配油盤側(cè)孔自動加工機床的設計*

□ 樂崇年

寧波市北侖職業(yè)高級中學 浙江寧波 315803

1 設計背景

配油盤是液壓馬達中的核心零件之一,起到高低壓油路分配的作用,即當馬達受高壓油作用時輸出扭矩,受低壓油作用時停止輸出扭矩,并將高壓油排出。為實現(xiàn)以上功能,配油盤的外圓表面處通常分布有若干個一定規(guī)格的徑向配油孔,俗稱側(cè)孔,分別與對應的端面孔相聯(lián)通。如圖1所示為D31型配油盤簡圖,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φ13 mm端面孔相聯(lián)通。

▲圖1 D31型配油盤簡圖

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夾緊,平口鉗置于鉆床工作臺上不作固定;移動平口鉗位置,使八邊形夾具上部的一個定位孔對準鉆頭中心位置,手動操作鉆床完成一個側(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)動八邊形夾具,重復以上鉆孔動作,可以完成另外兩個側(cè)孔的加工。待三個側(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,存在勞動強度大、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D31型配油盤的側(cè)孔加工。而手動調(diào)節(jié)平口鉗的位置使八邊形夾具上部的定位孔對準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,不僅費時費力,且容易造成孔位偏差的情況,導致夾具磨損和鉆頭損壞。此外,在八邊形夾具轉(zhuǎn)動過程中,鐵屑容易進入夾具底部,也會影響正常生產(chǎn)。

為有效解決以上問題,亟需設計制作一臺側(cè)孔加工專用機床,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側(cè)孔的加工均可由機床自動完成。同時,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 機床基本結(jié)構(gòu)

圖4所示為機床基本結(jié)構(gòu),包括機架、動力頭、定位分度機構(gòu)、夾緊裝置、觸摸屏等組成部分。機架上部用于放置動力頭、定位分度機構(gòu)、夾緊裝置等,機架內(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。動力頭提供鉆孔所需的動力,頭部安裝鉆夾頭用于裝夾對應規(guī)格的鉆頭,其進給和回退動作通過可編程序控制器控制伺服電機實現(xiàn)。定位分度機構(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,定位分度機構(gòu)動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確位置。觸摸屏用于切換手動、自動控制方式,及設置鉆頭進給速度、抬刀速度、加工深度等參數(shù)。

▲圖4 機床基本結(jié)構(gòu)

3 機床工作原理

機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配油盤進行半開放式定位,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;二是采用氣缸對配油盤進行壓緊,替代原先的手動夾緊;三是采用分割器對三個側(cè)孔的加工位置進行分度定位,替代原先的依靠人工轉(zhuǎn)動八邊形夾具,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、配油盤松開等動作,實現(xiàn)三個側(cè)孔的自動加工和配油盤的氣動夾緊及松開。

4 關(guān)鍵零部件設計

4.1 動力頭

動力頭主要由主軸、主軸套筒、主電機、變速箱、伺服電機、立柱等組成,如圖5所示,用于完成鉆孔動作,即鉆頭的旋轉(zhuǎn)、進給、回退。鉆頭的旋轉(zhuǎn)由主電機經(jīng)齒輪變速箱帶動主軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn),鉆頭的進給、回退由可編程序控制器控制伺服電機驅(qū)動主軸在主軸套筒內(nèi)上下移動實現(xiàn)。

▲圖5 動力頭

根據(jù)φ13 mm高速鋼鉆頭對20CrMnTi合金鋼進行鉆孔作業(yè)的工藝條件,查閱切削用量手冊,得到鉆頭推薦的轉(zhuǎn)速為600 r/min,進給量為0.15 mm/r。通過NOVEX軟件進行切削數(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、齒輪變速箱、伺服電機等型號。

4.2 定位分度機構(gòu)

圖7所示為定位分度機構(gòu),主要由分割器、定位板、伺服電機等組成。考慮到三個側(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,定位板上設計有φ21 mm×3 mm圓柱凸臺和14 mm×10 mm×6 mm長方形凸臺,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腰型鍵槽進行聯(lián)合定位,在保證配油盤定位精度的同時,防止其從定位板上掉落。

▲圖7 定位分度機構(gòu)

同時,考慮到定位分度機構(gòu)的布置形式,以及鉆孔時分割器輸出軸需要承受約562 N徑向進給力、定位板安裝等實際需要,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伺服電機進行驅(qū)動。

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其進行壓緊,保證在側(cè)孔加工過程中,配油盤始終處于準確的位置。圓形壓緊塊后端裝有軸向推力軸承,以滿足其它兩個側(cè)孔加工時,配油盤需要先后兩次轉(zhuǎn)動45°完成分度定位,以及完成鉆孔后回復至初始位置的需要。

▲圖8 夾緊裝置

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

4.4 控制電路

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

5 工作過程

圖9所示為配油盤側(cè)孔自動加工機床實物。機床的主要工作過程如下:

▲圖9 機床實物

(1) 人工輔助進行配油盤定位,按啟動按鈕,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) 分割器逆時針轉(zhuǎn)動45°,并鎖緊;

(5) 鉆床主軸向下進給完成側(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) 分割器逆時針轉(zhuǎn)動45°,并鎖緊;

(8) 鉆床主軸向下進給完成側(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) 分割器順時針轉(zhuǎn)動90°,回復到初始位置并鎖緊;

(11) 氣缸松開,人工輔助取下配油盤。

以上為一個工作周期。重復以上步驟,即可對配油盤進行批量加工。

6 結(jié)束語

筆者設計的這款配油盤側(cè)孔自動加工機床,經(jīng)過半年的實際生產(chǎn)使用,側(cè)孔加工的生產(chǎn)率和加工質(zhì)量大大提高,勞動強度大大降低。單個配油盤三個側(cè)孔的加工耗時約80 s,配油盤的上下料時間約10 s,一名工人可輕松操作管理四臺機床,產(chǎn)量由原先的每天約200個提高到約1 200個。同時,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,三個側(cè)孔的加工過程均由機床自動完成,勞動強度大為降低,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,三個側(cè)孔的位置由夾具定位和分割器準確分度保證,配油盤的尺寸精度一致性好,質(zhì)量穩(wěn)定。