CN112077362A - 一种基于液压的中小直径深孔加工自纠偏系统 - Google Patents

Abstract

本发明应用于中小直径深孔加工领域，具体涉及一种基于液压的中小直径深孔加工自纠偏系统。包括内回转体，外回转体和驱动机构；内回转体套设在钻杆的外周，且相对钻杆固定；内回转体和外回转体之间填充有切削液从而在内回转体和外回转体之间形成流道，流道包括多个周向均布的楔形流道，当驱动机构驱动内回转体旋转时，切削液从楔形流道的大端进入小端，压力流和剪切流叠加产生油膜压力实现钻杆的自定心和自纠偏。本发明在楔形实体与外套筒之间形成楔形流动空间，正常状态下楔形空间油膜压力提供周向对称的自定心力；当钻杆发生偏斜时，楔形空间将产生油膜压力，即自纠偏力，利用自纠偏力可将钻杆“推回”到正确的轴线上去，实现轴线偏斜的自纠正。

Description

一种基于液压的中小直径深孔加工自纠偏系统

技术领域

本发明主要应用于中小直径深孔加工领域，具体涉及一种基于液压的中小直径深孔加工自纠偏系统。

背景技术

深孔加工技术产生于对枪、炮管的制造过程,金属管形火器也就成为最早出现的深孔零件。二战结束前,深孔加工技术的发展和应用一直被局限于相对封闭的军工领域,并以其高难度、高成本和神秘性而闻名于机械制造业。随着科学技术的发展，深孔加工技术现已广泛应用于航空航天、能源采掘、汽车制造、石化、冶金、仪器仪表、国防装备制造等产业领域,但由于深孔加工难度大、加工工作量大、制造成本高,已成为机械制造技术中的难点之一。据有关资料统计,在29个制造行业中,至少有50％对深孔加工技术及其装备有直接需求,1/3以上有迫切需求,所以深孔加工质量的好坏,将会直接影响机械产品的生产效率及加工质量。同时深孔加工的特殊性也形成了其加工过程中的经典难题:排屑难、冷却以及润滑难、工具系统刚度低、刀具的自导向等,这些问题长期困扰着深孔加工行业,它们在极大程度上限制了深孔加工的工艺范围、加工效率以及加工精度,也限制了深孔加工理论及技术向其他领域拓展的能力,所以研究深孔加工新技术已成为普遍关注的问题。

考虑到深孔细长的特点，决定了深孔刀具必然同样细长，导致了刀具的刚度不足，在受到较大的切削力时，刀具必然会出现失稳的现象，造成轴线的偏斜。

针对深孔轴线的偏斜问题，国内外的专家学者进行了大量的研究，提出了众多新颖的技术方案，总体上分为液压纠偏与非液压纠偏两大类。

液压纠偏方案有：譬如中北大学的张荣涛参考“三片瓦式”动压滑动轴承的结构特点，提出在内排屑深孔刀具钻头、钻杆之间以螺纹联接三楔形结构实体，利用钻杆与孔壁之间的切削液流道实现液压纠偏(“基于轴承动压润滑原理的BTA钻杆设计及其自定心、自纠偏机理研究”，张荣涛，中北大学，2018年)；又譬如依据切削液在楔形缝隙内的流动特性，设计出具有一定锥度的顺锥形实体，同样是以螺纹联接于钻头、钻杆之间，在偏斜时利用液压力纠偏(CN104162696B)；此外中北大学的李耀明、魏杰等提出以挤压油膜阻尼器安装于钻杆上，通过油膜压力减轻振动来减小轴线偏斜(“挤压油膜阻尼器对深孔加工直线度的影响”，李耀明，工具技术，第51卷第2期，第81-83页，2017年)；中北大学的付康康也提出采用磁流变液阻尼器来抑制振动来减小轴线偏斜(“枪钻加工孔轴线偏斜分析及控制技术研究”，付康康，中北大学，2018年)。

