深孔钻削系统。20 世纪70年代中期，由日本冶金股份有限公司研制出df系统单管双进油装置。df 系统是传统深孔钻的最好方式，该系统所用的钻头称为df钻，它是把bta法与喷 吸钻法两者的优点结合在一起的加工方法，被广泛应用于中、小直径深孔加工 中，并取得很好的加工效果。 干式切削技术起源于欧洲，早在20世纪90年代中期，德国的制造企业联合 高校、研究所制定了称为“21世纪工业生产战略”的干式加工项目“生产 2000”，经过45年的协同攻关，取得了干式切削技术的成功，使其在实际生 产中得到应用，据统计，现在已有25%左右的德国

23、企业采用干式切削技术，在此 领域，德国居于国际领先地位。 日本的干式切削技术紧随其后，在本世纪初，日本已成功开发出不使用切 削液的干式加工中心，它是将氮气经过高度提纯后，在常温下以0.50.6mpa压 力输送到切削区进行降温来实现干式切削。 以色列iscrr公司则通过采用新型硬质合金刀具材料，选用适当的刀具形式， 合理的切削进给量和切削速度实现干式切削，在某些工作场合还利用激冷空气 或旋风喷雾来降低切削温度。 当前，在干式加工技术的发展中，亚干式加工技术越来越占有更重要的地 位，在亚干式切削中最为流行的几种技术为：mql(微量润滑)技术、液氮流冷却 切削技术、超低温冷却切削技术、低温冷风切削技

24、术、水蒸气做冷却润滑剂技 术及低温射流加工技术等。国外已有数家公司(三菱、日立等) 生产专门面向切 削、磨削加工用的低温冷风发生装置,但其价格较高。 1.3 本毕业设计的主要内容本毕业设计的主要内容 （1）查询有关深孔加工技术及干式切削技术方面的资料，消化资料，完成开题 报告。 （2）熟悉所用的深孔钻床及摇臂式钻床的机械传动结构及操作方法，测量并分 析计算相关参数。 （3）提出适用于深孔钻床的亚干式深孔钻削加工方案，并进行可行性分析。 （4）完成各种方案的加工系统设计。 （5）完成雾化装置的结构设计及主要零件设计。 西京学院本科毕业设计（论文） 5 （6）完成内排屑系统的授油器及负压抽屑装置的

25、设计。 （7）完成内排屑深孔钻床的运动控制系统的设计。 （8）完成对亚干式内排屑深孔钻削系统参数的分析计算。 2 系统总体方案的布局与设计系统总体方案的布局与设计 2.1 总体方案总体方案的设计的设计 目前，国内关于亚干式深孔钻削加工系统设计研究方法并不是很多。本课 题在现有深孔加工技术的基础上，根据深孔加工的特点及所存在的问题，通过 对深孔钻削过程刀具磨损、低温亚干式冷却切削技术、以及排屑技术的深入研 究分析，将它们的优点有效结合起来，以形成更加完善和可靠的绿色深孔钻削 加工系统。该系统主要有授油器的选择与设计、负压抽屑装置的设计及其性能 分析、雾化器的设计，以及水雾和油雾的混合器的设计。

26、其系统图，如图 2-1 所示： 图图 2-12-1 亚干式深孔钻削加工系统亚干式深孔钻削加工系统 1、工件 2、中心架 3、授油器 4、钻床 5、钻杆联结器 6、空气压缩机 7、高压风管 8、切削液箱 9、吸油管 10、雾化器 11、钻杆 12、积屑箱 亚干式深孔钻削系统的工作原理：采用的亚干式切削加工方案主要是利用 压缩空气进行排屑和冷却，使用雾化切削液进行润滑，其加工系统主要由内排 西京学院本科毕业设计（论文） 6 屑深孔钻床、空气压缩机、雾化器、气液混合喷头等组成，其工作流程为：空 气压缩机提供具有一定压力的空气，在出口处分为两路，其中一路通过雾化器 带出一定量的切削液形成汽液混合物，在

