120噴油器針閥體進(jìn)油孔用微型鉆孔動(dòng)力頭及夾具設(shè)計(jì)論文

江南大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 學(xué)科專業(yè) 機(jī)械制造及自動(dòng)化 學(xué)生姓名 設(shè)計(jì)題目 噴油器針閥體進(jìn)油孔用微型鉆孔動(dòng)力頭及夾具設(shè)計(jì) 2003 年 5 月 8 日 1 摘要 目前，我國的汽車行業(yè)非常繁榮，大量的汽油機(jī)和柴油機(jī)裝在各種各樣的汽車中。油泵油嘴是柴油機(jī)的心臟，其功能是產(chǎn)生高壓，將液態(tài)柴油通過小噴孔霧化后，噴入柴油機(jī)氣缸燃燒，使熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。由于柴 油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性優(yōu)于汽油機(jī)，所以柴油機(jī)的使用量大幅增加，不僅載重車使用柴油機(jī)，現(xiàn)代的轎車也開始采用柴油機(jī)，油泵油嘴的產(chǎn)量也相應(yīng)提高。我國年產(chǎn)油嘴偶件 6000萬付，其中油嘴針閥體上的進(jìn)油孔采用人工分級(jí)鉆孔，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低。針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)了油嘴針閥體進(jìn)油孔鉆孔動(dòng)力頭及夾具。動(dòng)力頭主軸采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，壓縮空氣推動(dòng)進(jìn)給，外接電子扭矩保護(hù)器，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多次進(jìn)給。針閥體進(jìn)油孔加工夾具利用針閥體的中孔和端面定位，氣動(dòng)夾緊，由氣動(dòng)邏輯元件組成的控制氣路實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的快速夾緊、工作進(jìn)給、快速后退，提高了加工效率，保護(hù)了 刀具，并可組成自動(dòng)生產(chǎn)線。通過對(duì)動(dòng)力頭設(shè)計(jì)、夾具設(shè)計(jì)、氣路設(shè)計(jì)、電子扭矩保護(hù)器電路設(shè)計(jì)，使學(xué)到的機(jī)械、電子、液壓、數(shù)控機(jī)床等知識(shí)得到綜合運(yùn) 用。 2 ABSTRACT Now, automobile profession in our country is very prosperous. The large quantitys gasoline engines and diesel engines have been packed in every kind of automobile. Fuel injection pumps and fuel injectors are the diesel engines heart； its function produces the high pressure. Pass the small spray hole and the liquid diesel should be atomized, and spray into the diesel engine cylinder and combustion, makes the thermal energy conversion to machine energy. Because the diesel engines power characteristics and economics surpass the gasoline engine. Therefore the diesel engines have great capacity. Not only heavy-duty automobiles use the diesel engines, but also the modern cars start adopting the diesel engines. Fuel injection pumps and fuel injectors thus have been exaltation. Our country produce fuel injectors 6000 ten thousand piece per year. Among them, the fuel inlet hole in needle valve body was drilled by the artificial method and divided by several stages. The labor strength is high, efficiency is low. Aim at