【摘要】本文通过对某型汽车保险杆骨架横梁孔系加工工艺分析，确定切削三要素，选用合适钻削动力头，设计专用夹具，简化钻孔加工工艺，提高生产效率。
【关键词】孔系加工；钻削；加工工艺
孔加工，传统工艺需要经过划线、打点、钻孔这三道工序，操作虽然简单，但是费时，生产效率不高。尤其是多孔分布的零件，不利于批量加工。目前，对于孔系零件批量加工，一是设计专用钻孔夹具，俗称钻模，利用普通钻床（台钻、摇臂钻等）进行加工，由于靠人工操作钻孔，依赖于工人的操作技能熟练程度，故适用于孔系精度要求不高的零件；二是设计专用夹具，利用数控设备（数铣、加工中心等）进行加工，这样既可以保证精度又可以提高效率。不足为数控设备昂贵，增加加工成本。对于一些精度要求不高孔系零件，根据其孔系分布特点，设计一款专业钻孔设备势在必行。
1零件工艺分析
如图1所示某型汽车保险杆骨架横梁零件图，所用材料为20钢，规格：30×30×2方钢，其上分布3个孔，其中2个φ10、1个φ9，公差±0.5、±1，精度要求不高，大批量生产。目前采用传统工艺：划线、打眼、钻孔，需要3名工人，而且效率不高，约2min/件。为了提高效率和减低成本，考虑设计一台专用钻床进行孔加工。
2钻床总体方案设计
根据零件孔的分布形式，设计一台专用钻床，包括钻削动力装置设计、支撑定位装置设计、夹紧装置设计等，如图2所示。
3钻削动力头选择
3.1选择钻头。（1）材料性能分析20钢，起抗拉强度为412MPa，屈服强度为245MPa，伸长率为25%，收缩率为55%，硬度为156HB。（2）钻头选择根据工件材料性能，刀具选用高速钢麻花钻头，其直径为φ9mm、φ10mm。
3.2钻削主要技术参数。3.2.1切削用量的计算在对机床进行设计时，需要确定刀具的耐用度、工艺系统刚度以及机床功率以及加工精度和表面粗糙度，从而能够确定合适的切削用量。（1）ap背吃刀量ap=d02式中，do为钻头直径，单位为mm；根据切削用量的基本原则，选择大直径作为钻削用量，故d0为10mm。ap=d02=5mm（2）进给量f当加工要求为H12-H13精度，20钢的强度σb=412＜800MPa，d0=10mm时，f可取0.25～0.31。查阅文献，取孔的修正系数Kf=0.9，则f=（0.25-0.31）×0.9mm/r=0.0225-0.279mm/r钻削σb=412MPa，d0=10mm的20钢，标准麻花钻头强度允许的进给量f为0.93mm/r，综合考虑，取进给量f=0.26mm/r。（3）Vc切削速度当f=0.26mm/r，标准钻头d0=10mm时，Vt=17m/min。切削速度的修正系数KT=1.0，Kc=1.0，Kl=0.85，Kt=1.0，故Vc=Vt×Kv=17×1.0×1.0×1.0×0.85m/min=14.45m/min（4）n主轴转速由公式Vc=πnd01000，得n=1000vcπd0=1000×14.45π×10=460.2r/min3.2.2切削力、扭矩及功率计算轴向力切削力Ff、切削扭矩MC和切削功率Pc的计算公式如下:轴向切削力：Ff=CFdZF0fyFKF扭矩：Mc=CMdzM0fyMKM功率：Pc=Mc30d0Vc查阅文献,20钢,选择CF=600,ZF=1.0,YF=0.7，KF=0.88，CM=0.305，ZM=2.0，yM=0.8，KM=0.88。根据以上计算所得：d0=10mm，f=0.26mm/r，VC=14.45m/min，由此进行计算可得:轴向力:Ff=CFdZF0fyFKF=600×101×0.260.7×0.88=2056.44N切削扭矩：Mc=CMdzM0fyMKM=0.305×102×0.260.8×0.88=9.14N/m功率:Pc=Mc30d0Vc=9.1430×10×0.24=0.44kw3.2.3动力头的选择综上所述，根据主轴转速，轴向力，扭矩，功率以及切削行程的数据选择型号为SD4-921370的动力头。其钻夹头规格为13mm，空载转速700r/min，全行程为100mm，切削进给行程为0-40mm，功率0.75kw，进给推力1.8KN，符合钻削要求。其结构如图3所示。