27、喷头处与另一路压缩空气相遇，汽液 混合物通过喷头时被加速并向进气装置授油器的空腔中喷出，形成高压、高速 的雾化切削液，经过钻杆外壁与孔壁之间的通道被传送到钻头的切削部位，冷 却、润滑刀具并将切屑从钻杆内部向后吹出。有尾部负压式钻杆联结器所产生 的负压带动钻杆内的切屑和水雾排除钻杆到积屑箱。 该系统具有结构简单、无需对原有深孔加工系统进行改动以及减少大量机 械油的使用等优点。同时通过加工试验表明，其排屑及冷却效果远优于普通的 bta内排屑深孔加工，如采用油液混合雾化系统，则其对刀具的润滑性将大大增 强。将亚干式切削技术与深孔加工技术相结合,在bta内排屑深孔加工系统的基 础上,采用风冷雾化排屑系

28、统代替bta系统中的切削液排屑系统,形成亚干式深孔 加工系统,从而实现风冷雾化切削液对刀具进行冷却润滑和排屑的功能,以减少 切削液的使用及环境污染。并在不同的切削用量条件下对亚干式深孔加工与bta 深孔加工的切削力进行了对比试验及分析。试验证明该系统在合理的切削条件 下切削力和排屑情况要比bta系统具有优越性。 采用低温冷风油雾化喷射系统实现深孔的亚干式切削,其经济性和实用性是 明显的,系统的结构简单,操作容易,效果突出。在加工中,气体的温度是可控制 的冷风的流量和压力也是可以调节的,这可实现对不同孔径深孔的加工在加工中 切削液可被充分利用,同时其对刀具的冷却、润滑是均匀的,冷风可使切屑在较

29、短的时间内顺利排出,这一切都减小深孔加工的能耗、降低加工成本、提高综合 效益,而且能减小对工作场所及环境的污染。随着环保意识日益提高,人们越来 越宜视各种节能技术,该技术必然有着更广阔的应用前景。 2.2 可行性分析可行性分析 其理论依据是根据西安石油大学 赵红兵、彭海老师对亚干式深孔钻削系统 性能的试验研究。试验采用 bta 深孔钻削系统，其结构，如图 2-2 所示： 西京学院本科毕业设计（论文） 7 图图 2-22-2 btabta 系统系统 传统（湿式）深孔钻削试验时，在bta深孔钻削系统的授油器入口处，接入 n15机械油，切削液从钻杆外壁与工件孔内壁的环形间隙流向钻头刃部冷却润滑 刀具

30、，并携带切屑从空心钻杆的内孔排出；亚干式深孔钻削试验时，改为在授 油器入口处安装切削液雾化器。 雾化装置是亚干式深孔加工系统的关键部件。亚干式深孔钻削系统的喷雾 装置，要求一方面能很好地雾化切削液，使少量切削液以很小的雾滴进入到切 削刃及导向块进行良好润滑，另一方面要求混合流在出口要有一定的正压，足 以推动在连续钻削过程中产生的切屑，将其通过较长的钻杆内孔路径排到积屑 箱。如果不能建立起足够的正压，将无法排出切屑，导致堵屑，无法进行正常 的深孔钻削。 切削液雾化器结构，如图2-3所示： 图图2-32-3 切削液雾化器结构切削液雾化器结构 1、 调整螺母 2、喷嘴 3、螺钉 4、o形密封圈 5、

31、螺钉 6、连接套 7、雾化液管 当压缩空气进入雾化器后，产生一定的真空，通过切削液吸液管吸入亚乳5 号切削液，压缩空气和切削液在雾化器中混合雾化，经喷嘴喷入授油器，高压、 高速的气液混合物通过钻杆外壁与工件孔内壁的环形间隙，冲向深孔钻头刃部 西京学院本科毕业设计（论文） 8 起到冷却和润滑作用，并将切屑从钻杆内孔推出。经实验选定合适的供气压力 为0.3mpa，供气量为0.4。拧动图2-3中的调整螺母1时，可使喷嘴2，min/ 3 m 轴向移动，从而调整喷嘴前部锥面处的间隙。经实验调定锥面间隙为0.5mm，喷 嘴喷射角选为15，喷嘴的最小直径选为5mm。雾化器工作参数按上述值调定 后，测得亚干式

