圓周陣列孔去毛刺機床設計與研究

朱勛鵬，郭艷玲，李 健，李 明，王海濱

(東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

0 引言

轉向螺桿是汽車動力轉向器中的一個關鍵部件，其產品質量的好壞直接決定著汽車轉向的可靠性和安全性，在對其進行圓周方向鉆小孔時會產生一系列小孔毛刺，為保證后續裝配工序與工件的使用壽命，去毛刺工序過程必不可少。對該毛刺的去除一直是個令人頭疼的問題，現在很多工廠是依靠人工用鐵刷進行去除，但該方法會導致毛刺脫落后進入小孔孔道造成堵塞，且存在加工效率低下的特點［1］。

隨著世界工業的發展，去毛刺技術也得到了迅速的發展。目前已有多種自動化去毛刺的方法，如滾筒研磨法［2］、熱能法［3］、超聲法［4］、水射流去毛刺［5］、激光去毛刺［6］及電解去毛刺［7-10］方法等。其中，電解去毛刺適合于去除手工難處理、可達性差的復雜內腔毛刺，且具有加工效率高、安全可靠、加工質量好的優點。因此，設計了可同時去除兩個螺桿軸的陣列小孔毛刺的電解加工機床，該機床采用固定陰極式的加工方法，設計了陣列電極的自動定位裝置，保證小孔毛刺從根部進行去除，避開了沿高度方向去除毛刺容易短路的難題，具有加工效率高、使用方便、各加工小孔圓角相似度高的特點。

1 去毛刺機床加工零件工藝

轉向螺桿在機械加工過程中經鉆圓周方向陣列小孔工序后零件實體圖如圖1 所示，此時會在螺桿軸的內孔會留下有3 組共9 個高度在0.1～2mm 之間大小不等的小孔毛刺，對于生產動力轉向器的廠家來說，高效優質地去除該毛刺成為亟待解決的難題。該螺桿軸材料為20CrMnTi，選用黃銅或紫銅作為加工電極即可實現對其毛刺的去除。為了保證去毛刺質量，對工件的安裝與定位須進行嚴格的工藝規定，在本道工序后應清洗干凈，避免工件被電解液所腐蝕。為了保證去毛刺效率，采用固定陰極式的加工方法，設計了陣列電極的自動定位裝置，保證了一次加工實現對多個小孔毛刺的去除。

圖1 轉向螺桿鉆孔后實體圖

2 去毛刺機床工作原理

根據加工工件工藝特點及去毛刺質量要求，確定了去毛刺機床的總體方案，其配置形式為固定陰極式電解加工機床，如圖2 所示。主要包括機床本體，電源，電解液循環系統，控制系統，電極，兩套工裝夾具以及相應的夾具動作控制器。一般地，電解去毛刺的加工模式為，工件接電源正極，稱為陽極，由于工件與噴頭直接接觸，故可將電源正極接至噴頭處;電極通過氣缸的活塞桿上的螺紋孔固定并與電源負極連接，稱為陰極，工具電極對準工件毛刺部位，且兩者之間保持一定的加工間隙，以便讓循環的電解液順利通過，一般在10～40 s 的時間內即可溶解毛刺，將用于安裝電極的氣缸定位組件采用絕緣材料加工而成用以防止兩極短路。去毛刺的同時，在內通道相交處產生均勻、精確的倒圓邊角，隨后電解液將加工過程中產生的電解產物及熱量沖離加工區。圓周陣列孔去毛刺機床是一臺加工效率高、裝夾快捷、加工質量好、適用性廣的電化學加工設備，控制系統設計有可修改界面，操作簡單易懂，具體操作流程如圖3 所示。

圖2 機床結構圖

圖3 機床操作流程圖

3 機床本體設計

機床本體作為人機交互的門面，設計時必須保證各部件安裝在機床本體上的可操作性好，維護方便，安全可靠，將機床本體設計為上下兩廂結構，在機床下廂右側主要放置有電解液槽和電解液溫度、pH 值以及電導率檢測探頭，機床左側上下兩廂為連通形式，放置有不銹鋼離心泵，機床上廂左側高度為1.2m 處安裝有工裝夾具，1.45m 處安有相應的夾具動作控制器，保證工作人員操作方便，在機床推拉門上設有安全檢測回路，能避免工作人員誤操作而導致觸電的危險，機床上廂右側頂部1.5m 處則安裝有總電源開關、電源、檢測儀及去毛刺控制系統。

機床的整體布局為固定陰極式，作為整個機床的骨架，機床本體要求其具有足夠的剛性和穩定性，如圖4 所示，機床設計為雙工位同時加工形式，由材料力學知識可知，機床立柱和橫梁的最大變形量為

式中:E為彈性模數，取決于立柱或橫梁所用的材料;I為截面慣性距，取決于立柱或橫梁的截面尺寸，F為去毛刺時工件作用在定位裝置上的反作用力。

圖4 機床本體布局圖

工作時，每一個工位都有高速的電解液流經管路后向下對工件有沖擊載荷作用，且去毛刺加工過程電解液高速地持續流至工件，相當于在工件上施加了一個持續載荷F，對該載荷，由動量定理有:

