齒輪是汽車(chē)行業(yè)中主要的基礎(chǔ)傳動(dòng)元件，通常每輛汽車(chē)中有18~30個(gè)齒部，齒輪的質(zhì)量直接影響汽車(chē)的噪聲、平穩(wěn)性及使用壽命。而對(duì)于汽車(chē)變速箱內(nèi)的傳動(dòng)齒輪，為方便變速箱內(nèi)部冷卻油液的流通以及更好地潤(rùn)滑齒輪內(nèi)安裝的滾針軸承，潤(rùn)滑的充分性至關(guān)重要。如果潤(rùn)滑不到位，則容易出現(xiàn)燒齒、打齒、抱軸等故障現(xiàn)象，由此可見(jiàn)，齒輪油孔的加工質(zhì)量對(duì)于保障齒輪的正常運(yùn)作具有重大影響。齒輪油孔加工需要通過(guò)鉆孔設(shè)備對(duì)齒輪進(jìn)行鉆油孔加工，而鉆孔設(shè)備對(duì)齒輪鉆孔加工的過(guò)程中，伴隨著對(duì)齒輪由外向內(nèi)的切削，在齒輪油孔的內(nèi)孔處易產(chǎn)生毛刺翻邊等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種全新的汽車(chē)齒輪零件加工鉆孔去毛刺一體化裝置，以提高汽車(chē)齒輪油孔加工質(zhì)量與效率。
1、油孔加工工藝與裝置設(shè)計(jì)要求
加工工藝
常見(jiàn)的齒輪油孔由于待加工齒輪的尺寸規(guī)格不同，油孔尺寸以及加工深度、加工精度要求也不同，因此加工時(shí)需考慮加工過(guò)程的裝夾機(jī)構(gòu)的通用性和加工尺寸的適應(yīng)性，刀具的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度需實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速。同時(shí)，需考慮加工效率問(wèn)題，油孔毛刺的去除工藝需在油孔加工完畢后自動(dòng)高效去除并且該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)具備滿足不同孔徑和深度的孔的毛刺去除功能。因此，油孔加工裝置針對(duì)上述工藝問(wèn)題而設(shè)計(jì)，主要適應(yīng)不同尺寸、型號(hào)的齒輪油孔加工并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)去毛刺功能。
設(shè)計(jì)要求
根據(jù)工藝需求，該車(chē)用齒輪油孔加工專用裝置需要實(shí)現(xiàn)的主要功能特點(diǎn)如下。(1)滿足不同規(guī)格尺寸的齒輪產(chǎn)品的不同位置、不同深度、不同直接大小的油孔的自動(dòng)鉆孔。(2)適應(yīng)不同規(guī)格尺寸的齒輪產(chǎn)品的固定與裝夾。(3)滿足孔加工后毛刺的高效自動(dòng)去除。(4)滿足加工后的廢料自動(dòng)清除并收集功能。
2、裝置的組成
裝置的組成
基于裝置的設(shè)計(jì)要求，該設(shè)備主要包括機(jī)械和控制部分的設(shè)計(jì)。其中，機(jī)械機(jī)構(gòu)主要包括操作臺(tái)、安裝架、升降機(jī)構(gòu)、鉆孔機(jī)構(gòu)、毛刺翻邊刮除機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)。控制系統(tǒng)主要包括：升降電機(jī)控制刀具以實(shí)現(xiàn)刀具的上下移動(dòng)，滿足深度控制以及進(jìn)給速度要求;刮除電機(jī)控制去毛刺機(jī)構(gòu)去毛刺;鉆孔電機(jī)實(shí)現(xiàn)鉆刀轉(zhuǎn)速控制;夾持電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪的裝夾以滿足不同大小齒輪夾持、控制系統(tǒng) PLC 程序、各類檢測(cè)傳感器、觸摸屏界面等部分。
裝置的動(dòng)作流程設(shè)計(jì)及分析
該裝置的動(dòng)作主要是完成車(chē)用齒輪的安裝夾緊、自動(dòng)化鉆孔去毛刺等加工動(dòng)作。其動(dòng)作流程如圖 1 所示。
裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)工藝動(dòng)作流程和組成框架設(shè)計(jì)工作流程圖，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，最終設(shè)計(jì)出車(chē)用齒輪油孔加工去毛刺裝置，整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。
主要機(jī)械結(jié)構(gòu)原理
由于不同齒輪上油孔位置不同，必須考慮鉆孔加工位置的可調(diào)，因此設(shè)計(jì)了移動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要實(shí)現(xiàn)鉆頭位置和刮除機(jī)構(gòu)位置的調(diào)整功能。其結(jié)構(gòu)主要包括電機(jī)、連接板、螺紋桿、螺紋管、移動(dòng)滑桿和移動(dòng)套管。該裝置動(dòng)作時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺紋桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)安裝 在安裝架的鉆頭機(jī)構(gòu)和刮除機(jī)構(gòu)進(jìn)行水平移動(dòng)，以保證鉆頭準(zhǔn)確在待鉆孔位置進(jìn)行鉆孔，同時(shí)保證刮除機(jī)構(gòu)中的刮刀穿過(guò)鉆好的孔。
為了適應(yīng)不同齒輪大小的裝夾，設(shè)計(jì)了夾持機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要包括夾持滑板、夾持絲桿、夾持滑桿和夾持架，通過(guò)設(shè)計(jì)夾持單元，包括環(huán)形板、調(diào)節(jié)齒圈、調(diào)節(jié)電機(jī)和3個(gè)夾持塊實(shí)現(xiàn)對(duì)待加工齒輪的裝夾。