32、钻削的切削液使用量约为0.2l/min，远远少于湿式钻削。 根据实验结果及深入研究得出以下结论: （1）亚干式深孔钻削系统的冷却和润滑效果良好，切削力和切削热均略低 于湿式深孔钻削，且系统工作稳定可靠。 （2）亚干式深孔钻削时的刀具磨损量与湿式深孔钻削相近，而加工表面粗 糙度值略小于湿式深孔钻削，说明亚干式深孔钻削条件下也可获得较好的刀具 耐用度和内孔表面质量。 （3）亚干式深孔钻削系统的断屑和排屑效果优于湿式深孔钻削系统。 综上所述，亚干式深孔钻削系统可大大减少环境的污染，降低能源的损耗， 是一种方便、可靠、实用的绿色钻削工艺系统，具有广泛的推广应用价值。采 用低温冷风油雾化喷射系统实现深孔

33、的亚干式切削，其经济性和实用性是明显 的，系统的结构简单，操作容易，效果突出。在加工中，气体的温度是可控制 的；冷风的流量和压力也是可以调节的，这可实现对不同孔径深孔的加工；在 加工中切削液可被充分利用，同时其对刀具的冷却、润滑是均匀的，冷风可使 切屑在较短的时间内顺利排出，这一切都减小深孔加工的能耗、降低加工成本、 提高综合效益，而且能减小对工作场所及环境的污染。随着环保意识日益提高， 人们越来越重视各种节能技术，该技术必然有着更广阔的应用前景。 因此，亚干式深孔钻削的理论依据可靠，而在实际的实验中也证明了亚干 式深孔钻削系统的可行性。 西京学院本科毕业设计（论文） 9 3 低温冷风雾化装置

34、的设计低温冷风雾化装置的设计 由于目前技术条件的限制，干式切削技术在深孔加工中的应用和推广尚有 一定困难，在相当长的一段时间内，切削过程中还需使用切削液，这就需要设 计低温冷风雾化装置产生绿色切削液。 亚干式钻削系统的设计是在原有的深孔加工钻床上进行简单的改造而形成 的，在亚干式深孔加工系统中最复杂、最困难的环节是风冷系统和雾化系统(即 低温冷风雾化装置)的设计与制造。亚干式深孔钻削系统中低温冷风雾化技术是 其核心。 3.1 低温冷风雾化装置的组成低温冷风雾化装置的组成及工作原理及工作原理 低温冷风雾化装置是把空气进行压缩后，经冷却装置冷却至 -10-40， 再经过深孔钻床上的进气装置将高压冷

35、风经钻杆外壁和孔壁之间输送到钻头的 切削部位，以冷却刀具并将切屑从钻杆内部向后吹出；为了润滑刀具，在进风 口处装一个微量切削液雾化装置。使得压缩冷风夹带着雾化液粒形成细雾状的 混合气液流体，在 0.30.35mpa 压力下，以很高的流速(可达 200300m/s)喷 射到切削区，对切削区形成良好的冷却、润滑效果。 在一般金属切削中，切削液能否充分发挥有效的润滑作用，其渗透能力的 强弱是一个重要的因素。在传统的切削液浇注式加工中，切削液的渗透是以液 体渗透和气体渗透两种方式进行：浇注的液体渗透效率较低，而气体渗透是由 于浇注在切屑表面裂纹中的液体随着切削温度的上升发生汽化而向前刀面进行 的。实践

36、证明，在这种方式下，切削液的渗透能力很弱，能够被汽化的液体量 很少，使润滑效果受到限制。而采用喷雾冷却法形成的气、液两相流体能够弥 西京学院本科毕业设计（论文） 10 补切削液渗透能力的不足。气、液两相流体喷射到切削区时，有较高的速度， 动能较大，因此渗透能力较强。此外，在气、液两相射流中微量液体的尺寸很 小，遇到温度较高的金属极易汽化，可从多个方面向刀具前刀面渗透。虽然射 流中的液体量很少，但被汽化的部分则比连续浇注切削液时多，因而对刀具、 工件起到更好的润滑作用。同时气、液两相流体喷出时，体积骤然膨胀对外做 功，消耗了内能，可使温度降低，而且两相流体有较高的速度及压力，能够及 时将切屑冲走

