□ 樂崇年

寧波市北侖職業(yè)高級(jí)中學(xué) 浙江寧波 315803

1 設(shè)計(jì)背景

配油盤是液壓馬達(dá)中的核心零件之一,起到高低壓油路分配的作用,即當(dāng)馬達(dá)受高壓油作用時(shí)輸出扭矩,受低壓油作用時(shí)停止輸出扭矩,并將高壓油排出。為實(shí)現(xiàn)以上功能,配油盤的外圓表面處通常分布有若干個(gè)一定規(guī)格的徑向配油孔,俗稱側(cè)孔,分別與對(duì)應(yīng)的端面孔相聯(lián)通。如圖1所示為D31型配油盤簡(jiǎn)圖,材質(zhì)為20CrMnTi合金鋼。

由圖1可見,D31型配油盤的φ62.2 mm外圓上分布有三個(gè)相互間隔45°的φ13 mm側(cè)孔,孔中心距離配油盤右端面10 mm,孔底與配油盤右側(cè)上方的三個(gè)φ13 mm端面孔相聯(lián)通。

▲圖1 D31型配油盤簡(jiǎn)圖

側(cè)孔的傳統(tǒng)加工,普遍采用八邊形夾具+平口鉗+鉆床的工藝裝備,結(jié)合人工手動(dòng)操作的工藝方法。主要加工工藝過程如下:以φ62.2 mm外圓和右側(cè)下端φ13 mm孔定位,由工人手動(dòng)將配油盤放入八邊形夾具中;將八邊形夾具連同配油盤一起放入平口鉗中并手動(dòng)夾緊,平口鉗置于鉆床工作臺(tái)上不作固定;移動(dòng)平口鉗位置,使八邊形夾具上部的一個(gè)定位孔對(duì)準(zhǔn)鉆頭中心位置,手動(dòng)操作鉆床完成一個(gè)側(cè)孔的加工。八邊形夾具配油盤定位如圖2所示,夾具安裝與側(cè)孔加工如圖3所示。轉(zhuǎn)動(dòng)八邊形夾具,重復(fù)以上鉆孔動(dòng)作,可以完成另外兩個(gè)側(cè)孔的加工。待三個(gè)側(cè)孔均加工完畢后,將八邊形夾具連同配油盤一起取出,再借助工具將配油盤從夾具中取出。

▲圖2 八邊形夾具配油盤定位▲圖3 夾具安裝與側(cè)孔加工

以上的側(cè)孔加工過程,存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、質(zhì)量難以保證等問題。通常,一名體力較好的男性熟練操作工,8 h僅能完成約200個(gè)D31型配油盤的側(cè)孔加工。而手動(dòng)調(diào)節(jié)平口鉗的位置使八邊形夾具上部的定位孔對(duì)準(zhǔn)鉆頭中心的操作過程,完全依靠工人的肉眼觀察和主觀判斷,不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且容易造成孔位偏差的情況,導(dǎo)致夾具磨損和鉆頭損壞。此外,在八邊形夾具轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,鐵屑容易進(jìn)入夾具底部,也會(huì)影響正常生產(chǎn)。

為有效解決以上問題,亟需設(shè)計(jì)制作一臺(tái)側(cè)孔加工專用機(jī)床,除配油盤的上下料由人工輔助完成外,配油盤的夾緊及三個(gè)側(cè)孔的加工均可由機(jī)床自動(dòng)完成。同時(shí),在保證加工質(zhì)量的前提下,能夠在較短的生產(chǎn)周期內(nèi)收回投入的成本。

2 機(jī)床基本結(jié)構(gòu)

圖4所示為機(jī)床基本結(jié)構(gòu),包括機(jī)架、動(dòng)力頭、定位分度機(jī)構(gòu)、夾緊裝置、觸摸屏等組成部分。機(jī)架上部用于放置動(dòng)力頭、定位分度機(jī)構(gòu)、夾緊裝置等,機(jī)架內(nèi)部用于放置電控、可編程序控制器系統(tǒng)、冷卻水箱及冷卻泵等。動(dòng)力頭提供鉆孔所需的動(dòng)力,頭部安裝鉆夾頭用于裝夾對(duì)應(yīng)規(guī)格的鉆頭,其進(jìn)給和回退動(dòng)作通過可編程序控制器控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)。定位分度機(jī)構(gòu)主要由分割器、定位板等組成,用于側(cè)孔加工位置的分度定位,定位分度機(jī)構(gòu)動(dòng)作由可編程序控制器控制。夾緊裝置用于配油盤定位后的夾緊,保證配油盤在加工過程中始終處于準(zhǔn)確位置。觸摸屏用于切換手動(dòng)、自動(dòng)控制方式,及設(shè)置鉆頭進(jìn)給速度、抬刀速度、加工深度等參數(shù)。

▲圖4 機(jī)床基本結(jié)構(gòu)

3 機(jī)床工作原理

機(jī)床主要工作原理如下:一是采用定位板,安裝在分割器輸出軸端對(duì)配油盤進(jìn)行半開放式定位,替代原先采用八邊形夾具的封閉式定位,便于配油盤上下料;二是采用氣缸對(duì)配油盤進(jìn)行壓緊,替代原先的手動(dòng)夾緊;三是采用分割器對(duì)三個(gè)側(cè)孔的加工位置進(jìn)行分度定位,替代原先的依靠人工轉(zhuǎn)動(dòng)八邊形夾具,并結(jié)合肉眼觀察的定位方式;四是采用可編程序控制器協(xié)調(diào)控制配油盤夾緊、鉆頭鉆孔、分割器分度、配油盤松開等動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)三個(gè)側(cè)孔的自動(dòng)加工和配油盤的氣動(dòng)夾緊及松開。