非液压纠偏方案有：譬如在钻头末端以及钻杆末端分别安装有内外激光源以及光敏元件，以内外光敏元件接收到内外激光源发射出的激光光束来确定钻头的位姿形态从而达到检测偏斜的目的(CN202622002U)，同时在钻头处安装有各种可以使钻头发生相应偏转的装置，比如有：1、安装金属块及加热装置，利用金属热胀冷缩的特性来强制钻头偏转(CN105382632B、CN105345094B)；2、在钻头部分安装径向及轴向伸缩装置来使钻头发生偏转(CN103182552B)；3、在钻头位置安装拉杆，通过外部机构对拉杆施加推力或者拉力来使钻头发生偏转(CN102642040B)。此外还有利用外部装置比如安装致动器强行抬起钻头来抑制振动减小轴线偏斜(CN208840567U)等。

以上的方案大多适用于大直径深孔以及内排屑深孔加工刀具，而对于中小直径深孔加工，普遍使用外排屑的硬质合金枪钻进行加工，目前对于中小直径深孔加工中的轴线纠偏方法研究较少，如何改善中小直径深孔加工中的轴线偏斜，仍是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于设计一种基于液压的中小直径深孔加工自纠偏系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于液压的中小直径深孔加工自纠偏系统，包括内回转体，外回转体和驱动机构；

所述内回转体套设在钻杆的外周，且相对钻杆固定，所述外回转体设置在内回转体外周；

所述内回转体和外回转体两端密封，且内回转体和外回转体之间填充有切削液从而在内回转体和外回转体之间形成流道，所述流道包括多个周向均布的楔形流道，当所述驱动机构驱动内回转体旋转时，切削液从楔形流道的大端进入小端，压力流和剪切流叠加产生油膜压力实现钻杆的自定心和自纠偏。

进一步的，所述内回转体为内套筒，所述外回转体为外套筒；

所述内套筒一端设有楔形实体，所述楔形实体由周向均布的形状相同的四个凸起结构构成，每个所述凸起结构由一段楔形部分和一段过渡部分构成；

所述过渡部分为与钻杆同圆心，半径值为r的1/8圆弧；所述楔形部分为半径值为r的1/8圆弧，楔形部分的圆心位于以钻杆为圆心半径为ε的圆周上，且四个楔形部分的四个圆心在以钻杆为圆心半径为ε的圆周上均匀分布；

在内套筒的楔形实体和外套筒之间形成楔形流道。

进一步的，所述ε的大小为2-3mm，外套筒的内径值R比楔形部分半径值r大不超过3mm；

所述内套筒的材质为铝合金。

进一步的，所述内套筒和外套筒的两端通过弹性端盖和密封圈实现密封；所述弹性端盖优选为金属橡胶端盖。

进一步的，所述内套筒的另一端设有齿轮体，所述驱动机构为外部电机，所述外部电机的输出轴通过电机轴齿轮带动与内套筒固定连接的齿轮体转动，从而带动内套筒转动。

进一步的，所述齿轮体和内套筒通过螺纹实现可拆卸连接。

进一步的，所述切削液由输油器通过油路进入楔形流道；

所述油路包括主流道，副流道和循环流道；

所述输油器输出的切削液一部分通过主流道到达钻头，另一部分通过副流道到达楔形流道，充满楔形流道后经循环流道流回输油器。

进一步的，所述钻杆上设有连通的V形槽，所述油路还包括排屑流道；所述切削液到达钻头之后通过排屑流道和V形槽携带切屑与热量流出。

进一步的，所述油路的管道的圆截面直径为

进一步的，所述自纠偏系统还包括支撑装置，所述外套筒和电机轴齿轮(11)置于支撑装置的凹槽内，所述支撑装置限制自纠偏系统的轴向窜动。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明通过设计楔形实体的形状，在楔形实体部分与外套筒之间形成了楔形流动空间，正常状态下四部分楔形空间油膜压力可提供周向对称的自定心力，一定程度上提高系统的刚度，保证了加工稳定度；当钻杆因外部因素发生显著偏斜时，四部分楔形空间将会产生数值不一的油膜压力，油膜压力合力即为自纠偏力，利用产生的自纠偏力便可将钻杆“推回”到正确的轴线上去，实现了加工过程中轴线偏斜的自纠正。