37、，并带走大量的切削热量，进一步增强冷却降温效果。因此低温 冷风雾化液实际上综合了气、液两种流体的降温效果和优点，具有很好的冷却 作用。 在采用低温冷风雾化装置冷却时，在机床上或车间里要安装专用的吸雾装 置，以免排出的热雾（还未被冷却但已被气流推出的切削热）影响操作者的身 体健康和对车间环境的污染，低温冷风雾化的冷却液中如含有易燃成分，还要 注意加强防火措施。低温冷风雾化在深孔加工中的冷却、润滑及排屑的应用原 理，如图 3-1 所示： 图图 3-13-1 冷却、润滑及排屑的原理图冷却、润滑及排屑的原理图 亚干式深孔钻削系统采用最小润滑（mql）技术，主要采用雾化冷却润滑方 式，低温冷风充当复合油

38、雾的载体，把雾化液运载到切削区。低温冷风雾化装 的基本组成单元包括：空气供给及冷却装置、冷却液雾化装和进气装置。吸液 式喷雾冷却装置原理图，如图 3-2 所示： 西京学院本科毕业设计（论文） 11 图图 3-23-2 吸液式喷雾冷却装置原理图吸液式喷雾冷却装置原理图 1、手动截止阀 2、供气单元 3、压力继电器 4、电磁控制阀 5、雾化器 6、储液箱 7、喷嘴 3.2 雾化装置的组成及零件设计雾化装置的组成及零件设计 低温冷风雾化装置的基本组成单元包括：空气供给及冷却装置、冷却液雾 化装置和进气装置。采用低温冷风油雾化喷射系统实现深孔的亚干式切削，其 经济性和实用性是明显的，系统的结构简单，操

39、作容易，效果突出。在加工中， 气体的温度是可控制的；冷风的流量和压力也是可以调节的，这可实现对不同 孔径深孔的加工；在加工中切削液可被充分利用，同时其对刀具的冷却、润滑 是均匀的，冷风可使切屑在较短的时间内顺利排出，这一切都减小深孔加工的 能耗、降低加工成本、提高综合效益，而且能减小对工作场所及环境的污染。 3.2.1 空气供给装置及冷却装置空气供给装置及冷却装置 （1）空气供给装置 我们使用大功率压缩机来提。由于流速要求较高，需选取 高功率的空气压缩机。选取水冷微油系列的空气压缩机，其参数如下表 3.1 所 示： 表表 3.13.1 空气压缩机主要参数空气压缩机主要参数 （2）冷却装置 我们

40、采用循环压缩式间接制冷，该方式使用低沸点的制冷剂， 由压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀构成闭环冷却系统。根据制冷效率和蒸发 温度选用适合气体作为制冷剂。此种制冷方式广泛用于家用冰箱及冷冻仓库， 型号 功率 kw/hp 排气量 m /min 3 气桶容积 l 使用压力 mpa 缸径缸数 最高使用转数 rpm 包装尺寸 lbh(cm) w4-10011/151.85000.8100480019887146 西京学院本科毕业设计（论文） 12 在温度控制和能耗效率方面都比较理想。经蒸发器蒸发的气体由压缩机加压到 设定压力，在冷凝器中液化后储存到储液器中，储液器内的高压液体再在设定 压力下经膨胀阀减压进

