深孔钻的安全保护与控制技术

文章编号:167325196(2006)0420050203

深孔钻的安全保护与控制技术

蔡善乐,马志宏,赵　学,张伟强

(兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州　730050)

摘要:对深孔钻削过程中出现扭矩增大及折断钻头钻杆问题进行了分析,介绍了一种钻杆主轴与电机轴的连接中安装扭矩传感器,进给系统的传动链中安装电磁离合器的深孔钻削安全保护与控制技术.当扭矩增大时,可以快速检测扭矩参数,并控制离合器迅速脱开,停止进给,保护钻头钻杆.

关键词:深孔钻;扭矩;保护;扭矩传感器;电磁离合器

中图分类号:T G523 文献标识码:A

Safety protection and control of deep w ell drilling

CA I Shan2le,MA Zhi2hong,ZHAO Xue,ZHAN G Wei2qiang

(College of Mechano2Electronic Engineering,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou　730050,China)

Abstract:The p roblem of torque increase and drill f ract ure during t he process of deep well drilling was analyzed,and a safety p rotection and cont rol technique was introduced,where a torque sensor was fixed between drilling bar and motor axis,while an electro magnetic clutch was fixed in t he transmission chain of feed system.When t he torque was being increased,t his equip ment would quickly measure t he data of torque,making elect romagnetic clutch opened and feed stopped,so t hat t he driller and drilling bar would be protected.

K ey w ords:deep well drilling;torque;protection;torque sensor;elect romagnetic clutch

压光辊是造纸行业配置设备压光机的主要零件,其形状特征是大而长,而且圆周横截面上分布有许多细小而深的孔.一般常见的压光辊零件长度为2000～4000mm,辊径为<500～<1000mm,压光辊圆周上分布小孔数为10～20个,小孔孔径为<30～<50mm.一般当孔深与直径之比超过5～10倍的孔都可称为深孔,因此压光辊小孔钻削是典型的深孔钻削.对压光辊这样的大型零件加工难度是很大的,尤其是深孔的加工,由于其细而深,加工过程中容易折断钻头,且无法取出,使整个零件报废,从而造成很大损失.如何有效地、安全地完成此类深孔零件的加工,一直是技术人员研究的难题.

1　深孔钻削过程的分析

常见的深孔钻削方法有枪钻、喷吸钻、B TA内排屑深孔钻.特点是钻孔直径小而又长,刀具细长,刚度差,钻削时容易引偏和产生振动;刀具冷却散热

收稿日期:2005209227

作者简介:蔡善乐(19542),男,安徽合肥人,副教授.条件差,切削温度容易升高,钻头磨损加剧;排屑困难,容易崩刃及折断钻头钻杆[1].

根据深孔钻削特点分析其过程,可以发现在钻头钻杆折断时,可能由以下几种原因引起:

1)进给量过大造成加工阻力过高,以至扭矩超过钻杆承受能力.

2)由于出屑不顺利,以至加工过程中发生堵塞,使切削扭矩增大.

3)由于加工工件材质不均匀,加工时遇到硬质点,从而使钻头钻削扭矩增大.

4)在钻削过程中,刀刃出现磨损、崩刃等损坏现象而使扭矩瞬时增大[2].

5)进给系统的不稳定、爬行现象等,使进给量瞬时增大引起扭矩增大.

2　目前几种深孔钻的保护方法

针对深孔钻削加工中存在的排屑困难、钻杆易折断和钻头易烧伤的技术难题,技术人员寻求了许多办法,经归纳主要分以下3类:

第32卷第4期2006年8月

兰　州　理　工　大　学　学　报

Journal of Lanzhou University of Technology

Vol.32No.4

Aug.2006

1)选用优质钻头钻杆材料

为了加强钻头钻杆的强度,技术人员尽力寻找耐磨、耐冲击的材料,甚至于价格昂贵的合金材料,如CuNi TiBe合金、20Cr11Mo WV耐热钢等,极大地增加了成本.

