楊春梅，李 靜，馬 巖

（東北林業(yè)大學(xué) 林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，哈爾濱 150040）

0 引言

汽車工業(yè)是一個(gè)國家制造業(yè)發(fā)展水平的代表。作為發(fā)達(dá)國家（如美、日、德、意、法等）的支柱產(chǎn)業(yè)，汽車制造業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有至關(guān)重要的地位，其產(chǎn)值占國民生產(chǎn)總值的 3.5% 9%左右。汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，使得人們對(duì)其提出了更多的個(gè)性化要求?？蛻舨坏谄嚠a(chǎn)品的性能方面提出了更高的要求，而且對(duì)汽車外觀和內(nèi)部裝飾環(huán)境也提出了更具有個(gè)性的要求。在國際車壇上，設(shè)計(jì)大戰(zhàn)早已轉(zhuǎn)戰(zhàn)至內(nèi)飾設(shè)計(jì)上[1]。

目前木材、木纖維復(fù)合材料、PP木粉板在汽車內(nèi)飾件方面的應(yīng)用，被世界各國重視，突出的特點(diǎn)是在滿足質(zhì)量的前提下，大大減輕了整車重量，提高車輛行駛的經(jīng)濟(jì)性。汽車車門的內(nèi)護(hù)板是車內(nèi)比較重要的部件，用于保護(hù)乘車人員的安全等，隨著人們對(duì)汽車安全性的要求越來越高，車門內(nèi)護(hù)板的材質(zhì)也逐漸向pp木粉板（木塑材料）、高分子復(fù)合材料、木纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)移，大大的提升了汽車的安全化程度，增加了產(chǎn)品的性價(jià)比[2]。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車車門內(nèi)護(hù)板的質(zhì)量和工藝要求也在不斷的提高。這就促進(jìn)了內(nèi)護(hù)板加工機(jī)械的進(jìn)一步發(fā)展。因此，提高我國數(shù)控加工設(shè)備在汽車加工機(jī)械的比例，是提高內(nèi)護(hù)板加工機(jī)械行業(yè)技術(shù)水平及整個(gè)汽車行業(yè)發(fā)展的需要[3]。

車門附件通過螺釘或者卡口連接到內(nèi)護(hù)板上，因此在生產(chǎn)中，內(nèi)護(hù)板鉆孔是一道很重要的工序。加工緊固孔是車門生產(chǎn)機(jī)械化、自動(dòng)化的一個(gè)難點(diǎn)[4]。傳統(tǒng)的緊固孔鉆孔機(jī)床完全采用人工操作，效率低，操作復(fù)雜，加工精度低，位置偏差較大，都不能滿足高質(zhì)量汽車車門內(nèi)護(hù)板生產(chǎn)的要求。本文針對(duì)國內(nèi)門內(nèi)護(hù)板緊固孔鉆孔機(jī)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種用于門內(nèi)護(hù)板緊固孔加工的專業(yè)鉆孔機(jī)床。

1 門內(nèi)護(hù)板緊固孔鉆孔加工的工藝流程及工作原理

1.1 門內(nèi)護(hù)板緊固孔加工流程

汽車門內(nèi)護(hù)板緊固孔的數(shù)量根據(jù)車門的種類各有不同，但是樣式基本相同。數(shù)控門內(nèi)護(hù)板緊固孔鉆孔機(jī)的特點(diǎn)是在一次裝夾的情況下，利用鉆頭完成所有緊固孔的加工。

根據(jù)汽車門內(nèi)護(hù)板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定緊固孔的加工流程為：上料→手動(dòng)定位→主軸向下進(jìn)給→隨動(dòng)壓緊→鉆頭切削→鉆頭退回→隨動(dòng)壓緊松開→卸料。首先通過人工手動(dòng)上料，用移動(dòng)夾具和移動(dòng)導(dǎo)軌以及工作臺(tái)面進(jìn)行三個(gè)方向的定位。然后再通過絲杠調(diào)整X，Y，Z方向的進(jìn)給機(jī)構(gòu)，確定緊固孔的具體位置和深度。最后主軸帶動(dòng)刀具開始工作，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到內(nèi)護(hù)板表面時(shí)，安全壓緊裝置開始施壓并壓緊工件，鉆頭繼續(xù)向下切削加工緊固孔。主軸的進(jìn)給是通過踩動(dòng)腳踏開關(guān)控制的。加工完成后，主軸退回零點(diǎn)，隨動(dòng)壓緊裝置松開后人工卸料，這樣就完成了工件的加工。