41、入蒸发器，蒸发吸热将空气冷却后，再变成气体回到压 缩机，冷风温度可通过蒸发器内的压力和液体供给量来设定。此种制冷方式分 为蒸发温度(压力)式、冷凝温度(压力)式；按能耗方式分为单级压缩循环、多 级压缩二元冷冻循环等，在此我们选择单级压缩循环来提供冷风，制冷方式采 用冷凝温度(压力)式。 3.2.2 雾化器的设计雾化器的设计 雾化器根据雾化液形成方式的不同分为吸液式雾化器和压力供液式雾化器 两种，其中吸液式雾化器是利用气流通过喷嘴时对液体形成的抽吸效应，带上 液体，再与气流一同喷出形成雾化液，其原理简单，结构小巧、使用方便，制 造容易，在实际生产中应用较多。 本设计中冷却液雾化装置我们采用吸液式

42、水油两液箱雾化装置，它是利用 高速气流流过溶液出口时，在液体内外表面产生压力差而使液体上流，再利用 高速气流对液膜产生摩擦分裂作用而把液体雾化的。这里的高速气体是压缩空 气流，其原理如图 3-3 所示 ： 图图 3-33-3 吸液式雾化器的原理图吸液式雾化器的原理图 图中，当压缩空气通过截面 4 时，流速加快，在截面 3 与截面 4 之间形成 压力差p=p -p ，在p作用下，冷却液上流；当上流的冷却液遇到从截 4, 3344, 3 面 4 通过的高速压缩空气时，冷却液被分裂成细雾，其过程是：当高速气流以 很高的速度(一般为 200300m/s，有时甚至达到超音速)从截面 4 通过时，溶 液的

43、上流速度并不大，因此，气流与液流之间存在相当高的相对速度。彼此产 生摩擦，使液体被拉成一条条细长的丝。这些丝状体在较细处很快断裂，而形 西京学院本科毕业设计（论文） 13 成球状小雾滴。丝状体存在的时间，决定于气体的相对速度和溶液的粘度。相 对速度越高，丝越细，存在时间越短，所得雾滴越细；冷却液粘度越高，丝状 体存在的时间越长;而气体喷雾的分散度，取决于气体流出的喷射速度、冷却液 和气体的物理性质以及气液比，气液比对雾化粘度大的冷却液是尤其重要的。 一般来说，增加气体的喷射速度，可得到较细的雾滴，增加气流对冷却液的重 量比，则可以得到比较均匀的雾滴。将压缩空气经分水滤气器滤除水分等杂质， 通过

44、电磁阀后一小部分进入冷却液箱体，将冷却液压出到喷嘴；绝大部分压缩 空气经调压阀将压力调至 0.320.35mpa 后经软管到喷嘴与冷却液混合，雾化 后射到切削区。 进气装置，它是把雾化的切削液与冷风进行混合后，输送到切削区的装置， 在深孔机床上，我们利用授油器并进行简单的改造来完成，在进气装置中，一 定要使气体通道密封不泄压，同时为了保持切削液在通过气体通道后仍能有好 的雾化效果，可以适当调节装置压力，即我们可以随着加工深度的增加不断增 加通道中的气体流量，以保持切削区的冷风量和切削液的油粒数。 由此可以确定其吸液式水油两液箱雾化器结构图，如下图 3-4 所示： 图图 3-43-4 雾化器装置

45、雾化器装置 1.吸液管 2、进气管接头 3.雾化器 4.密封垫 5.出气管接头 6.混合器 7.进油螺塞 8.油液箱 9.放油螺塞 3.3 冷却液的选择冷却液的选择 由于喷嘴喷出的冷却液成雾状，其中大部分喷到切削区，一小部分弥散在 西京学院本科毕业设计（论文） 14 空气中，为了避免环境污染及对操作者造成伤害，冷却液的选择非常重要。适 宜作为低温冷风雾化用的冷却液既要具有良好的冷却性，还要具有较好的雾化 性，一般优先选择水溶性冷却液及乳化液，为了保证冷却液能充分雾化并较容 易地渗透到高温切削区去，要求冷却液的粘度尽可能低。因为在金属加工中切 削热主要来源于金属的塑性变形，对切削区的冷却过程就是

