汽車門內護板緊固孔鉆孔機床的總體設計

楊春梅，李 靜，馬 巖

（東北林業大學 林業與木工機械工程技術中心，哈爾濱 150040）

0 引言

汽車工業是一個國家制造業發展水平的代表。作為發達國家（如美、日、德、意、法等）的支柱產業，汽車制造業在國民經濟中占有至關重要的地位，其產值占國民生產總值的 3.5% 9%左右。汽車工業的飛速發展，使得人們對其提出了更多的個性化要求。客戶不但在汽車產品的性能方面提出了更高的要求，而且對汽車外觀和內部裝飾環境也提出了更具有個性的要求。在國際車壇上，設計大戰早已轉戰至內飾設計上[1]。

目前木材、木纖維復合材料、PP木粉板在汽車內飾件方面的應用，被世界各國重視，突出的特點是在滿足質量的前提下，大大減輕了整車重量，提高車輛行駛的經濟性。汽車車門的內護板是車內比較重要的部件，用于保護乘車人員的安全等，隨著人們對汽車安全性的要求越來越高，車門內護板的材質也逐漸向pp木粉板（木塑材料）、高分子復合材料、木纖維復合材料轉移，大大的提升了汽車的安全化程度，增加了產品的性價比[2]。

隨著科學技術的不斷發展，人們對汽車車門內護板的質量和工藝要求也在不斷的提高。這就促進了內護板加工機械的進一步發展。因此，提高我國數控加工設備在汽車加工機械的比例，是提高內護板加工機械行業技術水平及整個汽車行業發展的需要[3]。

車門附件通過螺釘或者卡口連接到內護板上，因此在生產中，內護板鉆孔是一道很重要的工序。加工緊固孔是車門生產機械化、自動化的一個難點[4]。傳統的緊固孔鉆孔機床完全采用人工操作，效率低，操作復雜，加工精度低，位置偏差較大，都不能滿足高質量汽車車門內護板生產的要求。本文針對國內門內護板緊固孔鉆孔機現狀，設計了一種用于門內護板緊固孔加工的專業鉆孔機床。

1 門內護板緊固孔鉆孔加工的工藝流程及工作原理

1.1 門內護板緊固孔加工流程

汽車門內護板緊固孔的數量根據車門的種類各有不同，但是樣式基本相同。數控門內護板緊固孔鉆孔機的特點是在一次裝夾的情況下，利用鉆頭完成所有緊固孔的加工。

根據汽車門內護板的結構特點，確定緊固孔的加工流程為：上料→手動定位→主軸向下進給→隨動壓緊→鉆頭切削→鉆頭退回→隨動壓緊松開→卸料。首先通過人工手動上料，用移動夾具和移動導軌以及工作臺面進行三個方向的定位。然后再通過絲杠調整X，Y，Z方向的進給機構，確定緊固孔的具體位置和深度。最后主軸帶動刀具開始工作，當運動到內護板表面時，安全壓緊裝置開始施壓并壓緊工件，鉆頭繼續向下切削加工緊固孔。主軸的進給是通過踩動腳踏開關控制的。加工完成后，主軸退回零點，隨動壓緊裝置松開后人工卸料，這樣就完成了工件的加工。

1.2 機床的總體布局

專用機床的布局根據工件特定工藝方案和運動方案確定，數控門內護板緊固孔鉆孔機屬于專用機床，根據內護板緊固孔的結構特點和加工流程，本機床采用立柱式的結構形式。機床的外形尺寸（長×寬×高）為2688mm×1335mm× 1760mm，主要由進給機構1、進給機構2、進給機構3、導軌、鈑金總成、機架、主機（如圖1所示）及相關電氣系統組成。

圖1 門內護板緊固孔鉆孔機結構簡圖

1.3 緊固孔鉆孔機的工作原理

門內護板緊固孔鉆孔機以電主軸為動力驅動，通過外接空氣壓縮機9為氣動元件提供動力，工作時電主軸通過花鍵軸帶動套在其上的圓槽加工軸旋轉，氣缸推動花鍵套在電主軸的花鍵軸上滑動，通過行程開關實現對加工深度的控制。

內護板被放在模具上，模具放置在工作臺面8上，用移動夾具實現固定。側面通過鋁型材軌道實現主軸z方向的定位；通過移動夾具實現主軸x方向的定位；主軸y方向為垂直布置的5臺主機，可實現1至2扇內護板的加工；進給機構2可實現總機在主軸z方向左右移動，實現緊固孔主軸z方向的定位。工作時通過控制面板調整好工作狀態，由腳踏開關7啟動。機器機架5以槽鋼為主要材料焊接而成，同時整個機身配以鋼板和板金保證機器穩固以及外形的美觀。