this kind of circumstance, designed the mini device for drill the fuel inlet hole in needle valve body and tong. The principal axis of device was droved by electrical motor. The compressed air pushes the tool to work. And the electronics torque protector also has been used, automatically realizes drilling to many times. The tong of drilling the inlet fuel hole of needle valve body used the center hole of body and its plane to fix the position, and tighten the needle valve body by compress air. The control device comprised air logic components should realize quickly tightens, work to feed、 quickly retreat. Increased to process the efficiency. Protected the tools. And can constitute the automatic production line. Through power head design、 tongs design、 air line design、 the electronics torque protector design, make the machine knowledge、 electronics knowledge、 liquid press knowledge、 NC machine knowledge etc, have a synthesize application. 3 畢業(yè)論文目錄 一 前言 二 柴油機(jī)工作原理簡述 1、 柴油機(jī)工作過程 三、噴油器的工作原理和作用 四、動(dòng)力頭設(shè)計(jì) a) 動(dòng)力頭工作原理介紹 b) 主軸轉(zhuǎn)速計(jì)算 c) 齒數(shù)強(qiáng)度校核 d) 傳動(dòng)鍵的強(qiáng)度校核 e) 軸的強(qiáng)度及剛度計(jì)算 五、夾具設(shè)計(jì) a) 夾具結(jié)構(gòu)說明 b) 定位誤差計(jì)算 六、氣路設(shè)計(jì) 1)簡述 2)氣動(dòng)邏輯元件原理 3)氣路的工作原理 七、扭矩保護(hù)電路設(shè)計(jì) 1 引言 2 測(cè)速式扭矩保護(hù)的原理 3 具體設(shè)計(jì)方法 4 轉(zhuǎn)速的測(cè)量比較及控制電 路 八、微型進(jìn)給鉆孔動(dòng)力頭及鉆孔夾具設(shè)計(jì)總結(jié) 九、畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié) 十、附錄 十一、參考文獻(xiàn) 4 一、 前言 汽車工業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展前景相當(dāng)廣闊。隨著國家對(duì)汽車節(jié)能、環(huán)保的要求 ,柴油機(jī)的使用量大幅度增加，而作為柴油機(jī)的心臟 油泵油嘴，其生產(chǎn)量更大，光油嘴偶件，我國年產(chǎn)量可達(dá) 6000 萬付，油嘴偶件包括針閥和針閥體。目前針閥體進(jìn)油孔基本采用人工加工，即用臺(tái)鉆，人工分級(jí)鉆孔，二硫化鉬潤滑。此方法效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，每班產(chǎn)量只有 800 件。鑒于此，我們開發(fā)了微型動(dòng)力頭，國內(nèi)尚無如此小型的動(dòng)力頭，該動(dòng)力頭用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，壓縮 空氣推動(dòng)進(jìn)給，扭矩保護(hù)，自動(dòng)分級(jí)進(jìn)給。實(shí)際使用表明效率高，安全?？山M成自動(dòng)生產(chǎn)線。 二、柴油機(jī)工作原理簡述 1、柴油機(jī)工作過程 圖 1 是柴油機(jī)的示意圖，當(dāng)活塞由上止點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，外界新鮮空氣由進(jìn)氣門被吸入氣缸?；钊上轮裹c(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，使進(jìn)入氣缸內(nèi)新鮮空氣的溫度、壓力都有較大的升高。