(2)外套筒放置在外部支撑装置上，一方面可限制整体装置的轴向窜动，另一方面也消除了纠偏装置自身重力的不利影响。

(3)本发明通过设置循环流道，实现了切削液的最大化利用。

附图说明

图1为本发明的深孔加工自纠偏系统示意图。

图2为图1的K-K截面剖视图。

图3为楔形实体圆截面示意图。

图4为钻杆偏斜时，楔形空间的油膜压力示意图。

图5为四油楔结构无偏心时流体仿真所得的油膜压力分布示意图。

图6为四油楔结构有偏心时流体仿真所得的油膜压力分布示意图。

图7为内套筒主视图。

图8为内套筒三维模型整体图。

图9为金属橡胶密封圈的三维示意图。

图10为外套筒三维示意图。

图11为纠偏机构的装配主视图。

图12为纠偏机构的三维装配整体示意图。

附图标记说明：

1-工件，2-钻头，3-钻套，4-钻杆，5-内套筒，6-楔形实体，7-弹性端盖，8-外套筒，9-密封圈，10-齿轮体，11-电机轴齿轮，12-外部电机，13-支撑体，14-排屑流道，15-V形槽，16-主流道，17-副流道，18-循环流道，19-输油器，20-楔形流道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本深孔加工纠偏系统主要用于改善中小直径深孔(

以下)加工时的轴线偏斜问题，与硬质合金枪钻配合使用，如图1-12所示，本发明的自纠偏系统包含工件、刀具、主副油路以及纠偏体等部分。

所述的工件部分包含工件1以及钻套3。

所述的刀具部分包括钻头2、钻杆4，其上开V形槽15。

所述的自纠偏体包含外套筒8、内套筒5、弹性塞7、密封圈9、外部电机12以及支撑装置13。

所述的主、副油路部分包含输油器19、主油路16、排屑油路14、副油路17、循环通道18以及纠偏流道20。

刀具选择广泛用于中小直径深孔加工的硬质合金枪钻，钻头2设计为偏心非对称结构，其上有导向条，钻杆4上有连通的V形槽15，用于排出切削液及切屑。

自纠偏装置包含内套筒5、外套筒8。内套筒5的内壁进行抛光，使其紧密套于钻杆上的同时不阻碍钻杆的进给运动。内套筒材料选取质量轻，强度大的铝合金材料，减轻套筒自重对于钻杆的负面影响。

内套筒5外周设有楔形实体6，所述楔形实体6由周向均布的形状相同的四个凸起结构构成，每个所述凸起结构由一段楔形部分和一段过渡部分构成；

所述过渡部分为与钻杆同圆心，半径值为r的1/8圆弧；所述楔形部分为半径值为r的1/8圆弧，楔形部分的圆心位于以钻杆为圆心半径为ε的圆周上，所述ε的大小为2-3mm，且四个楔形部分的四个圆心在以钻杆为圆心半径为ε的圆周上均匀分布；外套筒8的内径值R比楔形部分半径值r大不超过3mm；在内套筒5的楔形实体6和外套筒8之间形成楔形流道。

内外套筒依托两端的弹性端盖7以及密封圈9进行密封，避免端泄及渗漏。弹性端盖选择弹性较好的金属橡胶材料，与纠偏实体接触面抛光处理，减小摩擦发热。

外套筒8应置于支撑装置13上，并由支撑装置13限制内外套筒的轴向窜动。

由外部电机12及其联接的电机轴齿轮11为内套筒提供旋转动力来源，合理设计齿轮体10、11的模数、齿数以及电机的输出功率，以获得需要的转速。

由输油器19输出的切削液经过通过管道分流，主流经钻杆内部流道到达钻头，而后通过V形槽15携带切屑与热量流出，支流到达楔形流道内，充满楔形流道后经循环管道流回输油器。