1.2 機(jī)床的總體布局

專用機(jī)床的布局根據(jù)工件特定工藝方案和運(yùn)動(dòng)方案確定，數(shù)控門內(nèi)護(hù)板緊固孔鉆孔機(jī)屬于專用機(jī)床，根據(jù)內(nèi)護(hù)板緊固孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工流程，本機(jī)床采用立柱式的結(jié)構(gòu)形式。機(jī)床的外形尺寸（長×寬×高）為2688mm×1335mm× 1760mm，主要由進(jìn)給機(jī)構(gòu)1、進(jìn)給機(jī)構(gòu)2、進(jìn)給機(jī)構(gòu)3、導(dǎo)軌、鈑金總成、機(jī)架、主機(jī)（如圖1所示）及相關(guān)電氣系統(tǒng)組成。

圖1 門內(nèi)護(hù)板緊固孔鉆孔機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

1.3 緊固孔鉆孔機(jī)的工作原理

門內(nèi)護(hù)板緊固孔鉆孔機(jī)以電主軸為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，通過外接空氣壓縮機(jī)9為氣動(dòng)元件提供動(dòng)力，工作時(shí)電主軸通過花鍵軸帶動(dòng)套在其上的圓槽加工軸旋轉(zhuǎn)，氣缸推動(dòng)花鍵套在電主軸的花鍵軸上滑動(dòng)，通過行程開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)加工深度的控制。

內(nèi)護(hù)板被放在模具上，模具放置在工作臺(tái)面8上，用移動(dòng)夾具實(shí)現(xiàn)固定。側(cè)面通過鋁型材軌道實(shí)現(xiàn)主軸z方向的定位；通過移動(dòng)夾具實(shí)現(xiàn)主軸x方向的定位；主軸y方向?yàn)榇怪辈贾玫?臺(tái)主機(jī)，可實(shí)現(xiàn)1至2扇內(nèi)護(hù)板的加工；進(jìn)給機(jī)構(gòu)2可實(shí)現(xiàn)總機(jī)在主軸z方向左右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)緊固孔主軸z方向的定位。工作時(shí)通過控制面板調(diào)整好工作狀態(tài)，由腳踏開關(guān)7啟動(dòng)。機(jī)器機(jī)架5以槽鋼為主要材料焊接而成，同時(shí)整個(gè)機(jī)身配以鋼板和板金保證機(jī)器穩(wěn)固以及外形的美觀。

數(shù)控門內(nèi)護(hù)板緊固孔鉆孔機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)：

最大鉆孔直徑：35mm

最大鉆孔深度：70mm

最大工件加工長度：2340mm

最小工件加工長度：15mm

兩垂直排鉆最小中心距：190mm

兩側(cè)相鄰兩垂直排鉆最大中心距：980mm

標(biāo)尺邊緣距排鉆中心最大長度：185mm

排鉆大鉆頭距工作臺(tái)最小高度：65mm

排鉆大鉆頭距工作臺(tái)最大高度：175mm

軸數(shù)：15

主軸轉(zhuǎn)速：2825r/min

安裝功率：1.1kw

2 數(shù)控門內(nèi)護(hù)板緊固孔鉆孔機(jī)的總體設(shè)計(jì)