46、固体与流体之间的 传热过程。由于流体与固体分子之间的吸引力和流体粘度作用，在固体表面就 有一个流体滞流层，从而增加了热阻。滞流层越厚，热阻越大，而滞流层的厚 度主要取决于流体的流动性即粘度，而粘度值与滞流层的厚度成正相关，所以， 粘度小的流体冷却效果比粘度大的流体冷却效果好。 根据深孔加工特性，一般在加工小直径深孔时应选择低粘度的切削液，以 降低粘滞阻力，减少液体能量损失为主；加工大、中直径深孔时（d30mm） ，以 降低切削力，提高表面加工质量，抑制加工变质层，减少机械磨损为主，切削 液的粘度可选大一些，因此综合以上各条件，选择德国亚伦斯水溶性101-b型切 削液，它是一种中粘度全合成切削液

47、，具有使用周期长，防锈性能好，清洗、 冷却性能好的特点，且易雾化，不易形成泡沫，是一种较理想的雾化冷却液。 留日博士陈德成等人基于微量润滑的思想，采用油膜附水滴作为冷却润滑剂， 并且在实验中取得了很好的效果，也是一种绿色的理想雾化冷却液。 西京学院本科毕业设计（论文） 15 4 授油器的设计授油器的设计 授油器是深孔钻削系统中不可缺少的一部分。其主要功能是正确引导钻头 并向切削区提供高速冷却液，传递轴向力、夹紧力等，同时还起到支承钻杆的 作用。授油器一般分为不旋转式授油器和旋转式授油器两种，分别用于工件不 旋转和旋转两种方式。而本设计是针对工件固定，刀具旋转进给的加工方式的 钻削系统设计，故采

48、用不旋转式授油器。 4.1 不旋转式授油器结构及其原理不旋转式授油器结构及其原理 不旋转式授油器结构如下图4-1所示： 西京学院本科毕业设计（论文） 16 图图 4-14-1 不旋转式授油器不旋转式授油器 不旋转式授油器主要是由支架1、导向套2、深沟球轴承3、推力轴承4、轴 承套筒5、手轮6、支撑螺母7、密封圈8等组成。 其工作原理是：支架位于导轨托板上可以沿机床导轨移动并由下拉板与机 床固定。钻孔时，旋转手轮使伸缩轴即芯轴靠向工件表面，将前密封圈紧贴于 工件表面上，从而把授油器的伸缩轴端部与工件端面密封。雾化液由进液管通 过伸缩轴进入，经由钻头体与导向套形成的环形缝隙进入切削区，冷却并润滑

49、钻头。后密封圈是为了防止雾化油液有钻杆外部露出而设置的钻头进入工件时 由导向套引导稳定钻削，当导向套磨损后需及时更换。不旋转式授油器主要用 于工件固定，刀具旋转的深孔加工方式。 4.2 伸缩轴的设计伸缩轴的设计 在本设计中伸缩轴作为心轴使用，心轴只支承旋转机构而不传递转矩，即 只受弯矩作用，而心轴又分为固定心轴和转动心轴两种。 4.2.1 加工材料的选择加工材料的选择 该心轴属于固定心轴只做轴向轻微运动。加工材料的选择根据机械设计 手册中轴的常用材料是优质碳素结构钢，如35号钢、45号钢、和50号钢，其 中以45号钢最为常用。故采用45号钢。 45号钢的材料特性如表4.1所示： 西京学院本科毕

50、业设计（论文） 17 表表4.14.1 轴的常用材料及其主要力学性能轴的常用材料及其主要力学性能 抗拉 强度 b 屈 服 点 s 弯曲 疲劳 极限 1 扭转 疲劳 极限 1 许用 静应 力 p1 许用疲劳 应力 p1 材 料 品 牌 热处 理 毛坯直径mm 硬度 hb mpa 不小于mpampa 备 注 正火25241610360260150244173200 100170217600300240140240160184 正火 100300580290235135238156180 300500 162217 560280225130224150173 回火 50075015621754027

