变速箱上盖拨叉孔钻扩铰三工位组合机床设计.pdf

变速箱上盖拨叉孔钻扩铰三工位组合机床设计 李月琴①任新梅② 弓 申 ③ ① 郑州轻工业学院， 河南 郑J ,I、 】 4 5 0 0 0 2， ② 河南机 电学校， 河南 郑州 4 5 0 0 0 2 ， ③郑州拖拉机厂 ， 河南 郑州 4 5 0 0 5 3 摘要 针对变速箱上盖拨叉子 L 直径小、 孔深尺寸大、 不连续且精度要求高 ， 孔端无加工平面定位易折 断钻 头、 精度难以保证等问题进行加工工艺分析 ， 设计了工序比较集中的三工位钻扩铰组合机床 ， 利用一 套夹具装置对工件实行一次快速定位夹紧， 避免了工件的重复定位误差； 采用整体移动式导 向模板， 解决了细长刀杆刚度不足问题和精度不同的钻铰刀具的定位和导 向问题 ； 该机床实现 了工件快速装 卸， 可靠定位夹紧， 自动完成三个工位的工作循环 ， 劳动强度低 ， 生产效率高， 为断续的拨叉深孔加工 提供了技术保证。 关键词 小直径断续深孑 L 组合机床钻扩铰加工夹具 中图分类号 T H1 2 Th e De s i g n o f Dr ． 1 l i n g E x t e n d i n g HI n g i n g Th r e e - St a t i o n Mo d u l a r Ma c h i n e T o o f o r Sh i f t i n g F o r k Ho l e i n Ge a r b o x T o p Co v e r L I Yue q i n ① ， REN Xi n me i ② ，GONG S h e n ④ Z h e n g z h o u I n s t i t u t e o f L i g h t I n d u s t ry， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 2 ， C HN； ②H e n a n Me c h a n i c a l E l e c t r i c a l S e c o n d a r y S c h o o l ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 2 ， C HN； T h e F a c t o r y o f Z h e n g z h o u T r a c t o r ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 5 3 ， C H N A b s t r a c t T h i s p a p e r p r o v i d e d a d e s i g n o f a t h r e e s t a t i o n mo d u l a r m a c h i n e t o o l d r i l l i n g e x t e n d i n g h i n g i n g ， b a s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e pr o c e s s i n g s h i fti n g f o r k ho l e i n g e a r b o x t o p e o v e r p r o bl e ms，i n c l u d i n g t o o s ma l l di a me t e r o f t h e h o l e，t o o l a r g e o f t h e h o l e d e p t h，d i s c o n t i n u o u s p r o c e s s i n g，n o p l a n e s u r f a c e f o r p r o c e s s i n g i n t he e n d o f t h e h o l e S O t h a t t h e d r i l l wo u l d b e e a s y t o b e b r o ke n，ha r d t o k e e p t h e p r e c i s i o n，e t c ．