汽车换挡杆钻铣专用机床设计.pdf

2 0 1 2年 9月 第 4 0卷 第 1 8期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I C S S e p ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 8 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 8 ． 0 0 5 汽车换挡杆钻铣专用机床设计 廖映华 ，张 良栋 ，王春 ，符纯华 ， 1 ．过程装备与控制工程四川省高校重点实验室，四川 自贡 6 4 3 0 0 0 ；2 ．四川理工学院，四川 自贡 643 0 0 0 摘要针对汽车换挡杆钻、铣工序的特点，提出将它们进行工序集中，采用 自动化钻铣专用机床来提高加工效率。设 计的自动化钻铣专用机床包括上料和钻孔、铣槽 、 卸料等 3 个工位，采用 “ 上料一装夹一钻孔一铣槽一卸料”工艺流程完 成换挡杆钻铣加工。上料装置由分料装置和送料装置组成 ，实现 “ 分料一送料”的上料过程。液压夹具采用 V形块和侧面 支撑板作为定位元件，采用 4个液压缸实现8个工件的夹紧。钻削头和铣削头调节装置可用来调节钻头、铣刀与工件之间 的相对位置，因此该机床可用来实现工艺相同、尺寸不同的相似零件的钻 、铣加工 ，扩大了机床的加工范围。实践表明 采用该专用机床大大缩短了生产辅助时间，钻、铣加工效率可提高 3倍以上；加工过程全 自动化，一个工人可以同时看管 多台专用机床，可减少劳动力需求7 5 ％以上，从而大大降低换挡杆加工成本。 关键词汽车换挡杆；钻铣专用机床；液压夹具 ；上料装置 中图分类号T G 6 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 8 0 1 8 4 De s i g n o f Dr i l l i ng a n d M i l l i ng De di c a t e d M a c h i n e To o l f o r Ca r S hi f t - l e v e r L I AO Yi n g h a n ，Z HA NG L i a n g d o n g ，WAN G C h u n ，F U C h u n h u a ， 1 ． S i c h u a n P r o v i n c i a l K e y L a b o f P r o c e s s E q u i p me n t a n d C o n t r o l E n g i n e e ri n g ，Z i g o n g S i c h u a n 6 4 3 0 0 0，C h i n a ； 2 ． S i c h u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c eE n g i n e e ri n g ，Z i g o n g S i c h u a n 643 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t B y a n a l y z i n g c a l “ s h i fi l e v e r d ri l l i n g a n d mi l l i n g p r o c e s s c h a r a c t e ris t i c s ，t h e y w e r e c o mb i n e d i n t o o n e p r o c e s s ，a n d t h e a u t o ma t i c d ri l l i n g a n d mi l l i n g d e d i c a t e d ma c h i n e t o o l wa s d e s i g n e d t o i mp r o v e p r o c e s s i n g e ffic i e n c y ． T h i s ma c h i n e h a d t h r e e p o s i t i o n s f e e d i n g a n d d r