變速箱上蓋撥叉孔鉆擴(kuò)鉸三工位組合機(jī)床設(shè)計(jì)

李月琴 任新梅 弓 申

（①鄭州輕工業(yè)學(xué)院，河南鄭州 450002，②河南機(jī)電學(xué)校，河南 鄭州 450002，③鄭州拖拉機(jī)廠，河南鄭州 450053）

變速箱上蓋撥叉孔鉆擴(kuò)鉸三工位組合機(jī)床設(shè)計(jì)

李月琴①任新梅②弓 申③

（①鄭州輕工業(yè)學(xué)院，河南鄭州 450002，②河南機(jī)電學(xué)校，河南 鄭州 450002，③鄭州拖拉機(jī)廠，河南鄭州 450053）

針對(duì)變速箱上蓋撥叉孔直徑小、孔深尺寸大、不連續(xù)且精度要求高，孔端無加工平面定位易折斷鉆頭、精度難以保證等問題進(jìn)行加工工藝分析，設(shè)計(jì)了工序比較集中的三工位鉆擴(kuò)鉸組合機(jī)床，利用一套夾具裝置對(duì)工件實(shí)行一次快速定位夾緊，避免了工件的重復(fù)定位誤差；采用整體移動(dòng)式導(dǎo)向模板，解決了細(xì)長刀桿剛度不足問題和精度不同的鉆鉸刀具的定位和導(dǎo)向問題；該機(jī)床實(shí)現(xiàn)了工件快速裝卸，可靠定位夾緊，自動(dòng)完成三個(gè)工位的工作循環(huán)，勞動(dòng)強(qiáng)度低，生產(chǎn)效率高，為斷續(xù)的撥叉深孔加工提供了技術(shù)保證。

小直徑斷續(xù)深孔 組合機(jī)床 鉆擴(kuò)鉸加工 夾具

拖拉機(jī)變速箱組件是整機(jī)中最重要的部件之一，機(jī)器的換檔、變速常常通過撥叉組件更換變速箱中多聯(lián)齒輪的位置來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)變速箱空間位置和結(jié)構(gòu)的不同，撥叉組件可能設(shè)計(jì)在箱體上，也可能設(shè)計(jì)在變速箱上蓋上。當(dāng)撥叉組件設(shè)計(jì)在上蓋上且撥叉孔為不連續(xù)的深孔時(shí)，由于蓋類零件厚度較薄，空間位置有限，撥叉孔徑小、間距近、精度高，加之?dāng)嗬m(xù)深孔結(jié)構(gòu)，使撥叉孔成為加工中的關(guān)鍵。圖1為鄭州拖拉機(jī)廠180輪式拖拉機(jī)的變速箱上蓋結(jié)構(gòu)簡圖，平行的3個(gè)撥叉孔均為斷續(xù)孔，孔徑為φ16 mm，深208 mm。如果采用通用立式鉆床加工，加工工藝復(fù)雜，加工困難，效率低，斷續(xù)深孔的同軸精度不易保證，且腔內(nèi)撥叉孔端面不加工，鉆頭無引導(dǎo)平面，易折斷鉆頭。本文采用鉆擴(kuò)鉸組合機(jī)床加工則很好的解決了這一問題。

1 撥叉孔精度要求及工藝分析

1.1 精度要求

圖1所示的變速箱上蓋材料為HT200，材料硬度187～255 HBS，其左端面上設(shè)計(jì)有3個(gè)與基面C平行的撥叉孔，每個(gè)孔均為三段不連續(xù)的同軸孔：左端φ17 mm階梯孔是為了加工位于腔內(nèi)的撥叉孔而設(shè)計(jì)的工藝孔；φ24+0.130mm止口是為了加蓋板而設(shè)計(jì)的定位孔，其表面粗糙度為Ra12.5 μm，精度要求不高；位于上蓋腔內(nèi)與φ17 mm同軸的兩段斷續(xù)孔用于安裝撥叉軸，精度要求比較高，孔徑尺寸精度為φ16+0.075－0.032mm，同軸度要求為φ0.04 mm，孔軸線到基準(zhǔn)面C的尺寸精度為2mm，孔的表面粗糙度為 Ra3.2 μm，兩段斷續(xù)孔間距105 mm，孔深總計(jì)208 mm，長徑比為13，屬于深孔。平行的三個(gè)孔孔距精度為33±0.05 mm，要求也較高。