Th e n e w d e s i g n a p p l i e d a s e t o f f i x t u r e t o c l a mp t he wo r k p i e c e r a p i d l y a t o n e t i me t o a v o i d t h e r e p o s i t i o n e r r o r ． I t a d o p t e d a n i n t e g r a t e d mo v i n g o r i e n t a t i o n mo d e l t o s o l v e t h e pr o bl e m o f i n a d e q u a t e s t i f f n e s s o f t he s l i m a r b o r a n d t h e po s i t i o n a n d o r i e n t a t i o n f o r t h e d r i l l i n g a n d hi ng i n g c u t t i ng t o o l s wi t h d i f f e r e n t pr e c i s i o n．Th e ma c h i n e t o o l c o u l d ma k e t h e wo r k p i e e e a s s e mb l e d r a p i d l y wh i l e p o s i t i o n e d r e l i a b l y ． I t c o u l d ma k e t h e d r i l l i n g，e x t e n d i n g，h i n g i n g，t h r e e s t a t i o n s r o t a t e a ut o ma t i c a l l y S O a s t o e a s e t h e l a b o r i n t e n s i t y a nd i mp r o v e p r o d u c t i v i t y．I t c a n p r o v i de a s o l i d t e c h n o l o g y f o u n da t i o n f o r t h e i n t e r mi t t e n t i n t e n s i v e p r o c e s s i n g o f t h e s h i fti n g f o r k h o l e ． Ke y wo r dsDi s c o n t i n u o u s S ma l l De e p Ho l e；Mo du l a r Ma c h i n e T o o l ；Dr i I i i n g Ex t e n d i n g Hi n g i n g Pr o c e s s；F i x t ur e 拖拉机变速箱组件是整机 中最重要 的部件之一 ， 机器的换档 、 变速常常通过拨叉组件更换变速箱 中多 联齿轮的位置来实现。根据变速箱空问位置和结构的 不同 ， 拨又组件可能设计在箱体上 ， 也可能设计在变速 2 3 5 9 ． [ 6 ] 邓福铭 ， 陈启武． P D C复合 刀其 材料及其 应用 [ M 北京 化 学T业 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 7 ] 高速钢刀具材料 的发展历史 [ J ] ． 五金科技 ， 2 0 0 7 5 3 5 3 6 ． [ 8 ] 侯亚丽 ， 刘景香 ． 高速切削加工 刀具材料 [ J ] ． 模具制造 ， 2 0 0 7 1 0 5 9 6 2． [ 9 ] 张庆． 刀具材料 的应用 和发展 [ J ] ． 热处理 ， 2 0 0 6 4 8 1 1 ． ；j ≯ ￡ul u 平 ， 驯 作者 储 开宇， 男， 1 9 6 3年生 ， 工学硕 士， 副教授 ， 主要从事机械制造装备 的设计、 加工制造及理论方面 的研 究， 已发表论文 2 0余篇。 编辑 李静 收稿日 期 2 0 1 0 0 3 0 4 文章编号 1 0 7 2 1 如果您想发表对本文的看法， 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 设计与研究 D e s ig n a n d R e s e a rc h 箱上盖上。当拨叉组件设计在上盖上且拨叉孔为不连 续的深孔时， 由于盖类零件厚度较薄 ， 空问位置有限， 拨叉孔径小 、 间距近、 精度高， 加之断续深孔结构， 使拨 叉孔成为加工中的关键。