4夹具设计
机床夹具主要是起到定位、夹紧和导向的作用，保证零件在加工过程中不会发生移位等现象。
4.1定位。根据零件图样可知，:两个φ10的孔，一个φ9的孔的设计基准都是工件的中心轴线；定位基准为底面和前侧面；调刀基准为钻套的中心轴线。如图4所示，为保证加工零件的精度，采取完全定位和辅助定位。下图中2，4，6三个支撑座相当于不在同一直线上的三个支撑点，形成一个面，限制X方向旋转、Y方向旋转和Z方向移动三个自由度。前端挡块1限制Y方向移动自由度，前后导向块1，7限制了X方向移动和Z方向旋转两个自由度。中间导向套5不限制自由度，是为了中间的孔在加工时的精度准确，起辅助作用。支撑座结构如图5所示，其中包括定位块、导向块。
4.2夹紧。为了保证加工质量，使工件在加工中不因切削受力等因素发生振动和偏移，设计夹紧装置，如图6所示，气缸作为力源装置，活塞杆为中间传力机构，链接杆为夹紧元件。当气缸伸出时，活塞杆向上推铰链杆，铰链杆另一头的夹紧元件就向下压，把工件夹紧。4.3夹紧力计算为保证安全和加工质量，需要计算夹紧力，从图4夹具总体设计图，可知：夹紧力的方向是垂直地面竖直向下，切削力为水平方向，其受力情况如图7所示。根据公式F实际=K×F，其中K为安全系数，取K=1.3。钻孔时，工件受到切削力矩M的作用，M将使工件产生回转，令工件夹紧时与定位表面处的摩擦因数为f，摩擦力臂为r，则可列出方程为M=Fwfr已知Mc=9.14N/m，f=0.20，r=100mm，得Fw=Mcfr=9.140.2×0.1=457NF实际=Fw×K=457×1.3=594.1N4.4气缸选择根据杠杆原理，如图9所示，杠杆L1=100mm，L2=100mm，两值比为1，所以最小缸推力为F推=F实际=594.1N根据实际，考虑气缸负载率，参考表1气缸负载率，此气缸只起夹紧作用，故取ηm=0.80，计算气压缸各阶段中的总负载F′和气压缸推力F推。则总负载F′F′=F推/ηm=594.1/0.80=742.625N按最大负载F′计算缸筒面积A=F/P，P为工作压力,取0.6Mpa。故：A=742.625/0.6×106=1237.71×10-6m2缸筒内径：D=4Aπ=4×1237.71×10-63.14=0.0397m，D取40mm。综上所述，选取MCKA40系列气缸。
5总结
此外，还包括电气控制柜设计、防护装置设计、基板设计、移动装置设计、钻套设计等，样机如图8所示，结合数控加工技术，拟定孔加工数控加工工艺，利用钻套精准钻削定位，把传统孔加工三道工序：划线、打眼、钻孔整合为钻孔一道工序，节省划线、打眼工序。从经济效益方面来说，传统工艺需要3位工人的流水作业，本设备只需1位工人即可满足，甚至可以1人多机配备，降低劳动力成本；加工时间也由原来的2min/件，提升到现在30S/件，大大提高生产效率。综上所述，本设备钻孔定位准确，专用夹具定位、气动夹紧、钻削动力自动进给，操作简易、安全、性能可靠，可以一次装夹，自动完成圆孔或螺纹孔的多个工位组合加工，自动化程度较高，可以节省人力、财力，为企业创造更大的利润，具有一定借鉴价值。
作者:林祖正 农万华 刘长彬 韦洪喜 单位:柳州工学院