在接近上止點(diǎn)時(shí)，將霧化了的柴油從噴油器噴入氣缸內(nèi)與空氣混合，使柴油自行著火燃燒，放出熱量?；旌蠚獾臏囟群蛪毫眲∩撸紵龤怏w膨脹，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)作功。由于往復(fù)運(yùn)動(dòng)所做的功，難以直接利用，故通過曲軸連桿把往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后， 對(duì)外輸送，這就是柴油機(jī)把燃料的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的簡單過程。為了使這種能量的轉(zhuǎn)變過程連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，在燃燒膨脹后，活塞到下止點(diǎn)又向上運(yùn)動(dòng)，將燃燒后的空氣從排氣門排出氣缸，為再次吸入新鮮空氣，進(jìn)行下一個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程作準(zhǔn)備。由此可見，柴油機(jī)要完成一次能量轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過進(jìn)氣、壓縮、燃燒和排氣等 4 個(gè)工作過程，稱為一個(gè)循環(huán)。 圖 1 柴油機(jī)的示意圖 5 柴油機(jī)要完成進(jìn)氣、壓縮、燃燒、排氣 4 個(gè)工作過程的方法有兩種：曲軸旋轉(zhuǎn)一周（即活塞兩個(gè)行程）完成一個(gè)循環(huán)叫做二沖程柴油機(jī)；曲軸旋轉(zhuǎn)兩周（ 即活塞四個(gè)行程）完成一個(gè)循環(huán)的稱為四沖程柴油機(jī)?，F(xiàn)代中、小功率柴油機(jī)四沖程占極大多數(shù)，二沖程用得很少；四沖程柴油機(jī)工作過程如圖 2 所示，圖中表示各個(gè)行程活塞、連桿、曲軸及氣門的相對(duì)位置。 圖 2 柴油機(jī)工作過程 第一行程 進(jìn)氣行程 在活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，排氣門關(guān)閉，進(jìn)氣門打開，當(dāng)活塞由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，氣缸內(nèi)容積增大，壓力降低，新鮮空氣吸入氣缸。為了使氣缸內(nèi)能充入更多的新鮮空氣，提供足夠的氧氣，以保證柴油充分燃燒，活塞除了在上止點(diǎn)前進(jìn)氣 門早開外，關(guān)閉也在下止點(diǎn)稍后，這就使進(jìn)氣門有一個(gè)早開、晚關(guān)的規(guī)律。 第二行程 壓縮行程 由于曲軸的旋轉(zhuǎn)，活塞由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)、排氣門都關(guān)閉，氣缸容積逐漸減少，空氣被壓縮，結(jié)果使氣體的溫度與壓力都有明顯上升，為燃油噴入氣缸后能迅速燃燒創(chuàng)造有利條件。 通常，空氣壓力為 3MPa 時(shí)，柴油的自燃溫度約為 300，為了確保燃油噴入氣后能迅速燃燒，選擇適當(dāng)?shù)膲嚎s比，使實(shí)際過程在接近壓縮終了時(shí)，溫度要比柴油的自燃溫度（在 1at的空氣中輕柴油自燃溫度為 330350，自燃溫度隨壓力增高而降低）高得多，一般柴油機(jī) 壓縮后的氣缸壓力約為（ 3055）100KPa，溫度能升到 500750，這就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了柴油的自燃溫度，使柴油噴入氣缸內(nèi)能迅速燃燒。 第三行程 燃燒膨脹行程 1 燃燒 柴油機(jī)活塞在上止點(diǎn)前噴油器開始噴油，噴入缸內(nèi)的燃油借壓縮終 6 了高溫空氣的熱量自燃 .燃燒開始進(jìn)行得很快，產(chǎn)生大量熱量，使氣缸內(nèi)溫度，壓力急劇升高，當(dāng)壓力到達(dá)最大值 Pz 后，燃燒繼續(xù)進(jìn)行，但是活塞已由上止點(diǎn)向下移動(dòng)，由于氣缸內(nèi)容積逐漸增大，所以氣體壓力的增長就不明顯了。在燃燒過程中，氣缸內(nèi)瞬時(shí)最高溫度可達(dá) 17002000左右，最大燃燒壓力 達(dá) 69MPa（有些增壓柴油機(jī)可高達(dá) 13MPa） 柴油機(jī)最大燃燒壓力 Pz 通常發(fā)生于上止點(diǎn)稍后，也就是指活塞已離開上止點(diǎn)，向下移動(dòng)了一定距離，燃?xì)庖延猩倭颗蛎?，一部分熱能開始轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功。 2 膨脹 活塞到達(dá)上止點(diǎn)后，在燃燒壓力的推動(dòng)下向下移動(dòng)，過了最大燃燒壓力點(diǎn)，柴油機(jī)進(jìn)入膨脹階段。氣缸容積增加，壓力和溫度隨之下降。