汽车门内护板紧固孔钻孔机床的总体设计.pdf

1 勺 化 汽车门内护板紧固孔钻孔机床的总体设计 The o ver al l des i gn of car door guar d f as t eni ng hol e dr i l l i n g m achi n e 杨春梅，李静。马岩 YANG Ch u n ． me i ， L l J i n g 。 MA Y a n 东北林业大学 林业与木工机械工程技术中心，哈尔滨 1 5 0 0 4 0 摘要本文通过对汽车门内护板加工的现状分析 ，针对传统的内护板紧固孔钻孔机床加工精度低、 加工范围小、加工工序繁琐和自动化程度低等问题，进行了门内护板紧固孔钻孔机床的加工 流程的分析和设计。文中设计了该机器的总体布局、分析了工作原理并对各部分进行了设 计。通过本设计将可以提高汽车内护板紧固孔加工的质量和生产效率，实现门内护板紧固孔 的精确加工。 关键词；汽车门；内护板；紧固孔；精确加工 中图分类号T G 5 0 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 ～ 0 1 3 4 2 0 1 2 0 7 下 一0 1 1 6 0 4 Do i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． ’ 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 7 下 ． 3 7 0 引言 汽车工业是一个 国家制造业发展水平的代表。 作为发达国家 如美、日、德 、意、法等的支柱 产业，汽车制造业在国民经济 中占有至关重要的 地位 ，其产值占国民生产总值的 3 ． 5 ％ ～9 ％左右。 汽 车工业的飞速发展 ，使得人们对其提 出了更多 的个性化要求。客户不但在汽车产 品的性能方面 提出了更高的要求 ，而且对汽 车外观和 内部装饰 环境也提出了更具有个性 的要求。在 国际车坛上 ， 设计大战早巳转战至内饰设计上 u ] 。 目前木材、木纤维复合材料 、P P木粉板在汽 车 内饰件方面的应用，被世界各 国重视，突 出的 特点是在满足质量 的前提下 ，大大减轻 了整车重 量 ，提 高车辆行驶 的经济性。汽 车车 门的内护板 是车 内比较重要的部件 ，用于保护乘车人 员的安 全 等，随 着人们对汽 车安全性 的要求越来 越高 ， 车 门 内护 板的材 质也逐渐 向 p p木 粉板 木塑材 料 、高分子复合材料、木纤维复合材料转移 ，大 大的提升 了汽车的安全化程度 ，增加了产 品的性 价比 。 随着科学技术 的不断发展 ，人们对汽车车 门 内护板 的质量和工艺要求也在不断的提高。这就 促进 了内护板加工机械 的进一步发展。因此 ，提 高我 国数控加工设备在汽车加工机械 的比例 ，是 提高 内护板加工机械行业技术水平及整个汽 车行 业发展的需要 J 。 车 门附件通过螺钉或者卡 口连接到内护板上 ， 因此在生产中，内护板钻孔是一道很重要的工序。 加 工紧固孔是车 门生产机械化 、自动化 的一个难 点 。传统的紧固孔钻孔机床完全采用人工操作 ， 效率低 ，操作复杂，加工精度低，位置偏差较大 ， 都 不能满足高 质量汽车车 门内护板生 产的要求。 本文针对 国内门内护板紧固孔钻孔机现状 ，设计 了一种用于 门内护板紧固孔加工的专业钻孔机床 。 1 门 内护板紧 固孔钻孔加工 的工艺 流程及工作原理 1 ． 1门内护板紧固孔加工流程 汽车门内护板 紧固孔的数量根据车门的种 类 各有不同，但是样式基本相同。数控 门内护板紧 固孔钻孔机 的特 点是在一次装夹的情 况下 ，利用 钻头完成所有紧固孔的加工。 根据汽车门内护板 的结构 特点，确定紧固孔 的加工流程为上料 手动 定位 主轴 向下进给 随动压紧 钻头切削 钻头退回 随动压 紧松 开 卸料。首先通过人工手动上料，用移动夹具 和移 动导轨 以及 工作台面进行 三个方 向的定位。 然后再通过 丝杠调 整 X，Y，Z方向的进给机构 ， 确定 紧固孔的具体位置和深度 。