刮除機(jī)構(gòu)主要包括刮除軸、固定板、刮刀、刮除滑桿、刮除套管和刮除彈簧，該機(jī)構(gòu)能夠在鉆孔同時(shí)完成毛刺清理。其運(yùn)動(dòng)原理是：待鉆孔完成時(shí)，升降組件帶動(dòng)鉆頭復(fù)位并停止轉(zhuǎn)動(dòng);然后移動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)鉆頭和刮除組件水平移動(dòng)，使刮除組件中的刮刀位于鉆好孔的正上方，此時(shí)鉆頭移到清理機(jī)構(gòu)的上方;接著升降組件驅(qū)動(dòng)鉆頭和刮刀下移，令鉆頭與清理機(jī)構(gòu)的清理刷相抵，而安裝在刮除軸的刮刀穿過(guò)鉆好的孔，位于待加工齒輪的內(nèi)孔與鉆好的孔的相交處，然后再次啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆頭和刮刀轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆頭在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，通過(guò)相抵的清理刷對(duì)鉆頭進(jìn)行清理，從而去除附著在鉆頭上的碎削，便于鉆頭下次的鉆孔加工工作。
而刮刀在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中受離心力的作用，沿刮除軸的徑向方向移動(dòng)，刮刀上端傾斜的刀口與齒輪工件內(nèi)孔及鉆孔的相交處相抵，刮刀可對(duì)存在的毛刺翻邊進(jìn)行刮除清理，保證了鉆孔加工的效果。
3、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該裝置的控制系統(tǒng)功能包括運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示、電機(jī)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、加工參數(shù)設(shè)置、手動(dòng)與自動(dòng)控制、系統(tǒng)初始化、故障檢測(cè)與報(bào)警、生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、復(fù)位等控制功能。根據(jù)設(shè)備的功能和工藝動(dòng)作流程，選用S7- 1200型PLC作為控制系統(tǒng)的控制核心。根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求，設(shè)計(jì)該裝置控制系統(tǒng)觸摸屏界面，該觸摸屏界面由自動(dòng)控制頁(yè)面、手動(dòng)控制頁(yè)面和管理員頁(yè)面組成。其主界面設(shè)計(jì)包括升降電機(jī)控制、夾持電機(jī)控制、鉆孔電機(jī)控制、移動(dòng)控制、刮除電機(jī)控制等電機(jī)參數(shù)人機(jī)界面，便于操作人員快速根據(jù)加工要求設(shè)計(jì)參數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化顯示，還設(shè)計(jì)了鉆孔深度以及速度、刮除深度以及速度、夾持機(jī)構(gòu)大小控制與顯示等界面。
控制系統(tǒng)硬件選型
根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求選擇合適的硬件是完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵。該裝置控制系統(tǒng)主要硬件選型包括：
1.PLC型號(hào)選擇
PLC 的選用需考慮在滿足使用要求前提下達(dá)到經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性原則，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)IO點(diǎn)數(shù)、控制對(duì)象及精度要求進(jìn)行選擇。綜合分析該裝置以上特點(diǎn)，采用具有高性價(jià)比、靈活擴(kuò)展性、強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制與通信功能的S7-1200可編程邏輯控制器作為核心。
2.觸摸屏型號(hào)選擇
為了方便人機(jī)交互和數(shù)據(jù)顯示，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)與故障監(jiān)控、診斷等功能，采用西門(mén)子KTP700觸摸屏可滿足使用要求。
3.傳感器與執(zhí)行器
通過(guò)安裝相應(yīng)的傳感器，如接近開(kāi)關(guān)、位置傳感器和壓力傳感器，結(jié)合伺服電機(jī)反饋功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各電機(jī)相關(guān)參數(shù)，并將采集的數(shù)據(jù)(如位置、轉(zhuǎn)速、溫度等)傳輸給PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行處理。裝置的運(yùn)行常用達(dá)到執(zhí)行器件包括電磁閥、接觸器、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)PLC編程控制相應(yīng)的電磁閥和伺服驅(qū)動(dòng)器、接觸器的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)鉆孔加工、去毛刺、清理廢料等關(guān)鍵功能。
控制系統(tǒng)IO地址分配
PLC的I/O分配表是PLC選型和后續(xù)接線的重要參考依據(jù)。在選擇IO時(shí)需考慮未來(lái)擴(kuò)展與改進(jìn)需求留有一定余量、輸入輸出信號(hào)類型、動(dòng)作流程、控制對(duì)象及要求等因素綜合選用和分配IO接口。該裝置部分主要I/O分配如表1所示。
4、結(jié)論
該車(chē)用齒輪油孔加工去毛刺裝置實(shí)現(xiàn)了齒輪油孔加工去毛刺的一體化自動(dòng)完成功能，有效彌補(bǔ)了長(zhǎng)期以來(lái)齒輪油孔加工領(lǐng)域中存在的加工效率低、設(shè)備成本高和勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)。該裝置的設(shè)計(jì)和使用具有一定的柔性，擴(kuò)展了設(shè)備適用性，為齒輪油孔加工提供一種解決方案和工藝改進(jìn)思路，也有助于企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)略.