i l l i n g，mi l l i n g fl u t e ，u n l o a d i n g ． T h e d r i l l i n g a n d mi l l i n g o f s h i ft - l e v e r w e r e fi n i s h e d b y u s i n g“ f e e d i n g - l o a d i n g - d ri l l i n g - mi l l i n g flu t e u n l o a d i n g ”p r o c e s s fl o w． L o a d i n g d e v i c e i n c l u d e d s u b - f e e d i n g d e v i c e a n d f e e d i n g d e v i c e，a n d f e e d i n g a c ti o n i n c l u d e d s u b f e e d i n g a n d f e e d i n g ．V- b l o c k and l a t e r al s u p p o r t p l a t e w e r e u s e d as s e t t i n g e l e me n t s o f t h e h y d r a u l i c fi x t u r e ，a n d f o u r h y d r a u l i c c y l i n d e r s we r e u s e d 8 ．8 c l a mp s ． B e c a u s e the r e l a t i v e p o s i t i o n b e t w e e n d ri l l i n g h e a d an d mi fl i n g h e a d c o u l d b e r e g u l a t e d b y po s i t i o n c o n - t r o l d e v i c e ， t h i s d e d i c a t e d ma c h i n e t o o l c o u l d b e u s e d t o d ril l an d mi l l fl u t e o f s i mi l a r s h i ft l e v e r tha t h a d s a n l e p r o c e s s e s a n d d i ff e ren t s i z e s ． P r a c t i c e s h o ws t h a t u s i n g t h i s ma c h i n e t o o l ， t h e a s s i s t a n t t i me i s g r e a tl y s h o r t e n e d， a n d p r o c e s s i n g e ffic i e n c y C O I l b e i mp r o v e d mo r e t h an 3 t i me s ；t h e a u t o ma t i o n o f ma c h i n i n g p r o c e s s ma k e s o n e w o r k e r c a n l o o k a f t e r man y ma c h i n e t o o l s ，S O l a b o r d e ma n d c a l l b e r e d u c e d mo r e tha n 7 5 ％ ，and s h i ft - l e v e r s p r o d u c t i o n c o s t i s g r e a tl y r e d u c e d ． Ke y wo r d s C a r s h i f t l e v e r ； Dri l l i n g an d mi l l i n g d e d i c a t e d ma c h i n e t o o l ； Hy d r a u l i c fi x t u r e ；F e e d i n g d e v i c e 在过去，劳动力成本低，企业宁愿雇佣大量工 人，采用通用机床设备来完成零件加工。