2)增加钻杆刚度

为避免由于钻削深度过大,给钻杆带来失稳弯曲,于是在钻杆外围加一定厚度的套筒,避免钻杆在钻削过程中弯曲,且为加工起导向作用.

3)选择合适的加工工艺及工艺参数

(1)随着加工深度的增加,可以逐渐减小进给量和降低转速,从而减小钻头钻杆的轴向力和扭矩.

(2)在钻削时加大冷却液的灌注,在加大散热的同时,加大强迫排屑,既避免烧伤又减小阻力和扭矩.

(3)采取分段进给.对很深的孔钻削一段深度后,先退回一段距离再继续钻削,往返几次,可避免切屑堵塞[3].

3　钻削过程中的安全保护

深孔加工由于其技术特性,安全问题尤为突出,虽然采取了上述的各种方法,但还是不能根本解决问题.特别是在大型零件加工过程中,一旦钻头折断在孔内且很难取出,造成零件报废,而且深孔钻的钻杆价格昂贵,所以损失太大.深孔钻削过程中各种引起钻头钻杆损坏的原因都存在着随机性.据统计,若有百分之一的随机性出现,一个有20个孔的压光辊零件就可能有20%的报废率.因此必须研究一种有效的办法、措施保证在深孔钻削的过程中不发生钻头钻杆的折断.

研究钻头钻杆折断不难发现,钻头钻杆折断都是发生在钻削扭矩急速增大、切削阻力快速增高的瞬间.如果寻求一种方案:跟踪测量钻杆扭矩,在扭矩快速增大的瞬间,从而快速采取措施,停止加工或减少进给量,降低扭矩,达到保护钻头钻杆和零件的安全.

3.1　切断电机电源的保护方法

根据电机扭矩电流的特性[4]可知道当切削扭矩增大时电机电流也随之增大,因此通过检测控制电流,就可以控制钻头所受的扭矩.当电流增大到一定值时立即切断电源,使电机停止运转,从而起到保护钻头的作用.在理论上,该方法是可行的,只要在钻削系统的电气控制主电路中安装过电流继电器,在控制电路中接入过电流继电器的常闭触头即可实现.但在实际应用时常出现以下两个问题:

1)由于是交流电机,扭矩与电流之间的关系不是线性的,而且与电机功率因数有关[4],其准确性不易掌握.

2)当电机被切断电源时,由于惯性不能立即停止,存在缓冲时间.

切断电机电源的保护方法其结果在加工过程中出现扭矩快速增大时,常常是钻头折断后电机转子才停止,所以此方法不可靠.

3.2　切断扭矩传递的保护措施

根据以上讨论的几种情况,可以进行针对性的解决.

1)在钻头主轴与电机轴的连接中安装扭矩传感器.在扭矩迅速增大时,可快速准确地检测扭矩参数,并输入控制系统.

2)在进给系统传动链中安装电磁离合器.当扭矩迅速增大的信号传入时,电磁离合器迅速脱离,钻头停止进给,达到保护钻头钻杆的目的.

加装扭矩传感器、电磁离合器的传动原理图如图1所示.本设计为了使结构简化,主轴旋转和进给运动由2个电动机分别驱动.喷注出屑液压系统未讨论,所以图中未标出.传动原理如下

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图1　传动原理图

Fig.1　T ransmission principle diagram

主轴系统:由主轴调速电机,经过扭矩传感器和齿轮1、齿轮2减速,驱动钻杆主轴旋转.在钻孔过程中,如发生扭矩增大,可由扭矩传感器迅速发出信号.

进给系统:进给调速电机经过电磁离合器、减速器、丝杠、螺母驱动滑台,实现进给,完成钻削过程.在钻孔过程中,若发生扭矩增大紧急状况时,可由扭矩传感器迅速发出信号,并通过控制系统快速控制电磁离合器脱开,切断电机扭矩传递,进给系统立即停止,并切断进给调速电机电源,停止供电,从而保护钻杆.

4　深孔钻的控制系统

深孔钻控制系统框图如图2所示.该系统采用

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第4期 蔡善乐等:深孔钻的安全保护与控制技术