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剪切式鉆進技術的研究

2018-3-27 來源：中煤科工集團作者：李學忠

摘要：剪切式鉆進技術是在分析了現有切削機械裝備中加工載荷的傳遞方式下提出的一種全新的切削理論和機械產品的設計方法，利用正向切削和反向切削中兩者阻尼平衡的思路，將兩對相向切削的阻尼直接轉化為切削機具的內力，從而減少阻尼的傳遞行程，優化設備結構，減少衍生阻尼以及附加結構，提高設備能效；剪切式鉆進技術的提出，對中型孔徑、大型孔徑以及深孔加工裝備的改進有參考作用。

關鍵詞：剪切式；鉆進；切削原理；鉆孔

1 、工作原理

剪切式鉆削是具有 2 個方向相反、不同轉速、扭矩相等的鉆具同動力源相結合，形成異向雙速等矩的集成鉆具，利用正向切削、反向切削的扭矩相等原理達到鉆具鉆進時自身平衡，形成類似于剪刀工作的一種鉆削方式。

剪切式鉆削原理如圖 1 所示，鉆具具有內層鉆具（鉆頭）和外層鉆具（擴孔鉆），鉆頭同擴孔鉆旋轉方向相反，利用鉆頭周向切削扭矩同擴孔鉆周向切削扭矩相等，整體軸向推進，從而達到鉆孔、擴孔的目的。

圖 1剪切鉆削原理力

1.內層鉆具 2.提供異向雙速鉆具 3.外層鉆具 4.機床

2 、剪切式鉆削特點及用途

剪切式鉆削同旋切式鉆削最大的不同就是將切削動力源同鉆具相結合，利用 2 把鉆具的切削方向的不同，從而達到鉆具扭矩自身的平衡，避免了承載體在工作中承載或傳遞扭矩而增加設備支撐機構的復雜性。

最大的優點是鉆削中同鉆具相連的承載體不傳遞扭矩，可以避免在鉆削中鉆桿同孔壁的摩擦，同時也提高能效。剪切式鉆削對于加工孔徑比較大的工程機械有很大的優勢，如鉆機、掘進機以及盾構機，避免結構復雜；同時可配合自固定裝置，實現柔性鉆孔技術。

3 、剪式鉆削的結構

要實現剪式鉆削，鉆孔設備至少需要 3 部分結構，如圖 2 所示。

圖 2剪式鉆削結構圖

（1）鉆具連接體主要是連接鉆具，實現鉆具的支承和提供推進力；在普通的機械加工中，主要是指機床的床身或者工作臺，而在工程機械中，是指連接鉆具的鉆桿（鉆機類）或者連接鉆具的機身（如盾構機的機身）；、

（2）異向雙速動力源將單向源動力經過變速轉換，實現異向雙速動力的輸出，為鉆具提供可靠的動力源；主要可以采用行星變速機構，采用單動力源時，利用行星機構中的太陽輪既做源動力軸，同時也做動力輸出軸，輸出軸做另一動力軸，多動力源時，采用行星連接源動力，利用行星輪機構，實現動力和運動的合成與分解；

（3）剪式鉆具利用鉆具切削方向的不同和扭矩的自身平衡，從而實現剪式鉆削，達到鉆具連接體零扭矩承載或少扭矩承載，主要是 2 套切削方向不同的刀具和套式刀具。剪式鉆削按鉆具連接體承載扭矩的大小，分為完全剪式鉆削和不完全剪式鉆削。

完全剪式鉆削是剪式鉆具的內層和外層在鉆削過程中扭矩相等，鉆具連接體不承載扭矩傳遞；不完全剪式鉆削就是內層鉆具和外層鉆具的扭矩不全相等，在鉆削過程中，鉆具連接體承載少量的扭矩，絕大部分都是不完全剪式鉆削。

4 、異向雙速旋轉機構

實現剪切式鉆孔的關鍵主要是實現異向雙速同軸旋轉，可通過調整不同的齒輪組合設計來達到該功能。該結構演變過程如圖 3 所示。

圖 3齒輪傳動演變示意圖

1.動力軸 2.主動齒 3.從動齒 4.工作軸 5.行星齒 6.從動齒圈7.支架 8.2 根同心工作軸圖 3（a）為普通的齒輪傳遞，動力軸的功率全部傳遞給工作軸，只實現速度的變化和旋向的變化，一般做減速機構使用。減速器殼體承擔力矩。

圖 3（b）是異向分動箱傳動示意圖，分動箱的 2根動力軸方向相反，主軸既是動力軸，也是工作軸，只是主軸將功率傳遞給 2 根動力軸，實現速度、功率和運動方向的傳遞。機構箱體承受的扭矩

圖 3（c）是傳統的分動箱示意圖，主軸將動力分別傳遞給 2 根工作軸，從而實現功率和運動再分配。圖 3（d）是剪切式傳動示意圖，該機構是利用行星齒輪傳動機構實現太陽輪軸筒齒環軸的不同旋向，但是同心轉動的原理，實現 2 根工作軸的不同旋向，從而實現異向雙速轉動功能；圖 3（e）是利用功率的合成，將 2 個或多個相同功率，通過內齒和外齒的傳動，合成 2 個旋向相反、速度不同、扭矩相等的雙軸系統，實現異向雙速轉動功能。

5 、動力分配

要保證支撐機構在鉆進中只承受軸向推力，需確保擴孔同鉆孔的扭矩大小相等 M1=M2（見圖 1 及圖 4），設定以下參數：在鉆進過程中鉆頭工作承受的壓力均為 p,鉆進的進給量為 B，D2/D1=k （D1、D2分別為鉆頭、擴孔鉆外徑），且轉速相等。