图 1为郑州拖拉机厂 1 8 0轮 式拖拉机的变速箱上盖结构简图， 平行的 3个拨叉孔 均为断续孑 L ， 孔径为 l 6 m i l l ， 深 2 0 8 m m。如果采用通 用立式钻床加工 ， 加工工艺复杂 ， 加工困难 ， 效率低 ， 断 续深孑 L 的同轴精度不易保证 ， 且腔内拨叉孔端面不加 工 ， 钻头无引导平面， 易折断钻头。本文采用钻扩铰组 合机床加工则很好的解决了这一问题。 1 拨叉子 L 精度要求及 工艺分析 1 ． 1 精度要求 图 1所示的变速箱上盖材料为 H T 2 0 0 ， 材料硬度 1 8 7～ 2 5 5 H B S ， 其左端面上设计有 3个 与基面 C平行 的拨叉孔 ， 每个孔均为三段不连续的同轴孔 左端 1 7 mm阶梯孔是为了加工位于腔 内的拨叉孔 而设计 的工 艺孔； 2 4 O o I l l m止 口是为 了加 盖板 而设 计 的定 位 孑 L ， 其表面粗糙度为 R 。 1 2 ． 5 m， 精度要求不高 ； 位于 上盖腔内与 4 1 7 i n to同轴 的两段断续孔用于安装拨叉 轴 ， 精度要求比较高， 孔径尺寸精度为 l 6 m m， 同 轴度要求为 0 ． 0 4 mm， 孔轴线到基 准面 C的尺寸精 度为 2 4 O o m m， 孔 的表面粗糙度为 R 3 ． 2 p t m， 两段断 续孔间距 1 0 5 n l m， 孑 L 深总计 2 0 8 mm， 长径 比为 l 3 ， 属 于深孔。平行的三个孔孔距精度为 3 3 0 ． 0 5 m m， 要求 也较高。 图1变速箱上盖结构简图 1 ． 2工艺分 析 为保证拨叉孔的加工精度， 前道工序 已在基 面 c 上加工好两定位销孔 2 0 器 m m， 故采N--NN销定 位， 限制六个 自由度 ， 实现工件的完全定位。由于工件 在设计上只有一端有工艺孑 L ， 受结构限制 ， 只能采用单 向钻扩铰孑 L 工艺。由于孔较深且不连续 ， 两段孔 的左 侧端面为毛面， 对钻头的定位性差 ， 钻头在两处毛面位 置都容易被引偏 ， 因而两段孔的同轴度 以及其轴线到 基面 C的尺寸精度都不易保证， 同时易折断钻头。 2 机床配置及 工艺关键 2 ． 1 机床 配置 组合机床的配置形 式受到被加 工零件的结构形 式 、 加工要求 、 安装形式、 导向精度及生产率等多种 因 素的影响 ， 考虑零件 的拨叉孔为断续的不通孔 ， 工艺上 又有较高的同轴度及尺寸精度要求 ， 机床不受生产节 拍限制， 同时考虑经济性和加工效率等要求， 机床采用 卧式三工位单侧加工配置方案 ， 如图 2所示。三个工 位配置三组刀具 ， 分别完成拨叉孔 的钻 、 扩、 铰加工。 为了减少机床配置成本 ， 并考虑动力在单工位加工时 没有额外增加 ， 扩孔加 工行程较短 孔深 1 0 m m 等， 所以设计时采用第 1 工位和第 Ⅱ工位共用一套动力部 件， 第 1 工位配置一组加长钻头 ， 完成拨又底孔钻削， 第 Ⅱ工位配置一组复合扩孔钻 ， 完成工件左侧工艺孔 1 7 i n to和止 口 6 2 4 ”m i l l 的最终加工， 第 Ⅲ工位配 置一组精绞刀， 完成拨叉孔q b l t o , o 7 i m m的最终加工。 铰 扩 钻 1 一侧底座；2一液压滑 台；3 一动力头 ；4 一多主箱 ；5 一接杆； 6 一刀具；7 --夹具；8 一液压移动 工作台 ；9 一工作台底座 。 图2 卧式钻扩铰三工位组合机床 配合三组刀具加工 ， 配置卧式两导轨液压精密滑台一 个 ， 液压精密移动工作台一个 ， 钻扩铰液压夹具一套 ， P L C控制变频调速 电动机两台， 单独液压站及液压控 制系统一套。 2 ． 2工 艺关键 本组合机床在整体配置方案上虽然已充分考虑被 加工零件的结构和工艺特点 ， 采用较分散的多工步工 序来保证孔的精度 ， 但由于被加工零件孑 L 径小 、 孔深尺 寸大， 单侧加工所用刀具细长 ， 在加工过程中还是存在 诸多工艺关键问题 ， 主要有 1 定位问题 包括工件在夹具上的定位和工件相对于各工位刀 杆轴线的定位。夹具在移动工作台上安装调整后 ， 其 在每一工位相对于机床动力头主轴的位置是 固定的 ， 而工件在夹具上安装后相对于机床刀杆轴线 的位置 ， 取决于其相对于夹具体的位置， 所以， 工件在夹具 中的 定位精度 ， 直接影响着工件的加工精度。 