但是今天， 随着经济的发展，劳动力成本大幅提高，企业负担增 大 ，为了提高效益，一个切实可行的办法就是采用全 自动化专用机床，一个工人可以看管多台自动化专用 机床 ，且一台专用机床可完成多道工序，这样既可以 减少对操作工人的需求，降低劳动力成本 ，又可以提 高零件的加工效率和机床的利用率，从而大大提高企 业效益 。 换挡杆是汽车机械手动变速器上实现换挡 的重要 零件 ，其加工批量大，不同厂家和车型的换挡杆在结 构和工艺上具有很大的相似性。目前 ，换挡杆的加工 都是采用通用机床完成 ，加工工艺复杂，需要多次装 夹才能完成零件加工 ，影响零件的加工精度和加工效 率，同时需要大量的操作工人。文中针对汽车换挡杆 钻、铣工序的特点 ，提出将它们进行工序集中，在同 台专用机床上完成钻铣加工 ，采用 “ 上料一装夹一 钻孔一铣槽一卸料”工艺流程 自动完成换挡杆钻铣 加工，达到提高换挡杆加工效率、减少劳动力需求的 目的，从而降低换挡杆加工成本 ，提高企业经济效 益 。 首先根据自动化专用机床的设计 目标明确了自动 化专机的总体结构方案 ；然后对液压夹具、上料装置 进行分析和设计 ；最后分析专用机床在提高换挡杆加 收稿 日期 2 0 1 1 0 9 0 5 基金项目过程装备与控制工程四川省高校重点实验室基金项 目 G K 2 0 1 0 0 1 ；四川理工学院人才引进科研启动项 目 2 0 1 0 3 ． 1 K R L 0 1 2 作者简介廖映华 1 9 7 6 一 ，副教授，研究方向为机电液一体化、高效切削等。E m a i l l i a o y i n g h u a l 1 8 1 6 3 ． c o m。 第 l 8期 廖映华 等汽车换挡杆钻铣专用机床设计 1 9 工效率、降低加工成本方面的效果。 1总体设计方案 自动化专用机床的设计目标减少辅助时间提高 加工效率 实际节拍时间 ≤1 5 s ／ 件 ；整个加工过 程无人化管理；可靠性高，加工质量稳定 ，维护方 便。因此 ，设计钻铣专用机床总体方案时主要从以下 几个方面考虑 1 合理 确定 集 中工 序 。如 图 1所示 为换 挡杆 零件示意图，其材料为 4 5钢，上有一距离端面为 厶 的成形槽和距离成形槽 中为 L 0 ． 1的精度为 I T 1 1 的孔 d 。加工时，钻直径为 d 的孔和铣槽均以换挡 杆的外圆和端面作定位面，以 V形块和侧面支承板 作定位元件，因此考虑将两道工序进行集中，一次装 夹完成钻铣加工，这样既能减少重复装夹，上、下料 的时间，提高加工效率 ，又能减少装夹误差，保证加 工质量 。 图 1 换挡杆零件示意图 2 一次装夹加工多个工件，减少单件加工的 辅助时间。考虑机床的刚性、夹具的复杂程度、加工 的可靠性等因素 ，该专机一次装夹 8 件工件。 3 整个加工过程无人化 管理 ，缩短辅 助时 间。 根据各工序加工特点 ，采用 “ 上料一装夹一钻孔一 铣槽一卸料”的工艺流程实现钻孔和铣槽加工。由 于钻孔时钻头需要精确定位 ，考虑定位精度、结构可 靠性以及加 工质量 稳定 性 ，在 加工 时 “ 先 钻孔 后铣 槽” 。 4 合理确定切削用量。在保证加工质量、合 理的刀具寿命 一次换刀后加工 1 6 0 0件 的前提 下，尽量增大切削用量，缩短加工时间。参考文献 [ 1 ]并根据实际经验确定切削用量，具体见表 1 所 示 。 表 1 各工序切削用量 注槽成形铣刀直径 4 , 9 0，刀齿 z 1 4 根据以上分析，该专机的总体设计方案如图2所 示 。 S 3 2 4 卸 7 、 | ～一I I ． 6 2 3 5 l ～ 送料 机 构2 ～液 压夹 具卜工作 台4 一 八头 钻削 头5 一直 线运 动机 构6 一 铣 削头7 一 卸料 机 构3 一料 仓 图2 换挡杆钻铣专用机床的总体设计方案 该主机具有以下特点 1 该专用机床有上料 B 一 视图所示； 6 卸料时，先松开夹具 ，由卸料机 和钻孔工位、铣槽工位 、卸料工位等3个工位； 2 构将工件顶入料仓中，如图2中 c ． c视图所示 ； 7 上料采用 “ 分料 一送料” 自动循环过程； 3 工件 采用 “ 上料一装夹一钻孔一铣槽一卸料”工艺流程。 