4 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

4.1 動(dòng)力頭

動(dòng)力頭主要由主軸、主軸套筒、主電機(jī)、變速箱、伺服電機(jī)、立柱等組成,如圖5所示,用于完成鉆孔動(dòng)作,即鉆頭的旋轉(zhuǎn)、進(jìn)給、回退。鉆頭的旋轉(zhuǎn)由主電機(jī)經(jīng)齒輪變速箱帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn),鉆頭的進(jìn)給、回退由可編程序控制器控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸在主軸套筒內(nèi)上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

▲圖5 動(dòng)力頭

根據(jù)φ13 mm高速鋼鉆頭對(duì)20CrMnTi合金鋼進(jìn)行鉆孔作業(yè)的工藝條件,查閱切削用量手冊(cè),得到鉆頭推薦的轉(zhuǎn)速為600 r/min,進(jìn)給量為0.15 mm/r。通過NOVEX軟件進(jìn)行切削數(shù)據(jù)估算,得到所需功率和主切削力分別為0.67 kW、1 479 N,如圖6所示。結(jié)合切削用量和切削數(shù)據(jù)估算結(jié)果,合理選用主電機(jī)、齒輪變速箱、伺服電機(jī)等型號(hào)。

4.2 定位分度機(jī)構(gòu)

圖7所示為定位分度機(jī)構(gòu),主要由分割器、定位板、伺服電機(jī)等組成?？紤]到三個(gè)側(cè)孔相互間隔45°,所以選用八等分的分割器。定位板固定安裝在分割器輸出軸端部,定位板上設(shè)計(jì)有φ21 mm×3 mm圓柱凸臺(tái)和14 mm×10 mm×6 mm長(zhǎng)方形凸臺(tái),利用配油盤右端中心處的φ21 mm×3 mm圓柱孔和24 mm×10 mm×6 mm腰型鍵槽進(jìn)行聯(lián)合定位,在保證配油盤定位精度的同時(shí),防止其從定位板上掉落。

▲圖7 定位分度機(jī)構(gòu)

同時(shí),考慮到定位分度機(jī)構(gòu)的布置形式,以及鉆孔時(shí)分割器輸出軸需要承受約562 N徑向進(jìn)給力、定位板安裝等實(shí)際需要,選用60DF型突緣式凸輪分割器。此外,根據(jù)功率匹配要求,分割器選用90 W伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

4.3 夾緊裝置

圖8所示為夾緊裝置。配油盤定位后,采用單作用氣缸及圓形壓緊塊對(duì)其進(jìn)行壓緊,保證在側(cè)孔加工過程中,配油盤始終處于準(zhǔn)確的位置。圓形壓緊塊后端裝有軸向推力軸承,以滿足其它兩個(gè)側(cè)孔加工時(shí),配油盤需要先后兩次轉(zhuǎn)動(dòng)45°完成分度定位,以及完成鉆孔后回復(fù)至初始位置的需要。

▲圖8 夾緊裝置

夾緊裝置經(jīng)L形支架固定在機(jī)床工作臺(tái)上。氣缸的夾緊、松開動(dòng)作采用電磁閥控制。

4.4 控制電路

控制電路用來協(xié)調(diào)控制機(jī)床各部分的動(dòng)作,包括動(dòng)力頭主軸的旋轉(zhuǎn)、上下移動(dòng)、冷卻泵的啟停、分割器的分度定位、氣缸的壓緊與松開等動(dòng)作。

5 工作過程

圖9所示為配油盤側(cè)孔自動(dòng)加工機(jī)床實(shí)物。機(jī)床的主要工作過程如下:

▲圖9 機(jī)床實(shí)物

(1) 人工輔助進(jìn)行配油盤定位,按啟動(dòng)按鈕,氣缸壓緊完成配油盤裝夾;

(2) 鉆床主軸旋轉(zhuǎn)并向下進(jìn)給完成側(cè)孔1加工;

(3) 主軸向上快速提升至鉆頭離開配油盤;

(4) 分割器逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)45°,并鎖緊;

(5) 鉆床主軸向下進(jìn)給完成側(cè)孔2加工;

(6) 鉆床主軸向上快速提升至鉆頭離開配油盤;

(7) 分割器逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)45°,并鎖緊;

(8) 鉆床主軸向下進(jìn)給完成側(cè)孔3加工;

(9) 鉆床主軸向上快速提升至鉆頭離開配油盤;

(10) 分割器順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°,回復(fù)到初始位置并鎖緊;

(11) 氣缸松開,人工輔助取下配油盤。

以上為一個(gè)工作周期。重復(fù)以上步驟,即可對(duì)配油盤進(jìn)行批量加工。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的這款配油盤側(cè)孔自動(dòng)加工機(jī)床,經(jīng)過半年的實(shí)際生產(chǎn)使用,側(cè)孔加工的生產(chǎn)率和加工質(zhì)量大大提高,勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低。單個(gè)配油盤三個(gè)側(cè)孔的加工耗時(shí)約80 s,配油盤的上下料時(shí)間約10 s,一名工人可輕松操作管理四臺(tái)機(jī)床,產(chǎn)量由原先的每天約200個(gè)提高到約1 200個(gè)。同時(shí),由于加工過程僅需人工輔助完成配油盤的定位裝夾和拆卸,三個(gè)側(cè)孔的加工過程均由機(jī)床自動(dòng)完成,勞動(dòng)強(qiáng)度大為降低,原先需要由體力較好的男性熟練操作工完成的生產(chǎn)內(nèi)容,現(xiàn)在可以由女性操作者輕松完成。此外,三個(gè)側(cè)孔的位置由夾具定位和分割器準(zhǔn)確分度保證,配油盤的尺寸精度一致性好,質(zhì)量穩(wěn)定。