2 细长刀杆刚性不足问题 考虑到刀具的刚性 ， 虽然组合机床 的 I 和 Ⅲ工位 所配置的麻花钻和绞刀与机床主轴 的连接是 刚性 连 接 ， 但因其长度超过 了 2 1 0 m m， 细长刀杆 刚性不足所 引起的轴线摆动问题显得尤为突出， 它会引起工件孔 位的严重偏移和孔轴线与基面的尺寸精度超差 ， 该工 序的断续长孔 ， 会使 问题更为严 重。拨叉孔端面 的非 加工面， 更不利于钻头定位 ， 甚至折断钻头。 3 导 向问题 钻削加工和铰削加工所用 刀具均为定尺寸刀具 ， 工件的尺寸精度一方面取决于刀具 的制造精度 、 刀具 的刚性 ， 另一方面取决于导向套 的导 向精度 。表面粗 糙度取决于刀具的刚性 、 刀具的几何参数及合理的切 削用量 。同轴度取决于导向套与支承 的刚性。为使被 加工要素达到不同的尺寸精度 、 位置精度和表面粗糙 度 ， 常采用不 同的导向精度 ， 即钻铰孔所用导向装置的 精度不同。而为了有效解决工件重复定位误差问题 ， 本机床整体方案配置中已采用了三个工位共用一套夹 具方案 ， 由此带来的在一套夹具 中实现不 同工步的不 同导向精度问题 ， 是解决加工精度的又一个工艺关键 问题 3 夹具方案及工作循环 3 ． 1 夹 具方 案 考虑解决上述定位问题 、 刀杆刚性不足问题和导 向问题等， 夹具结构方案如 图 3所示。工件在夹具上 采用一面两销定位一次装夹后完成三个工位 的加工。 晒 ZU ； ． l u f 由于工件相对于夹具体位置在整个工序中固定 ， 只要 调整好夹具相对 于机床的位置 ， 工件相对于机床 的位 置即被确定 ， 避免了使用多套夹具 时工件重复定位带 来的加工误差 ， 解决 了定位问题。夹具中， 两定位销和 压紧机构联动。液压油缸 1 3的活塞杆向下推动推板 1 6 ， 带动杠杆 1 7向下转动 ， 迫使定位销 1 4上移进行工 件定位的同时 ， 带动拉杆 1 0压 紧工件， 勾形压板 7的 压紧行程等于定位销 1 4的定位行程， 且压紧时定位销 的阶梯端面位于垫板顶面下 方， 以防干涉 。当液压油 缸 l 3的活塞杆反 向移动时 ， 定位销 1 4下移到垫板顶 面以下 ， 以方便工件装卸。同时， 勾形压板 7松开。 A 1 -- 定位钢球 ；2 一 钻套；3 一铰套 ；4 一导 向模架 ；5 一模架 导套 6 一垫板 ；7 一 勾形压板 ；8 一压板导套； 9 一 回位 弹簧 ； 1 0 一拉杆 1 1 一 销轴；1 2 、1 3 一 液压油缸 ；1 4 一 定位销 ；1 5 一销套 ； 1 6 一推板 ；1 7 一杠杆 ；1 8一夹具底座。 图3 夹具总 图 考虑到第 1、 Ⅲ工位钻铰刀杆细长， 加工过程 中刚 性不足不易定位 ， 且易引偏孔 向， 所以， 在设计夹具时 ， I、 Ⅲ工位设置导向模架 ， 但受 到工件结构的限制 ， 只 在工件左侧和拨叉孔 间断处两个 位置设置 了导 向模 板 ， 以增加刀杆刚性和提高定位 、 引导的准确性。因为 工件在整个加工过程中共用一套夹具 ， 钻孑 L 、 铰孔所用 导套精度不同， 所 以， 必须在 I 、 m两个工位设置两套 导向装置 ， 这就带来 了导 向设计 的困难 。为此 ， 将导 向 模架 4设计成 可移动式 。导向模 架 4在 液压油缸 1 2 的带动下工作 时有三个位置 ， 原始位置导向模架 顶面缩回到夹具垫板 6顶 面以下 ， 使工件能够顺利装 卸 ； 钻孔位置 s 导向模架 4由液压油缸 1 2的活塞 杆推到其上部三个钻套孔轴线与刀具轴线对齐 ， 位置 精度由侧面的定位钢球 1和与其配合的球形凹坑的精 6 9 设计与研究 晒ig n a n d R e s e a fc h 度以及球形凹坑与导向套轴线之间的尺寸精度确定。 定位钢球从左端装入， 调整紧定螺钉， 可以调整钢球 1 压紧导向模架 4的压力 ， 导 向模架 4到位后定位钢球 1触动液压控制器 ， 使与导 向模架 4相连 的液压油缸 1 2泄压而使导向模架 4锁定在钻孑 L 位置 S ； 铰孑 L 位置 S ， 导向模架 4由液压油缸 1 2的活塞杆推到其下 部三个铰套孔轴线与刀具轴线对齐 ， 位置精度仍由侧 面的定位钢球 1确定。考虑到第 Ⅱ工位的扩孔精度要 求不高， 刀杆短， 刚性较好 ， 无需定位和导向。 加工时除了钻铰套位置精确定位外 ， 拨叉孔 的尺 寸精度还受到导向装置精度的影响 ， 为了使导 向更加 精确 ， 采用了固定导套 ， 其与钻模架为紧配合 ， 以消除 导套与模板之间的间隙 ； 导套长度取值也 比一般钻铰 孔时导向长度稍长一些。