1.2 工藝分析

為保證撥叉孔的加工精度，前道工序已在基面C上加工好兩定位銷孔φ20+0.076－0.040mm，故采用一面兩銷定位，限制六個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)工件的完全定位。由于工件在設(shè)計(jì)上只有一端有工藝孔，受結(jié)構(gòu)限制，只能采用單向鉆擴(kuò)鉸孔工藝。由于孔較深且不連續(xù)，兩段孔的左側(cè)端面為毛面，對(duì)鉆頭的定位性差，鉆頭在兩處毛面位置都容易被引偏，因而兩段孔的同軸度以及其軸線到基面C的尺寸精度都不易保證，同時(shí)易折斷鉆頭。

2 機(jī)床配置及工藝關(guān)鍵

2.1 機(jī)床配置

組合機(jī)床的配置形式受到被加工零件的結(jié)構(gòu)形式、加工要求、安裝形式、導(dǎo)向精度及生產(chǎn)率等多種因素的影響，考慮零件的撥叉孔為斷續(xù)的不通孔，工藝上又有較高的同軸度及尺寸精度要求，機(jī)床不受生產(chǎn)節(jié)拍限制，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性和加工效率等要求，機(jī)床采用臥式三工位單側(cè)加工配置方案，如圖2所示。三個(gè)工位配置三組刀具，分別完成撥叉孔的鉆、擴(kuò)、鉸加工。為了減少機(jī)床配置成本，并考慮動(dòng)力在單工位加工時(shí)沒有額外增加，擴(kuò)孔加工行程較短（孔深10 mm）等，所以設(shè)計(jì)時(shí)采用第Ⅰ工位和第Ⅱ工位共用一套動(dòng)力部件，第Ⅰ工位配置一組加長鉆頭，完成撥叉底孔鉆削，第Ⅱ工位配置一組復(fù)合擴(kuò)孔鉆，完成工件左側(cè)工藝孔φ17 mm和止口φ24+0.130mm的最終加工，第Ⅲ工位配置一組精絞刀，完成撥叉孔φ16+0.075－0.032mm的最終加工。配合三組刀具加工，配置臥式兩導(dǎo)軌液壓精密滑臺(tái)一個(gè)，液壓精密移動(dòng)工作臺(tái)一個(gè)，鉆擴(kuò)鉸液壓夾具一套，PLC控制變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)兩臺(tái)，單獨(dú)液壓站及液壓控制系統(tǒng)一套。

2.2 工藝關(guān)鍵

本組合機(jī)床在整體配置方案上雖然已充分考慮被加工零件的結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)，采用較分散的多工步工序來保證孔的精度，但由于被加工零件孔徑小、孔深尺寸大，單側(cè)加工所用刀具細(xì)長，在加工過程中還是存在諸多工藝關(guān)鍵問題，主要有：

（1）定位問題

包括工件在夾具上的定位和工件相對(duì)于各工位刀桿軸線的定位。夾具在移動(dòng)工作臺(tái)上安裝調(diào)整后，其在每一工位相對(duì)于機(jī)床動(dòng)力頭主軸的位置是固定的，而工件在夾具上安裝后相對(duì)于機(jī)床刀桿軸線的位置，取決于其相對(duì)于夾具體的位置，所以，工件在夾具中的定位精度，直接影響著工件的加工精度。

（2）細(xì)長刀桿剛性不足問題

考慮到刀具的剛性，雖然組合機(jī)床的I和Ⅲ工位所配置的麻花鉆和絞刀與機(jī)床主軸的連接是剛性連接，但因其長度超過了210 mm，細(xì)長刀桿剛性不足所引起的軸線擺動(dòng)問題顯得尤為突出，它會(huì)引起工件孔位的嚴(yán)重偏移和孔軸線與基面的尺寸精度超差，該工序的斷續(xù)長孔，會(huì)使問題更為嚴(yán)重。撥叉孔端面的非加工面，更不利于鉆頭定位，甚至折斷鉆頭。

（3）導(dǎo)向問題

鉆削加工和鉸削加工所用刀具均為定尺寸刀具，工件的尺寸精度一方面取決于刀具的制造精度、刀具的剛性，另一方面取決于導(dǎo)向套的導(dǎo)向精度。表面粗糙度取決于刀具的剛性、刀具的幾何參數(shù)及合理的切削用量。同軸度取決于導(dǎo)向套與支承的剛性。為使被加工要素達(dá)到不同的尺寸精度、位置精度和表面粗糙度，常采用不同的導(dǎo)向精度，即鉆鉸孔所用導(dǎo)向裝置的精度不同。而為了有效解決工件重復(fù)定位誤差問題，本機(jī)床整體方案配置中已采用了三個(gè)工位共用一套夾具方案，由此帶來的在一套夾具中實(shí)現(xiàn)不同工步的不同導(dǎo)向精度問題，是解決加工精度的又一個(gè)工藝關(guān)鍵問題。