最 后主轴带动 刀 具开始工作 ，当运动到 内护板表面时 ，安 全压 紧 装置 开始施压并压紧工件 ，钻头继续向下切 削加 工 紧固孔。主轴 的进给是通过踩动脚踏开 关控制 的。加工完成后，主轴退 回零点 ，随动压 紧装置 松开后人工卸料 ，这样就完成了工件的加工。 收稿日期2 0 1 1 -1 1 - 2 4 基金项目国家自然科学基金项 目 3 1 0 7 0 5 0 0 }国家林业局引进9 4 8 项目 2 0 1 1 4 0 6 It者简介杨春梅 1 9 7 7 一，女，副教授，研究方向为木工机械。 [ 1 1 6 ] 第3 4 卷第7 期2 0 1 2 7 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 甸 化 1 ．2 机床的总体布局 专用机床的布局根据工件特定工艺方案和运动 方案确定 ，数控门内护板紧固孔钻孔机属于专用机 床 ，根据内护板紧固孔的结构特点和加工流程 ，本 机床采用立柱式的结构形式。机床的外形尺寸 长 宽 高 为 2 6 8 8 mm1 3 3 5 mm 1 7 6 0 ra m，主 要由进给机构 1 、进给机构 2 、进给机构 3 、导轨 、 钣金总成 、机架、主机 如图 1 所示 圾 相关 电气 系统 组成 。 1 ． 总机 ；2 ． 进给机构 ；3 ． 导轨 ；4 ． 钣金总成 ；5 ． 机架 ；6 ． 机床装 饰 墙裙子，7 ． 脚踏 开关；8 ． 工作 台面；9 ． 空气压缩机 图1 门内护板 紧固孔钻 孔机 结构 简图 1 ． 3紧固孔钻孔机的工作原理 门内护板紧固孔钻孔机以电主轴为动力驱动 ， 通过外接空气压缩机 9为气动元件提供动力 ，工 作时 电主轴通过 花键轴带动套在其上的圆槽加工 轴旋转 ，气缸推动花键套在电主轴的花键轴上滑 动 ，通过行程开关实现对／ J n T． 深度的控制。 内护板被放在模具上 ，模具放置在工作台面 8 上 ，用移动夹具实现 固定。侧面通过 铝型 材轨道 实现主轴 Z 方向的定位 ；通过移动夹具实现主轴 x 方向的定位；主轴 Y方向为垂直布置的 5台主机 ， 可实现 l至 2扇 内护板 的加工 ；进给机构 2可实 现总机在主轴 Z 方 向左右移动 ，实现紧固孔主轴 Z 方 向的定位。工作时通过控制面板调整好工作状 态， 由脚踏开关 7启动。机 器机架 5以槽 钢为主 要材料焊接而成，同时整个机身配 以钢板和板金 保证机器稳固以及外形的美观。 数控门内护板紧固孔钻孔机的主要技术参数 最大钻孔直径 3 5 mm 最大钻孔深度 7 0 mm 最大工件加工长度 2 3 4 0 mm 最小工件加工长度 1 5 mm 两垂直排钻最小 中心距 1 9 0 m m 两侧相邻两垂直排钻最大 中心距 9 8 0 mm 标尺边缘距排钻 中心最大长度 1 8 5 mm 排钻大钻头距工作台最小高度 6 5 mm 排钻大钻头距工作台最大高度 1 7 5 mm 轴数 l 5 主轴转速 2 8 2 5 r ／ mi n 安装功率 1 ． 1 k w 2 数控 门内护板紧 固孔钻孔机的总 体设计 2 _ 1主运动系统与进给运动系统确定 汽车门内护板紧固 L ／ J I] 工机床 包括主运动 系 统 和进给运动 系统两部分。主运动 系统是 由电主 轴 带动钻头实现 的旋转切削运动。进给运动是 由 X、Y、z三个方 向的往复直线运动组成。进给机 构 分为三组 ，功能基本相同，进给机构一有两个 部件 ，均是 由短丝杠单独驱动 ，进给机构二也有 两 个部件 ，是 由一根长的两端旋 向相反 的丝杠驱 动，进给机构三 有一个部件 ，不做纵向运动，直 接 固定在机 架上 ，如图 2所示。同时对两部分运 动要有简单 的控制包括启停控制和调速控制。 进给机构 二、进给机构三与进给机构一结构 大致相同，只在底座上有所不 同。 2 ．2 主机部分的设计 主机部分包括主轴、安全压 紧装置、导柱和 接触块。当人工触动脚踏开关 ，主机接到一个进 气的信 号，主轴 内的活 塞就带动 刀具 向下 运动。 内护板的安全压紧装置用来压紧待加工的内护板 ， 实现内护板 的定位 。