數控門內護板緊固孔鉆孔機的主要技術參數：

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

兩側相鄰兩垂直排鉆最大中心距：980mm

標尺邊緣距排鉆中心最大長度：185mm

排鉆大鉆頭距工作臺最小高度：65mm

排鉆大鉆頭距工作臺最大高度：175mm

軸數：15

主軸轉速：2825r/min

安裝功率：1.1kw

2 數控門內護板緊固孔鉆孔機的總體設計

2.1 主運動系統與進給運動系統確定

汽車門內護板緊固孔加工機床包括主運動系統和進給運動系統兩部分。主運動系統是由電主軸帶動鉆頭實現的旋轉切削運動。進給運動是由X、Y、Z 三個方向的往復直線運動組成。進給機構分為三組，功能基本相同，進給機構一有兩個部件，均是由短絲杠單獨驅動，進給機構二也有兩個部件，是由一根長的兩端旋向相反的絲杠驅動，進給機構三有一個部件，不做縱向運動，直接固定在機架上，如圖 2所示。同時對兩部分運動要有簡單的控制包括啟停控制和調速控制。

進給機構二、進給機構三與進給機構一結構大致相同，只在底座上有所不同。

2.2 主機部分的設計

主機部分包括主軸、安全壓緊裝置、導柱和接觸塊。當人工觸動腳踏開關，主機接到一個進氣的信號，主軸內的活塞就帶動刀具向下運動。內護板的安全壓緊裝置用來壓緊待加工的內護板，實現內護板的定位。該裝置的設計中加入了安全罩5，主要用來保護操作人員，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 導軌的設計

圖2 進給機構一

圖3 安全壓緊裝置

導軌部分主要包括移動夾具，橫向導軌，縱向導軌，導軌擋塊，絲杠等，如圖4所示。移動夾具和橫向縱向導軌用來實現待加工的內護板的定位，由于內護板大小不同，加工的緊固孔的位置也有所不同，刀頭的位置不易改變，所以夾具設計成移動式的，可根據實際情況，調整待加工內護板左右的位置。車門內護板緊固孔鉆孔機還設計了縱向導軌，這樣可以更直觀的調整加工件的位置，精確確定緊固孔的位置，減少累積誤差。通過微調絲杠一、二、三調整主軸的位置，以更加精確的確定緊固孔的位置。

3 機架結構設計

3.1 機架結構設計和模型建立

圖4 導軌

在整個機床結構中，機架起著支撐工件和連接工作臺、 立柱等關鍵零部件的作用。根據車門內護板緊固孔鉆孔機床的總體布局可知，機床的所有重量都是機架來支撐的。為了滿足機架的強度和剛度， 充分發揮材料的作用， 整個機架由方形熱軋普通槽鋼焊接而成。機架上端是由方形槽鋼焊接而成的圈梁，同時焊接四根加強筋，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筋來保證機架的強度和剛度，避免出現變形。采用焊接結構，生產周期短，出現缺陷可加焊接隔板和加強筋等補救。

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

3.2 有限元仿真分析

首先根據選擇的鉆頭和實際工作情況，確定鉆頭的進給力（軸向力）。

進給力（軸向力）Fu可按下式計算：

式中：au——與材料有關的實驗參數；

D——鉆頭直徑；

uz——每齒進給量；

hx——鉆削深度；

u,r,p——實驗指數，查表獲得。根據實際情況和參數要求，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。

故機架模擬實際載荷壓力F＝G＋5×Fu＝3910＋5×61.44＝4217.2N。

然后通過solidworks和simulation軟件對機架進行有限元分析。通常對于大體積和復雜形狀的模型，采取實體網格劃分作為單元類型；同時為了獲得良好仿真分析精度，應該選擇高品質的網格；并且網格化的自動過度功能處于打開狀態，以便在網格劃分時橫梁與支架結合處等容易產生較大應力的部位形成較大的網絡密度，而其余部位產生相對較小網格密度。這樣不僅可有效提高仿真分析精度，而且也可以控制計算規模，節約仿真分析時間。網格化后機架有限元模型如圖6，單元總數為1576，結點總數為3690，總求解時間為4s。

圖5 機架模型

利用Simulation工具對機架模型進行應力和變形分析，得出應力分布云圖（如圖7所示）和位移分布云圖（如圖8所示），并將分析的結果以HTML的格式保存。從圖7的應力分析圖上可以看出，應力范圍為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，由此可知機架的應力變化范圍和位移變形都在安全范圍內，故機架的設計合理。

圖6 機架有限元網格模型

4 結論

本文通過對內護板緊固孔加工現狀的分析，設計了汽車門內護板緊固孔鉆孔專用機床，該設計具有以下優點：

1）能加工一定范圍內的內護板，具有一定的柔性。

2）可兩個人同時操作，實現在一次裝夾的情況下完成兩扇內護板的加工。縮短了加工時間，提高了工作效率。

3）結構設計簡單合理、加工產品精度高、加工過程控制簡單、尺寸形狀精確。

4）在車門內護板的加工中形成了一種新技術，提升了我國汽車門機械的數字化和準確性程度，同時也為汽車機械的發展提供了新的思路。

圖7 機架應力云圖（N/m2）

圖8 機架位移云圖（mm）

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

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

[3] 馬巖. 中國木材工業數控化的普及[J]. 木材工業, 2006, 3.

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