汽车钻床机械结构设计探究

2022-09-21 16:31:17 来源:写作指导

【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