在液压夹具中采用 V形块和侧面支撑件作为定位元 加工时，其工作循环如图3所示，一次工作循环完成 件，以工件外圆和一端面作为定位表面进行定位，采 8 个工件加工 ，单次工作循环时间不超过 1 2 0 s 。 用液压缸夹紧工件； 4 钻孔时，工件不动、刀具 I 圭 竺 三 竺 l竺 三 垒I竺 三 竺 进给 ，且钻削头可以在横 向调节位置 ，以加工换挡杆 上不 同位置 的孔 ，如图 2中A 视 图所示 ； 5 铣槽 时，工件进给，铣削头可以在横向和竖向调节位置， 以满足换刀和加工不同位置上的槽的要求，如图2中 图3 换挡杆钻铣专用机床工作循环示意图 - 2 0 机床与液压 第 4 o卷 2 液压夹具 如图4所示为液压夹具结构示意图，它主要由夹 具体 l 、对刀块 2 、连接板 3 、V形块4、侧面支撑板 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 l l 5 、压板6 、拉杆 7 、固定钻套 8 、钻模板 9 、液压缸 基座 1 0和液压缸 1 1 等组成。 l 一 夹 具体卜 对刀 块卜 连 接板4 一V 形 块s 一 侧面 支撑 板6 一压 板7 一 拉杆8 一 固定 钻套9 一钻 模板l O 一灏压 缸基 座l l 一 液 压缸 图4 液压夹具结构示意图 机床工作时，工件在夹具中依靠 V形块 4和侧 工件在夹具中定位夹紧之后需要进行钻孔和铣槽 面 支撑板 5快速 定位 ，向液 压缸 l l中通 入压 力油 ， 加工 ，采用 固定钻套 8和钻模板 9来保证钻孔 加工质 液压缸活塞杆通过拉杆 7 、驱动压板 6将工件夹紧。 量，为了实现铣刀位置的快速调整 ，设 置了对刀块 为了减少液压缸数 目，1 个液压缸实现2个工件的夹 2 。 紧 ，该夹具 同时装夹 8 个工件 进行加 工 ，因此需要 4 个 液压缸 。工件夹紧时需要的液压缸油压大小 ，按照 如 下方法进行计算 已知工 件 材料 为 4 5钢 ，刀具 材 料为 W1 8 C r 4 V， 凸圆成形铣刀，参考文献 [ 1 ]选择铣削功率计算公 式 P C d 0 ” 0 n 矶 1 0 式中 C P 2 ． 3 2 ，d 9 0 m m， 4 I n l n ， 0 ． 0 8 m m ／ 齿， 3 0 m l n ，z 1 4 ，n2 5 0 r ／ m i n 。计算可 知铣削功 率 P 2 ． 8 7 k W。 参考文献 [ 3 ] ，选择夹紧力计算公式 KMs i n ■ tRs i nS - 2 R 式中 安 全 系数 K2 ． 5 ，M - ， 9 0 。 ，R ， 。 0 ． 1 6 ，d 。 1 2 m m。计算可得夹 紧力 Wk1 0． 7 k N。 由于液压缸一次夹 紧两个工件 ，因此 ，液压缸夹 紧时需提供的夹紧力为 2W 2 1 ． 4 k N。选择的液 压缸最大夹紧力为4 0 k N，对应的油压为 5 0 M P a ，因 此工件夹紧时需要 的工作油压选择 2 7 M P a ，对应夹 紧力为 2 1 ． 6 N 。 3 上料装置 上料装置如图5所示，主要由料斗 1 ，分料机构 2 、4 ，分料槽 3 ，送料机构 5组成 。它采用 “ 分料 一 送料” 的 自动循环过程 分料过程。首先将工件放入料斗 1中；然后由分 料机构 2 从料斗 1中分 出 8个 工件放 入分 料槽 3中 ； 最后由分料机构 4将 8个工件分别放人 8个送料槽 中，完成分料。 送料过程。在液压夹具 回到上料工位时 ，送料机 构接受到信号 ，通过送料机构 5 将送料槽中的工件送 入液压夹具中，待工件夹紧后，送料机构回退 ，同时 开始钻孔加工。 上料机构设计 时需要合理确定料斗 的容积 。料斗 结 构 如图5 所 示， 设 工 件 直 径 为d ， M in t f 1 ， 、 帅 1， Ⅳ i n t f l ，则料斗最多容积 可用下式计算 、al／ 珊Ⅳ M in t 等 1 1 在设计时 ，为 了保证料斗结构 上的对称性 ，需保 证 为奇数。该设计要求料斗最 大容量大于 1 0 0 0 件 ，工件直径 d ． 1 2 m l n ，因此取 W 3 9 6 m m，H 3 1 8 ． 5 m m。