3 夾具方案及工作循環(huán)

3.1 夾具方案

考慮解決上述定位問題、刀桿剛性不足問題和導(dǎo)向問題等，夾具結(jié)構(gòu)方案如圖3所示。工件在夾具上采用一面兩銷定位一次裝夾后完成三個(gè)工位的加工。由于工件相對(duì)于夾具體位置在整個(gè)工序中固定，只要調(diào)整好夾具相對(duì)于機(jī)床的位置，工件相對(duì)于機(jī)床的位置即被確定，避免了使用多套夾具時(shí)工件重復(fù)定位帶來的加工誤差，解決了定位問題。夾具中，兩定位銷和壓緊機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)。液壓油缸13的活塞桿向下推動(dòng)推板16，帶動(dòng)杠桿17向下轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使定位銷14上移進(jìn)行工件定位的同時(shí)，帶動(dòng)拉桿10壓緊工件，勾形壓板7的壓緊行程等于定位銷14的定位行程，且壓緊時(shí)定位銷的階梯端面位于墊板頂面下方，以防干涉。當(dāng)液壓油缸13的活塞桿反向移動(dòng)時(shí)，定位銷14下移到墊板頂面以下，以方便工件裝卸。同時(shí)，勾形壓板7松開。

考慮到第Ⅰ、Ⅲ工位鉆鉸刀桿細(xì)長，加工過程中剛性不足不易定位，且易引偏孔向，所以，在設(shè)計(jì)夾具時(shí)，Ⅰ、Ⅲ工位設(shè)置導(dǎo)向模架，但受到工件結(jié)構(gòu)的限制，只在工件左側(cè)和撥叉孔間斷處兩個(gè)位置設(shè)置了導(dǎo)向模板，以增加刀桿剛性和提高定位、引導(dǎo)的準(zhǔn)確性。因?yàn)楣ぜ谡麄€(gè)加工過程中共用一套夾具，鉆孔、鉸孔所用導(dǎo)套精度不同，所以，必須在I、Ⅲ兩個(gè)工位設(shè)置兩套導(dǎo)向裝置，這就帶來了導(dǎo)向設(shè)計(jì)的困難。為此，將導(dǎo)向模架4設(shè)計(jì)成可移動(dòng)式。導(dǎo)向模架4在液壓油缸12的帶動(dòng)下工作時(shí)有三個(gè)位置，原始位置——導(dǎo)向模架頂面縮回到夾具墊板6頂面以下，使工件能夠順利裝卸；鉆孔位置S1——導(dǎo)向模架4由液壓油缸12的活塞桿推到其上部三個(gè)鉆套孔軸線與刀具軸線對(duì)齊，位置精度由側(cè)面的定位鋼球1和與其配合的球形凹坑的精度以及球形凹坑與導(dǎo)向套軸線之間的尺寸精度確定。定位鋼球從左端裝入，調(diào)整緊定螺釘，可以調(diào)整鋼球1壓緊導(dǎo)向模架4的壓力，導(dǎo)向模架4到位后定位鋼球1觸動(dòng)液壓控制器，使與導(dǎo)向模架4相連的液壓油缸12泄壓而使導(dǎo)向模架4鎖定在鉆孔位置S1；鉸孔位置S2——導(dǎo)向模架4由液壓油缸12的活塞桿推到其下部三個(gè)鉸套孔軸線與刀具軸線對(duì)齊，位置精度仍由側(cè)面的定位鋼球1確定。考慮到第Ⅱ工位的擴(kuò)孔精度要求不高，刀桿短，剛性較好，無需定位和導(dǎo)向。

加工時(shí)除了鉆鉸套位置精確定位外，撥叉孔的尺寸精度還受到導(dǎo)向裝置精度的影響，為了使導(dǎo)向更加精確，采用了固定導(dǎo)套，其與鉆模架為緊配合，以消除導(dǎo)套與模板之間的間隙；導(dǎo)套長度取值也比一般鉆鉸孔時(shí)導(dǎo)向長度稍長一些。鉸孔加工決定了撥叉孔的最終精度，所以，選擇絞刀與鉸套3之間的配合時(shí)，以既要有效地提高導(dǎo)向精度，又不影響刀桿和導(dǎo)套之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為原則，選擇了較緊的間隙配合，并在導(dǎo)套和刀桿之間加潤滑劑，以保證導(dǎo)向順暢。為了提高導(dǎo)套的耐磨性，導(dǎo)套材料選擇錫青銅。考慮到夾具移動(dòng)工位時(shí)，刀具須脫開導(dǎo)套的特點(diǎn)，刀具部分設(shè)計(jì)有托架，以提高刀具對(duì)導(dǎo)向孔的準(zhǔn)入性。