51、0215125216143165 45 调质200217255650360270155260180207 应 用 最 广 泛 采用正火处理 表面淬火的理论根据，如下表4.2所示： 表表4.24.2 轴的表面淬火处理淬硬层轴的表面淬火处理淬硬层 由于心轴基本无冲击和受力，故按载荷不大进行处理，其主要用于后部非 轴承部分处理。 4.2.2 伸缩轴的结构设计伸缩轴的结构设计 伸缩轴是授油器中的主要零件。其作用是带动前部轴承套及钻套与工件压 紧已达到密封作用。其结构如图4-2所示： 性能要求工作条件淬硬层深度mm备注 载荷不大0.51.5 耐磨载荷较大，或有冲 击载荷作用 2.06.5 抗疲劳周期性弯

52、曲或扭转3.012 中小型轴淬硬层深 度可按轴径的 10%20%计算（直 径40mm以上轴取上 限） 西京学院本科毕业设计（论文） 18 图图 4-24-2 授油器心轴授油器心轴 考虑到轴承为标准零件，表面粗糙度要求及较高的装配要求，可确定前端 安装轴承其内径为110mm；尾部外径为螺纹以实现伸缩功能，由于授油器可以沿 着轨道移动故螺纹长度可定为30mm，用于压紧密封圈。前轴肩是为了与轴承定 位而设计的，根据深沟球轴承的安装要求而定为8mm而螺纹类型选择根据要求， 需要传动及自锁，根据机械设计中螺纹部分其形式。对于上部的定位键槽 其基本尺寸为长30mm宽为10mm深度为12.5mm，其作用在于

53、固定心轴防止其旋转， 与定位销配合而实现伸缩轴的作用。在顶部同截面处有一进油口是使外部油液 进入授油器的内腔的通道。 圆柱螺纹中，三角形螺纹自锁性能最好。它分粗牙和细牙两种，一般联接 多用粗牙螺纹。细牙的螺距小，升角小，自锁性能更好，常用于细小零件薄壁 管中，有振动或变载荷的联接，以及微调装置等。管螺纹用于管件紧密联接， 矩形螺纹效率高，但因不易磨制，且内外螺纹旋合定心较难，故常被梯形螺纹 所代替。锯齿形螺纹牙的工作边接近矩形直边，多用于承受单向轴向力，因此 采用三角形螺纹。参考零件手册中螺距p=1.5mm，其标记为m1211.5，由 于心轴本身不受力，只有轴承及轴承套的重量，故强度足够不需校

54、核。 锯形 西京学院本科毕业设计（论文） 19 5 负压抽屑装置的设计负压抽屑装置的设计 df 为英文 double feeder 的缩写，原意为双进油装置，是 20 世纪 70 年代 中期日本冶金有限股份公司研制出来的。它并非独创，而是将 bta 方法排出切 屑与喷吸钻吸出切屑的方法相结合，仅用一个钻杆完成推、吸双重作用。它同 时具备了 bta 系统和喷吸钻系统的优点，并克服不足，使钻削直径范围增大 西京学院本科毕业设计（论文） 20 （最小直径可达 6mm） ，密封压力减小，加工精度和效率提高。 5.1 dfdf 系统负压抽屑机理系统负压抽屑机理 df系统需要把切削液分成两条路线分别供给授

55、油器和联结器。约2/3的切削 液同bta系统一样由授油器进入，并从钻杆外壁与已加工孔表面之间的环形空间 到达钻头头部，并将切屑从钻杆内部推出；另外1/3的切削液直接从钻杆联结器 的负压装置进入钻杆内腔，使钻杆末端产生负压抽吸作用，从而加速钻头喉部 至钻杆内腔整个排屑通道中的介质流动，达到加速和顺畅排屑的目的。 df系统配置示意图，如图5-1所示：. 图图 5-15-1 dfdf 系统配置示意图系统配置示意图 1、工件 2、中心架 3、bta 钻 4、钻套 5、输油器 6、钻杆 7、钻杆夹头 8、抽屑装置 9、前喷嘴 10、后喷嘴 df 系统负压抽屑原理：切削液经负压装置高速射入排屑通道，与向外