H5 2 6 m m，根 据 公 式 1 计 算 可 知 V 1 0 0 81 0 0 0 ，满足基本设计要求 。 第 1 8 期 廖映华 等汽车换挡杆钻铣专用机床设计 2 1 J l L 1＼ ＼ _ 毫 。＼ | ＼ 1 ＼ ‘＼＼ ． ／， 『 I 送 料槽 ， 4 ＼ ／ 分 料 ． ． ． ．． l 下 甲 t T T T T ⋯ n l ’ l 一 料 斗 2 、4 一分料机构 卜 分 料槽 5 一送 料机 构 5 图5 上料装置结构示意图 4结论 综上分析可知，文中研究的换挡杆钻铣专用机床 能够实现 “ 上料一装夹一钻孔一铣槽一卸料”的自 动工作循环 ，一次循环能够完成 8 个零件加工，整个 过程实现全 自动化，大大缩短了辅助时间，提高了换 挡杆的加工效率。除此之外，该专用机床能够调节铣 削 、钻削动力头与工件之间距离的大小 ，因此该专用 机床可用于结构相似、但尺寸不同的换挡杆的钻铣加 工 。将该机床用于某轿 车的 1 、2挡 换挡杆 的钻 铣加 工 ，其生产率在原来的机床上提高了3倍，且零件加 工质量稳定，废品率低，取得了良好的经济效益。 参考文献 【 1 】 赵如福． 金属机械加工工艺人员手册 [ M] ． 3 版． 上海 上海科学技术出版社， 2 0 0 6 ． 【 2 】 现代实用机床设计手册编委会． 现代实用机床设计手 册 上册[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 6 ． 【 3 】王光斗． 机床夹具设计手册[ M] ． 3版． 上海 上海科学 技术出版社 ， 2 0 0 0 ． 【 4 】 侯志坚， 李国平， 高子辉 ， 等． 加工套筒零件两端中心孔 的专用机床设计[ J ] ． 组合机床与 自动化 加工技术， 2 0 0 5 3 7 1 7 2 ． ， 【 5 】 宋建武， 杨丽． 轴类零件中心孔加工专用机床设计[ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 0 9 ， 3 7 8 2 6 6 2 6 7 ， 2 3 7 ． 【 6 】 杨颖， 李志鹏． 装载机动臂镗孔专用机床的设计[ J ] ． 机 械设计与制造， 2 0 0 6 2 1 9 2 0 ． 【 7 】 宋清俊 ， 雷玉勇， 杨桂林． 一种加工印刷电路板用四轴钻 铣床的机械系统设计 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 ， 3 5 1 2 8 081 ． 【 8 】 金新 ， 黄鹤辉， 张丽娜 ， 等． 桥梁斜拉索锚具大螺距螺纹 加工专用机床关键技术的研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 1 0 2 0 2 2 ． 【 9 】 侯志坚 ， 冯德振， 杨可森， 等． 专用切槽机床的设计 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 4 7 1 2 0 ， 1 1 6 ． 解 析国外数控 机床 技术发展现状 数控机床近几年发展迅速，国外数控机床的发展现状是 1 高速高精与多轴加工成为数控机床的主流，纳米控制已经成为高速高精加工的潮流。 2 多任务和多轴加工数控机床越来越多地应用到能源、航空航天等行业。 3 机床与机器人的集成应用 日趋普及 ，且呈现结构形式多样化、应用范围扩大化、运动速度高速化、多传感 器融合技术实用化、控制功能智能化、多机器人协同普及化的特点。 4 智能化加工与监测功能不断扩充，通过车间的加工监测与管理可实时获取机床本身的状态信息 ，分析相关 数据 ，预测机床的状态 ，提前进行相关的维护，避免事故的发生，减少机床的故障率，提高机床的利用率。 5 最新的机床误差检测与补偿技术能够在较短的时间内完成对机床的补偿测量 ，与传统的激光干涉仪相比， 对机床误差的补偿精度能够提高 3～ 4倍 ，同时效率得到大幅度提升。 6 最新的 C A D C A M技术为多轴多任务数控机床的加工提供了强有力的支持，可以大幅度提高加工效率。 7 刀具技术发展迅速，众多刀具的设计涵盖了整个加工过程，并且新型刀具能够满足平稳加工以及抗振性能 的要求。 内容来源中华机械网