本深孔加工纠偏系统适用于中小直径深孔加工，采用硬质合金枪钻进行加工，加工时，钻头2依靠导向条与已加工孔壁形成的自导向副进行导向，加工的切屑由钻杆4上开设的V形槽15排出至排屑箱，支撑体13支撑着外套筒8，并限制整个纠偏体的轴向窜动，外部电机12联接电机轴齿轮11，与内套筒5上的齿轮体10相啮合传递旋转运动，内套筒5内径与钻杆外径尺寸一致，内部抛光后嵌套于钻杆上，其一端的楔形实体6与外套筒形成四部分楔形空间，通过输油器19输送出的切削液，一支通过主油路流入钻杆内部，一支通过副油路流入上述的楔形空间，并充满楔形空间，由动压润滑轴承的工作原理可知，当钻杆发生偏斜时，嵌套于其上的内套筒必然发生相同程度的偏斜并进而向某个方向压缩楔形流道20内的高粘度润滑油，由附图4可知，4个楔形实体部分产生纠偏力，推动钻杆回到正确的轴心线上。由附图5、6可知，楔形实体在钻杆无偏斜时会产生周向均布的定心力，在钻杆偏斜时，会产生与偏斜方向相反的液压纠偏力，理论上可以一定程度的改善轴线的偏斜，提高深孔件的直线精度。

Claims (10)

1.一种基于液压的中小直径深孔加工自纠偏系统，其特征在于，包括内回转体，外回转体和驱动机构；

所述内回转体套设在钻杆的外周，且相对钻杆固定，所述外回转体设置在内回转体外周；

所述内回转体和外回转体两端密封，且内回转体和外回转体之间填充有切削液从而在内回转体和外回转体之间形成流道，所述流道包括多个周向均布的楔形流道，当所述驱动机构驱动内回转体旋转时，切削液从楔形流道的大端进入小端，压力流和剪切流叠加产生油膜压力实现钻杆的自定心和自纠偏。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述内回转体为内套筒(5)，所述外回转体为外套筒(8)；

所述内套筒(5)一端设有楔形实体(6)，所述楔形实体(6)由周向均布的形状相同的四个凸起结构构成，每个所述凸起结构由一段楔形部分和一段过渡部分构成；

所述过渡部分为与钻杆同圆心，半径值为r的1/8圆弧；所述楔形部分为半径值为r的1/8圆弧，楔形部分的圆心位于以钻杆为圆心半径为ε的圆周上，且四个楔形部分的四个圆心在以钻杆为圆心半径为ε的圆周上均匀分布；

在内套筒(5)上的楔形实体(6)和外套筒(8)之间形成楔形流道。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述ε的大小为2-3mm，外套筒(8)的内径值R比楔形部分半径值r大不超过3mm；

所述内套筒(5)的材质为铝合金。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述内套筒(5)和外套筒(11)的两端通过弹性端盖(7)和密封圈(9)实现密封；所述弹性端盖(7)优选为金属橡胶端盖。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述内套筒(5)的另一端设有齿轮体(10)，所述驱动机构为外部电机(12)，所述外部电机(12)的输出轴通过电机轴齿轮(11)带动与内套筒(5)固定连接的齿轮体(10)转动，从而带动内套筒(5)转动。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述齿轮体(10)和内套筒(5)通过螺纹实现可拆卸连接。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述切削液由输油器(19)通过油路进入楔形流道；

所述油路包括主流道(16)，副流道(17)和循环流道(18)；

所述输油器(19)输出的切削液一部分通过主流道(16)到达钻头，另一部分通过副流道(17)到达楔形流道，充满楔形流道后经循环流道(18)流回输油器(19)。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述钻杆上设有连通的V形槽(15)，所述油路还包括排屑流道(14)；所述切削液到达钻头之后通过排屑流道(14)和V形槽(15)携带切屑与热量流出。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述油路的管道的圆截面直径取为

10.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述自纠偏系统还包括支撑装置(13)，所述外套筒(8)和电机轴齿轮(11)置于支撑装置(13)的凹槽内，所述支撑装置(13)限制自纠偏系统的轴向窜动。

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