在膨脹的初期，燃燒仍在繼續(xù)進(jìn)行，這種燃燒稱為補(bǔ)燃。 第四行程 排氣行程 燃燒膨脹過程，活塞向下止點(diǎn)移動(dòng)。為了使氣缸內(nèi)的廢氣盡可能排得干凈，排氣門在活塞到達(dá)下止點(diǎn)前提早開啟，部分廢氣就開始排出 氣缸。當(dāng)活塞由下止點(diǎn)向上移動(dòng)時(shí)，則廢氣在活塞的驅(qū)趕下迅速排出?；钊竭_(dá)上止點(diǎn)，排氣尚未關(guān)閉。仍在利用下一循環(huán)進(jìn)入氣缸的新鮮空氣，繼續(xù)掃除一部分廢氣。為了使廢氣能更多地排出氣缸，排氣門也同樣有早開晚關(guān)的規(guī)律，所以在排氣尚未結(jié)束，下一循環(huán)的進(jìn)氣過程已經(jīng)開始。 三、噴油器的工作原理和作用 噴油器是柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的重要部件之一，其主要作用是使燃油在一定的壓力下，以霧狀的形式噴入燃燒室，即讓液態(tài)的柴油在高壓下變成氣態(tài)，并合理分布，以便和空氣混合形成最有利于燃燒的可燃混合氣。 噴油器結(jié)構(gòu)及其工作原理 如圖 3 所示，噴油泵 壓出的高壓燃油經(jīng)過高壓油管、進(jìn)油管接頭 4、濾清針 3通入噴油器體 9 的油孔及噴油嘴偶件 12 的進(jìn)油孔 14，進(jìn)入盛油槽 13 內(nèi)，具有壓力p 的柴油垂直方向作用于針閥的承壓錐面 A、 B 上，作用在 A、 B 面的軸向分力 py使針閥具有向上運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；而針閥上部有調(diào)壓彈簧的壓力 E，通過頂桿 10 壓在針閥上，阻止針閥向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng) pyE 時(shí)，針閥在 py力的作用下，克服了調(diào)壓彈簧壓力 E 而向上運(yùn)動(dòng)，針閥座面就離開閥體座面，使盛油槽與噴油孔相通，這時(shí)，高壓燃油則從噴油孔以 7 圖 3 噴油器結(jié)構(gòu)圖 霧狀噴入燃燒室。開始頂開針閥時(shí)的燃油壓力稱為開啟壓力 po。經(jīng)一定時(shí)間后，盛油槽內(nèi)油壓迅速下降，當(dāng) py 小于調(diào)壓彈簧壓力 E 時(shí)，針閥落座，座面又起密封作用，使盛油槽與噴孔隔開，停止噴油，從開始噴油到停止噴油所經(jīng)歷的時(shí)間稱為噴油延續(xù)期。調(diào)壓螺釘 2 是用來調(diào)整調(diào)壓彈簧 8 的預(yù)緊力，當(dāng)調(diào)壓螺釘向前擰進(jìn)時(shí)預(yù)緊力加大，則開啟壓力加大，調(diào)壓螺釘向后退，則預(yù)緊力減小，開啟壓力也減小。針閥與閥體配合雖然十分精密，但因有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故總有一定間隙，通常這種間隙為 1 53um。由于間隙的存在 ，所以盛油槽中的高壓油會(huì)通過間隙慢慢向調(diào)壓彈簧端泄漏，最后通過回油管接頭 1 及油管流入油箱。鎖緊螺帽 7 用以緊固調(diào)壓螺釘，防止工作時(shí)松動(dòng)而影響噴油開啟壓力及噴油壓力。 針閥和針閥體是一對(duì)精密偶件，配對(duì)使用，不可互換。隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，現(xiàn)代柴油機(jī)需要的噴油壓力越來越高，油嘴噴射壓力達(dá) 100MPa 以上，針閥體上的進(jìn)油道需承受如此高的壓力，而且進(jìn)油孔有粗糙度要求，又是細(xì)長孔，所以進(jìn)油道的加工需由以往的人工鉆孔改為專機(jī)加工，為此我們?cè)O(shè)計(jì)了專門加工針閥體進(jìn)油道的動(dòng)力頭。 四、動(dòng)力頭設(shè)計(jì) a) 動(dòng)力頭工作原理介紹。動(dòng)力頭的 運(yùn)動(dòng)分旋轉(zhuǎn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。微型電機(jī)的輸出端裝有齒輪 Z1， 通過 Z1、 Z2、 Z3、 Z4，使傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)軸上 8 開有長槽，長槽里裝有傳動(dòng)銷的一端，另一端與主軸相連，由傳動(dòng)銷再驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)氣缸里通入壓縮空氣時(shí)，活塞向前移動(dòng)，活塞與主軸通過滾動(dòng)軸承連接在一起，活塞移動(dòng)，主軸產(chǎn)生進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給及后退行程由兩個(gè)微動(dòng)行程控制，隨動(dòng)桿上的擋塊可調(diào)節(jié)鉆孔的加工深度。 