2.1 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)確定

汽車門內(nèi)護(hù)板緊固孔加工機(jī)床包括主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)兩部分。主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是由電主軸帶動(dòng)鉆頭實(shí)現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由X、Y、Z 三個(gè)方向的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)組成。進(jìn)給機(jī)構(gòu)分為三組，功能基本相同，進(jìn)給機(jī)構(gòu)一有兩個(gè)部件，均是由短絲杠單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)給機(jī)構(gòu)二也有兩個(gè)部件，是由一根長的兩端旋向相反的絲杠驅(qū)動(dòng)，進(jìn)給機(jī)構(gòu)三有一個(gè)部件，不做縱向運(yùn)動(dòng)，直接固定在機(jī)架上，如圖 2所示。同時(shí)對(duì)兩部分運(yùn)動(dòng)要有簡單的控制包括啟?？刂坪驼{(diào)速控制。

進(jìn)給機(jī)構(gòu)二、進(jìn)給機(jī)構(gòu)三與進(jìn)給機(jī)構(gòu)一結(jié)構(gòu)大致相同，只在底座上有所不同。

2.2 主機(jī)部分的設(shè)計(jì)

主機(jī)部分包括主軸、安全壓緊裝置、導(dǎo)柱和接觸塊。當(dāng)人工觸動(dòng)腳踏開關(guān)，主機(jī)接到一個(gè)進(jìn)氣的信號(hào)，主軸內(nèi)的活塞就帶動(dòng)刀具向下運(yùn)動(dòng)。內(nèi)護(hù)板的安全壓緊裝置用來壓緊待加工的內(nèi)護(hù)板，實(shí)現(xiàn)內(nèi)護(hù)板的定位。該裝置的設(shè)計(jì)中加入了安全罩5，主要用來保護(hù)操作人員，也可減少木屑的飛出，減少加工后的清理工作，如圖3所示。

2.3 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)

圖2 進(jìn)給機(jī)構(gòu)一

圖3 安全壓緊裝置

導(dǎo)軌部分主要包括移動(dòng)夾具，橫向?qū)к?，縱向?qū)к?，?dǎo)軌擋塊，絲杠等，如圖4所示。移動(dòng)夾具和橫向縱向?qū)к売脕韺?shí)現(xiàn)待加工的內(nèi)護(hù)板的定位，由于內(nèi)護(hù)板大小不同，加工的緊固孔的位置也有所不同，刀頭的位置不易改變，所以夾具設(shè)計(jì)成移動(dòng)式的，可根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整待加工內(nèi)護(hù)板左右的位置。車門內(nèi)護(hù)板緊固孔鉆孔機(jī)還設(shè)計(jì)了縱向?qū)к?，這樣可以更直觀的調(diào)整加工件的位置，精確確定緊固孔的位置，減少累積誤差。通過微調(diào)絲杠一、二、三調(diào)整主軸的位置，以更加精確的確定緊固孔的位置。

3 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模型建立

圖4 導(dǎo)軌

在整個(gè)機(jī)床結(jié)構(gòu)中，機(jī)架起著支撐工件和連接工作臺(tái)、 立柱等關(guān)鍵零部件的作用。根據(jù)車門內(nèi)護(hù)板緊固孔鉆孔機(jī)床的總體布局可知，機(jī)床的所有重量都是機(jī)架來支撐的。為了滿足機(jī)架的強(qiáng)度和剛度， 充分發(fā)揮材料的作用， 整個(gè)機(jī)架由方形熱軋普通槽鋼焊接而成。機(jī)架上端是由方形槽鋼焊接而成的圈梁，同時(shí)焊接四根加強(qiáng)筋，支架由四根立柱通過四根方形槽鋼焊接而成，立柱之間也焊接了加強(qiáng)筋來保證機(jī)架的強(qiáng)度和剛度，避免出現(xiàn)變形。采用焊接結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)周期短，出現(xiàn)缺陷可加焊接隔板和加強(qiáng)筋等補(bǔ)救。

機(jī)架材料為HT200（灰鑄鐵），對(duì)應(yīng)的參數(shù)為彈性模量 E=1.18～1.26×105Mpa，泊松比 μ=0.3，密 度 ρ=7.0×10-9tonne/mm3， 利 用 SolidWorks基于特征的參數(shù)化造型功能，可建立該機(jī)架的精確模型（如圖5所示）。