铰孑 L 加工决定了拨叉孔的最 终精度 ， 所 以， 选择绞刀与铰套 3之问的配合 时， 以既 要有效地提高导向精度 ， 又不影响刀杆和导套之间的 相对运动为原则 ， 选择了较紧的间隙配合 ， 并在导套和 刀杆之间加润滑剂 ， 以保证导 向顺 畅。为了提高导套 的耐磨性 ， 导套材料选择锡青铜。考虑到夹具移动工 位时， 刀具须脱开导套 的特点， 刀具部分设计有托架 ， 以提高刀具对导向孔的准人性。 3 ． 2 工作循 环 定位夹l 紧松开 T Ⅱ 滑 台 快 退Ⅲ 工 位 模 板l 退 回 原 位 Ⅱ 滑 台工进I 1I 滑台快进 工作台缓进l 至1 11 1 2 位 士 工作 台 快进l 模 板移至s ， 位 I 滑台侠退 f ● ．一 滑台 工进I I 滑台快进 l 工作台 缓进l 至1 1 1 2 位 T I 滑 台 快 退 工 作 台 快 进 f模 板 退 回 原 位 I 滑台工进I I 滑 台快进 模板 移{ 至s 位 T I I位定l 位夹紧 图4 机床自动工作循环图 机床 自动工作循环如图 4所示 ， 工件在夹具上初 定位后 ， 定位销 1 4和钩形压板 7在液压油缸 1 3的驱 动下联动 ， 实现工件先定位后夹紧一导 向模架 4移动 到钻孔位置 s 到位后油缸泄压 一I 滑台开始第一次 工作循环 快进 冷却 供、 主轴转 一工 进 死挡块停 留 一快退至原位 主轴停 一导向模架 4退 回原始位 置一液压移动工作 台开始工作循环 快进一缓进至 Ⅱ 工位 行程开关停留 ， I 滑台进行第二次工作循环 快 进 冷却供 、 主轴转 一工进 死挡块停留 一快退至原 位 主轴停 、 冷却停 一导向模架 4移动到铰孑 L 位置 S 到位后油缸泄压 一 液压移动工作台 8进行第二次 工作循环 快进一缓进至 Ⅲ工位 行程开关停留 ，Ⅱ 滑台开始工作循环 快进 冷却供 、 主轴转 一工进 死 挡块停 留 一工退一快退至原位 主轴停 、 冷却停 一 导向模架 4退 回到原始位置一夹紧油缸 1 3松开 ， 定位 销 1 4退出， 卸下工件 ， 液压移动工作台快退一缓退至 I 工位 行程开关停留 ， 工作循环结束。 4 结语 该组合机床实现了精度要求较高的拨叉孔的自动 加工 ， 不仅降低 了工人的劳动强度 、 保证 了加工质量 ， 而且大大提高了生产效率 ， 有效地解决了高精度断续 深孔加工难、 效率低等问题， 具有良好的经济效益和应 用价值。 参考文献 [ 1 ] 大连组合机床研究所．组 合机床设计 第 二版 [ M] ． 北京 机械工 业 出版社 ， 1 9 8 5 ． [ 2 ] 丛风廷 ， 迟建山．组合机床设计 第二版 [ M] ． 上海 上海科学技术 出版社 ， 1 9 9 3 ． [ 3] 刘玉梅 ， 潘为祥． 4 1 1 O柴油机机体 主油道加工组合机床设计[ j ] ． 机 械设计与制造 ， 2 0 0 8 9 1 8 1 9 ． [ 4 ] 刘涛， 刘伟． 变速箱壳体销 L 加工组合机床设计[ J ] ． 组合机床与 自 动化加工技术 ， 2 0 0 1 7 2 4 2 5 ． [ 5 ] 张建伍． 摩托车缸体销孔精铰组合机床[ J ] ． 组合机床与 自动化加工 技术 ， 2 0 0 1 1 0 4 4 4 6 ． 第一作者 李月琴， 女 ， 1 9 5 7年 生， 教授 ， 主要从事 机械设计制造和 C A D ／ C A M的教学和科研工作。 编辑 蔡云生 收修改 稿日 期 2 0 1 0 一 O 1 2 5 文章编号 1 0 7 2 2 如果您想发表对本文的看法。 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位鼍。 - 书讯 机械安全速 查手册王健石主编 ， 2 0 0 9年 9月出版 邮购价 9 4 ． 8 0元 本手册全面系统地介绍了机械安全标准5 9项， 绝大部分是强制性 国家标准和行业标准。手册共 7章， 分别为机械安全防护、 切削机床安全防护、 木工机床安全、 建筑机械安全、 起重机械与输送机械安全、 矿用机械安全、 锻压机械与铸造机械安全。 手册可供广大机械行业负责安全的管理者、 技术人员使用， 也可供安全监督 、 安全检查等各类安全人员使用。同时可供高等院 校机械专业广大师生参考。 来款请寄 北京市朝阳区望京路4号 ， 机床杂志社收， 邮编 1 0 0 1 0 2 。 7 0 移 动 工 作 台 快 退 至 工 位