3.2 工作循環(huán)

機(jī)床自動(dòng)工作循環(huán)如圖4所示，工件在夾具上初定位后，定位銷14和鉤形壓板7在液壓油缸13的驅(qū)動(dòng)下聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工件先定位后夾緊→導(dǎo)向模架4移動(dòng)到鉆孔位置S1（到位后油缸泄壓）→I滑臺(tái)開始第一次工作循環(huán)：快進(jìn)（冷卻供、主軸轉(zhuǎn)）→工進(jìn)（死擋塊停留）→快退至原位（主軸停）→導(dǎo)向模架4退回原始位置→液壓移動(dòng)工作臺(tái)開始工作循環(huán)：快進(jìn)→緩進(jìn)至Ⅱ工位（行程開關(guān)停留），I滑臺(tái)進(jìn)行第二次工作循環(huán)：快進(jìn)（冷卻供、主軸轉(zhuǎn)）→工進(jìn)（死擋塊停留）→快退至原位（主軸停、冷卻停）→導(dǎo)向模架4移動(dòng)到鉸孔位置S2（到位后油缸泄壓）→液壓移動(dòng)工作臺(tái)8進(jìn)行第二次工作循環(huán)：快進(jìn)→緩進(jìn)至Ⅲ工位（行程開關(guān)停留），Ⅱ滑臺(tái)開始工作循環(huán)：快進(jìn)（冷卻供、主軸轉(zhuǎn)）→工進(jìn)（死擋塊停留）→工退→快退至原位（主軸停、冷卻停）→導(dǎo)向模架4退回到原始位置→夾緊油缸13松開，定位銷14退出，卸下工件，液壓移動(dòng)工作臺(tái)快退→緩?fù)酥罥工位（行程開關(guān)停留），工作循環(huán)結(jié)束。

4 結(jié)語

該組合機(jī)床實(shí)現(xiàn)了精度要求較高的撥叉孔的自動(dòng)加工，不僅降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、保證了加工質(zhì)量，而且大大提高了生產(chǎn)效率，有效地解決了高精度斷續(xù)深孔加工難、效率低等問題，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用價(jià)值。

［1］大連組合機(jī)床研究所.組合機(jī)床設(shè)計(jì)（第二版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

［2］叢風(fēng)廷，遲建山.組合機(jī)床設(shè)計(jì)（第二版）［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

［3］劉玉梅，潘為祥.4110柴油機(jī)機(jī)體主油道加工組合機(jī)床設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008（9）：18 －19.

［4］劉濤，劉偉.變速箱殼體銷孔加工組合機(jī)床設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2001（7）：24 －25.

［5］張建伍.摩托車缸體銷孔精鉸組合機(jī)床［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2001（10）：44 －46.

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The Design of Drilling-Extending-Hinging Three-Station Modular Machine Tool for Shifting Fork Hole in Gearbox Top Cover

LI Yueqin①，REN Xinmei②，GONG Shen③
（①Zhengzhou Institute of Light Industry，Zhengzhou 450002，CHN；②Henan Mechanical Electrical Secondary School，Zhengzhou 450002，CHN；③The Factory of Zhengzhou Tractor，Zhengzhou 450053，CHN）

This paper provided a design of a three－station modular machine tool（drilling－extending－h(huán)inging），based on the analysis of the processing shifting fork hole in gearbox top cover problems，including too small diameter of the hole，too large of the hole depth，discontinuous processing，no plane surface for processing in the end of the hole so that the drill would be easy to be broken，hard to keep the precision，etc.The new design applied a set of fixture to clamp the workpiece rapidly at one time to avoid the re－position error.It adopted an integrated moving orientation model to solve the problem of inadequate stiffness of the slim arbor and the position and orientation for the drilling and hinging cutting tools with different precision.The machine tool could make the workpiece assembled rapidly while positioned reliably.It could make the drilling，extending，hinging，three stations rotate automatically so as to ease the labor intensity and improve productivity.It can provide a solid technology foundation for the intermittent intensive processing of the shifting fork hole.

Discontinuous Small Deep Hole；Modular Machine Tool；Drilling－Extending－Hinging Process；Fixture

TH12

李月琴，女，1957年生，教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造和CAD/CAM的教學(xué)和科研工作。

（編輯 蔡云生） （收修改稿日期：2010－01－25）

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