该装置的设计 中加入 了安全 罩 5 ，主要用来保护操作人员，也可减少木屑的飞 出，减少加工后的清理工作，如图 3所示。 2 ．3 导轨的设计 导轨部分主要包括移动夹具 ，横 向导 轨，纵 向导轨 ，导轨挡块 ，丝杠等，如 图 4所 示。移动 夹具和横 向纵 向导轨用来实现待加工的内护板 的 定位 ，由于 内护板大小不 同，加工的紧固孔 的位 第3 4 卷第7 期2 0 1 2 7 下 [ 1 1 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、l 匐 化 1 ． 水平滑座 }2 ． 底座 ；3 ． 垂直滑座；4 ． 水平端盖 ；5 垂直丝杠 ；6 挡套；7 ． 垂直端 盖；8 ． 水平 丝杠 ；9 ． 走线罩 图2 进给机构一 1 ． 固定架 ；2 ． 弹簧套筒 ；3 ． 弹簧 ；4 ． 轴 ；5 ． 安全 罩I 6 ． 密封圈 图3 安全压紧装置 置也有所不 同，刀头 的位 置不易改变 ，所以夹具 设计成移动式 的，可根据实际情况 ，调整待加工 内护板左右 的位置。车门内护板紧 固孔钻孔机还 设 计了纵 向导轨 ，这样可以更直观 的调整加工件 的位置 ，精确确定紧固孔的位置 ，减少累积误差。 通过微调丝杠一 、二、三调整主轴的位置 ，以更 加精确的确定紧固孔的位置。 3 机架结构设计 3 ． 1机架结构设计和模型建立 在整个机床 结构 中，机架起着支撑 工件和连 接工作台、立柱等关键零部件的作用。根据车门内 护板 紧固孔钻孔机床的总体 布局可知 ，机床的所 有重量都是机架来支撑的。为 了满足机架的强度 和刚度，充分发挥材料的作用，整个机架 由方形热 t l 1 8 ] 第3 4 卷第7 期2 0 1 2 - 7 下 1 ． 移动夹具 ；2 ． 导轨挡块 ；3 ． 丝杠一 左旋 ；4 ．丝杠二 右 旋 ；5 ． 丝杠三 右旋 ；6 ． 横 向导轨 7 摇把 图4 导轨 轧普通槽钢焊接而成。机架上端是 由方形槽钢焊 接而成的圈梁 ，同时焊接 四根加 强筋 ，支 架由四 根立柱通过 四根方形槽钢焊接而 成，立柱之间也 焊接了加强筋来保证机架的强度和刚度，避免 出 现变形。采用焊接结构 ，生产周期短 ，出现缺 陷 可加焊接隔板和加强筋等补救。 机架材料为H T 2 0 0 灰铸铁 ，对应的参数为 弹 性 模 量 E I ． 1 8 1 ．2 6 1 0 Mp a ， 泊 松 比 u 0 ． 3 ， 密 度 p 7 ．o x 1 0叫 t o n n e ／ mm ， 利 用 S o l i d Wo r k s 基 于特征 的参数化造型功能，可建立该机 架的精确 模型 如图 5所示 。 3 ． 2有限元仿真分析 首 先根据选择 的钻头和实际工作情况 ，确 定 钻头的进给力 轴向力 。 进给力 轴向力 可按下式计算 F z 9 ． 8 0 7 a D “ “ ； 式中 以 与材料有关的实验参数； I - 一钻头直径； g z 每齿进给量 ； ， 钻削深度 ； U ， ， ． ， 7 广 _ 实验指数 ，查表获得。 根据实际情况和参数要求，可知 n 0 ． 8 4 6 ， D 1 0，U O ． 2 5，h 4 5，U 1 ． 0 5，r 0．3， 万 0。 所以 9 ． 8 0 7 X0 ． 8 4 6 1 0 4 5 。 6 1 ． 4 4 N。 故机架模拟实 际载荷压 力 F G 5 X 3 91 0- I-5X6 1 ． 4 4 4 2 1 7 ． 2 N。 然 后 通 过 s o l i d w o r k s和 s i mu l a t i o n软 件 对 机 架进行有限元分析。通常对于大体积 和复杂形状 的模型 ，采取实体 网格划分作为单元类型 ；同时 为了获得 良好仿真分析精 度，应该选择 高品质的 网格 ；并且网格化的自动过度功能处于打开状态， 以便在 网格划分时横梁 与支架结合处等容易产生 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m