3.2 有限元仿真分析

首先根據(jù)選擇的鉆頭和實(shí)際工作情況，確定鉆頭的進(jìn)給力（軸向力）。

進(jìn)給力（軸向力）Fu可按下式計(jì)算：

式中：au——與材料有關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)；

D——鉆頭直徑；

uz——每齒進(jìn)給量；

hx——鉆削深度；

u,r,p——實(shí)驗(yàn)指數(shù)，查表獲得。根據(jù)實(shí)際情況和參數(shù)要求，可知：au＝0.846，D＝ 10，uz＝ 0.25，hx＝ 45，u＝ 1.05，r＝ 0.3，p＝0。

所以Fu＝ 9.807×0.846×101.05×450＝ 61.44N。

故機(jī)架模擬實(shí)際載荷壓力F＝G＋5×Fu＝3910＋5×61.44＝4217.2N。

然后通過solidworks和simulation軟件對(duì)機(jī)架進(jìn)行有限元分析。通常對(duì)于大體積和復(fù)雜形狀的模型，采取實(shí)體網(wǎng)格劃分作為單元類型；同時(shí)為了獲得良好仿真分析精度，應(yīng)該選擇高品質(zhì)的網(wǎng)格；并且網(wǎng)格化的自動(dòng)過度功能處于打開狀態(tài)，以便在網(wǎng)格劃分時(shí)橫梁與支架結(jié)合處等容易產(chǎn)生較大應(yīng)力的部位形成較大的網(wǎng)絡(luò)密度，而其余部位產(chǎn)生相對(duì)較小網(wǎng)格密度。這樣不僅可有效提高仿真分析精度，而且也可以控制計(jì)算規(guī)模，節(jié)約仿真分析時(shí)間。網(wǎng)格化后機(jī)架有限元模型如圖6，單元總數(shù)為1576，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為3690，總求解時(shí)間為4s。

圖5 機(jī)架模型

利用Simulation工具對(duì)機(jī)架模型進(jìn)行應(yīng)力和變形分析，得出應(yīng)力分布云圖（如圖7所示）和位移分布云圖（如圖8所示），并將分析的結(jié)果以HTML的格式保存。從圖7的應(yīng)力分析圖上可以看出，應(yīng)力范圍為2584.3～84888.4 ，從圖8的位移分析圖上可以看出，位移變形范圍為1.00×10-3mm～7.385×10-3mm，由此可知機(jī)架的應(yīng)力變化范圍和位移變形都在安全范圍內(nèi)，故機(jī)架的設(shè)計(jì)合理。

圖6 機(jī)架有限元網(wǎng)格模型

4 結(jié)論

本文通過對(duì)內(nèi)護(hù)板緊固孔加工現(xiàn)狀的分析，設(shè)計(jì)了汽車門內(nèi)護(hù)板緊固孔鉆孔專用機(jī)床，該設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）能加工一定范圍內(nèi)的內(nèi)護(hù)板，具有一定的柔性。

2）可兩個(gè)人同時(shí)操作，實(shí)現(xiàn)在一次裝夾的情況下完成兩扇內(nèi)護(hù)板的加工?？s短了加工時(shí)間，提高了工作效率。

3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單合理、加工產(chǎn)品精度高、加工過程控制簡單、尺寸形狀精確。

4）在車門內(nèi)護(hù)板的加工中形成了一種新技術(shù)，提升了我國汽車門機(jī)械的數(shù)字化和準(zhǔn)確性程度，同時(shí)也為汽車機(jī)械的發(fā)展提供了新的思路。

圖7 機(jī)架應(yīng)力云圖（N/m2）

圖8 機(jī)架位移云圖（mm）

[1] 付桂濤, 馬掌法, 陳思宇. 竹木材料汽車內(nèi)飾設(shè)計(jì)趨勢及概念[J]. 包裝工程, 2011, (04): 51-53.

[2] 王立影, 王芝斌, 盧兵兵, 李剛. 新技術(shù)在車門制造中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2010, (6): 144-146.

[3] 馬巖. 中國木材工業(yè)數(shù)控化的普及[J]. 木材工業(yè), 2006, 3.

[4] 羅偉華. 先進(jìn)板件連接技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用[J]. 工藝材料, 2009, (4): 38-40.