56、流动 的切削液混合进行能量转换。排屑通道中向后流动的切削液，在射流喷嘴口处 的能量转换获得能量，切削液流速得以提高。这样，排屑通道内向后流动的切 削液，在能量转换前后的流速产生梯度，具有不同的能量，形成压力差。在能 量转换区前的切削液压力低，在能量转换区后的切削液压力高，因而产生真空 区，即负压区。在负压区切削液的流动速度加快，提高了排屑效果。 5.2 旋转式负压式钻杆联结器旋转式负压式钻杆联结器 钻杆联结器的功用是支承钻杆和排屑管，传递钻削力矩和轴向力。对于吸 喷钻系统和df系统，联结器中还有负压抽屑装置，用于射流流量的调节。本设 计主要针对负压式抽屑装置的联结器。df系统综合了bta系统和

57、喷吸钻系统的优 西京学院本科毕业设计（论文） 21 点，将喷吸排屑加以结合，提高了排屑能力，目前钻孔最小直径可达6mm。但 是目前df系统配套的负压机理是采用单锥面负压通道，对于小口径的难加工深 孔零件，存在排屑能力弱、负压效果不明显、加工精度低等现象。由于本设计 加工的孔径为中大型，故不考虑双锥负压管道。 带负压抽屑装置的联结器可以做成旋转式和不旋转式，分别用于刀具旋转 和工件旋转加工方式。本深孔钻削系统的加工方式是工件固定，故采用旋转式 负压式钻杆联结器，对不旋转式钻杆联结器不予考虑。 旋转式负压式钻杆联结器的典型结构，如图5-2所示： 图图 5-25-2 旋转式负压抽屑装置旋转式负压抽屑

58、装置 1.底板 2.密封圈 3.配合套筒 4.前锥套 5.进油喷嘴 6.后锥套 7.锁紧螺母 根据原有负压抽屑器的结构，在此结构的基础上进行改进，对旋转式负压 抽屑装置的机械结构进行设计，以适应刀具的转动，考虑到刀具要转动，在原 来的前喷嘴里加入转动轴，刀杆与转动轴连接，在转动轴上套皮带轮，通过皮 带传动，从而使得刀具转动。切屑液通过进油喷嘴进入，经由前锥套和后锥套 组成的锥形喷嘴射入钻杆内腔，向后喷射，形成负压效应。射流间隙依靠调节 后锥套调整，并用锁紧螺母锁紧，以达到最理想的负压效应。 5.3 dfdf 深孔钻削中影响抽屑的因素深孔钻削中影响抽屑的因素 在深孔钻削加工过程中需要强制冷却、润

59、滑和排屑，所以必须要有一个独 立的油路系统。目前常用的内排屑深孔钻削系统有bta系统、喷吸钻和df系统等。 西京学院本科毕业设计（论文） 22 不同的系统所对应的油路系统也是不一样的，本文以常用的df内排屑深孔钻削 油路为研究对象，其油路系统工作原理图，如图5-3所示： 图图 5-35-3 dfdf 系统油路工作原理图系统油路工作原理图 由图 5-3 可知，df 内排屑深孔钻削油路系统主要由授油器、钻杆、断面密 封、油箱、油泵和电机等组成。经研究得出油路系统的工作原理为：高压切削 液进入授油器后通过钻杆外部的环状空隙流向钻头切削刃，完成冷却、润滑并 将切削刃上形成的切屑反向压入钻头的出屑口，在

60、负压抽屑装置的作用下，通 过钻杆内部的空腔排出，再经过滤网过滤后回到油箱中，重新供油泵使用，依 次循环往复。抽屑器负压效应的大小，首先取决于切削液通过锥形喷嘴间隙后 产生的轴向切削液动量。在已知钻孔直径和刀杆内径的前提下，影响轴向切削 液动量的主要因素为抽屑器通道所能提供的切削液总动量（切削液单位时间流 量及切削液流速） 、喷射角、喷射间隙以及切削液粘度等。由于排屑通道中的介 质由切削液和切屑组成，其混合物的液流特性很难建立准确的数理模型，因此 通过优化设计确定排屑通道各段的合理几何参数配比，以最大限度地消除射流 盲区和紊流的产生，对负压效应有至关重要的影响，有利于抽屑器的排屑。 5.4 负压