式中:ρ 為電解液的密度;q為流量;β 為動量修正系數，湍流時β=1，層流時β =1.33;v1為工件入口處液體流速;v2為工件出口處電解液流速。

針對電解液由管路流經工件并流出工件部分，忽略能量損耗，則由伯努利方程有

其中α 為動能修正系數，層流時α ≈2 ，湍流時α≈1 ;p1為電解液在工件入口處的壓力;g為重力加速度;ρ 為電解液的密度;pa為大氣壓，即工件出口處電解液壓力;h為工件長度。對(3)式進行整理，則工件出口處電解液的流速大小滿足

當硝酸鈉的質量分數為ω 時，水的密度取1g/cm3時，由體積加和的方法可知，此時電解液的密度ρ 滿足

由(5)式可知，當硝酸鈉質量分數為20%，硝酸鈉的密度ρNaNO3= 2.257g/cm3時，可求得此時電解液的密度ρ=1.125g/cm3。

4 機床其它主要部分設計及選取

4.1 循環系統

電解液循環系統如圖5 所示，其功能包括供液、凈化、檢測和調整電解液參數。工作箱、電解液槽、管路由耐腐蝕的PVC 或尼龍材料制成。電解液選擇濃度為20%的鈍化性NaNO3溶液。去毛刺加工后的電解產物以氫氧化物沉淀的形式大量混在電解液中，因此這就需要過濾器將電解蝕除物或其它雜質從電解液中過濾出去，不斷凈化電解液，以防止極間短路，過濾器選用孔徑為60 目的錦綸過濾網。該系統中的沉淀離心分離器保證實時把電解加工后工件溶解的碎屑和電解液中的雜質排出電解槽，保證電解液可反復循環使用。pH 值檢測傳感器、電導率傳感器和溫度計的目的是監測電解液的狀態，溢流閥、流量計、壓力表、冷卻器和加熱器用于調整電解液加工參數使之適合于加工。

圖5 電解液循環系統圖

4.2 工裝夾具

工裝夾具具有保證和提高產品質量，提高勞動效率，擴大工具的操作范圍，改善勞動條件，降低產品成本等優點，是每個機床上不可或缺的一個部分，設計的優劣對毛刺去除效果和加工效率有著十分顯著的影響。設計時對與工件直接接觸的噴頭進行設計，使其作為工件定位裝置，噴頭固定通過設計一個支架或機床本體預留的螺紋孔固定，并與循環系統管路相連，采用三爪中空氣動不銹鋼卡盤作為工件夾緊裝置，在卡盤的三個卡爪上通過電極定位組件安置有定位與送進電極用的三個小型氣缸，在氣缸的活塞桿上安裝有與工件小孔相匹配的階梯電極，電極的非工作部位采用熱縮管包覆，通過控制氣缸活塞桿的伸出與收縮即可實現電極的插入與回歸，此裝置結構簡單，操作方便，定位可靠。

4.3 控制系統

機床控制系統包括工裝夾具控制系統、安全檢測回路及去毛刺過程控制系統，工裝夾具控制系統主要用以控制工件的夾緊與更換、電極伸入工件內孔至合適位置及撤回初始位置;安全檢測回路對加工之前電極與工件是非短路進行檢測，若處于短路狀態，則向去毛刺控制系統發送信號，去毛刺控制系統將無法啟動而進入斷電保護狀態，如電極與工件不短路，則不向去毛刺控制系統發送指令，此外，當機床推拉門沒關上時，則安全檢測回路將控制電源正極與工件之間將處于開路狀態，并直至門關上為止;可根據檢測系統的檢測結果及工件毛刺大小進行選擇加工時間，進而通過去毛刺過程控制系統來控制和調整工件去毛刺所需的加工時間，當控制器給出指令后，去毛刺工作開始進行，加工到設定的時間后水泵自動關閉，電化學去除工件毛刺過程結束，之后對工件進行清洗及防銹處理，則去毛刺工位完成。

4.4 電源

電化學去毛刺技術是利用電能、化學能溶解陽極去掉毛刺，電源是該機床的能量來源之一，其性能的好壞直接影響工件去毛刺的效果。本機床采用兆信KXN-30010D 高效率恒壓、恒流型高頻開關電源，電壓范圍0～30V，最大輸出電流為100A，其對加工零件的生產率、加工精度等加工指標有很大影響，具有帶載能力強、連續工作故障率低的特點，并帶有過壓、過溫、過載、過流保護功能。

5 結論

本文介紹了一種適合于汽車動力轉向器螺桿軸陣列小孔毛刺去除的電化學去毛刺機床的設計，在對轉向螺桿加工工藝進行分析研究的基礎上確定了毛刺機床的總體方案、工作原理及其配置形式，在此基礎上對機床本體結構與操作系統進行了設計與分析。經使用證明:該去毛刺機床機械結構和操作系統設計合理，工作穩定可靠，去毛刺質量好，生產效率高。該機床除了用于動力轉向器螺桿軸陣列小孔毛刺去除外，還可以用于去除其他會產生圓周陣列小孔毛刺的工件毛刺，具有較高的市場前景和應用價值。

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