b) 主軸轉(zhuǎn)速計(jì)算 動(dòng)力頭傳動(dòng)見圖 4 已知 n1=6000rpm， Z1=35， Z2=45， Z3=28， Z4=52。 Z1 n1=Z2 n2， n2=Z1/Z2.n1 Z3 n2=Z4 n3， n2=Z4/Z3.n3 Z1/Z2.n1=Z4/Z3.n3 142313 nZZZZn 將 n1， Z1， Z2， Z3， Z4 代入上式求得 n2=4700rpm， n3=2512rpm c) 齒輪強(qiáng)度校核，本傳動(dòng)系采用的是封閉式傳動(dòng)，只需校核齒面接觸強(qiáng)度。 i. p=0.12kW， m=1 d1=mZ1=35mm d2=mZ2=45mm d3=mZ3=28mm d4=mZ4=52mm b3=14mm mNn PT 191.0955 011 86.12852343 ZZu mNn PT 2455.0955022 9 mNn PT 4584.0955033 從傳動(dòng)系結(jié)構(gòu)知，只需校核 Z3 的齒面接觸強(qiáng)度即可 2）分度圓切向力 NdTFt 6.17200032 3）使用系數(shù) KA=1 （負(fù)荷均勻） 4）齒數(shù)公差精度 7 級(jí) K1=26.8 K2=0.0193 動(dòng)載系數(shù) Kv 22324111 0 0)(1 uuVZkbFKKKAV smndv /9.61 0 0 060 4 7 0 0281 0 0 060 23 2286.1186.11 0 09.628)0 1 9 3.0146.1718.26(1VK =1+21.3 1.932 0.88=37.2 5）齒向載荷分布系數(shù) KH =1 齒向載荷分配系數(shù) KH =1.2 6）材料彈性系數(shù) 2/190 mmNZE 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) ZH=2.5 接觸強(qiáng)度的重合度與 系數(shù) Z =1 7）試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限力（調(diào)質(zhì)鋼淬火， HRC.48 ，中等質(zhì)量要求） 8）接觸強(qiáng)度的壽命系數(shù) ZN=1 潤滑油膜影響系數(shù) ZLVR=0.98 工作硬化系數(shù) ZW=1 接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)： Zx=1 10 接觸強(qiáng)度最小安全系數(shù) SHmin=1 9）齒面接觸強(qiáng)度 23/8 3 676.11 9 05.22.112.37186.1186.128146.1711 9 05.21mmNKKKKuubdFZZZHHVAtEHH 10）許用應(yīng)力 2m i nl i m /98 01 1198.0110 00 mmNS ZZZZHXWL V RNHHP HPH 齒面接觸強(qiáng)度滿足使用要求。 d）傳動(dòng)鍵的強(qiáng)度校核 本鍵聯(lián)接的主要失效形式是工作面的的壓潰和磨損（對(duì)于動(dòng)聯(lián)接）。除非有嚴(yán)重的過載，一般不會(huì)出現(xiàn)鍵的剪斷。 設(shè)載荷為均勻分布，可得本鍵聯(lián)結(jié)的擠壓強(qiáng)度條件 4 pp dhlT 在本設(shè)計(jì)中使用的平鍵型號(hào)是 B3 12 （ GB1096-76） 結(jié)構(gòu)見圖 5 d= 10， b=3， h=3， l=12 由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得平鍵的許用擠壓壓力 p=110N/mm2 11 2/512310 1 0 0 04 5 8 4.04 mmNp pp 選用的平鍵滿足使用要求 e）軸的強(qiáng)度及剛度計(jì)算 1） 軸的強(qiáng)度及剛度計(jì)算 在動(dòng)力頭中，傳動(dòng)軸只傳遞轉(zhuǎn)矩，而且是圓截面，其直徑 d=10mm，其強(qiáng)度條件 PZT 33 2002.0 mmdZ P 2/3.22 0 0 1 0 0 04 5 8 4.0 mmN 傳動(dòng)軸的材料為軸承鋼 GGr15，由手冊(cè)查得 =60N/mm2 ，滿足強(qiáng)度要求。 2） 傳動(dòng)軸為細(xì)長軸，其細(xì)長比為 267/10=26.7，需對(duì)其進(jìn)行剛度計(jì)算， 鋼的切變模量 G=8 104N/mm2，軸在全長上的扭轉(zhuǎn)角不得超過 0.8， 即 = 0.8 04244 089.01014.3108 18010002674584.03218032 dG Tl ，軸的剛度滿足使用要求。 綜上所述，設(shè)計(jì)的 傳動(dòng)軸滿足了強(qiáng)度和剛度的要求。 五、夾具設(shè)計(jì) a)夾具結(jié)構(gòu)說明 油嘴針閥體在加工進(jìn)油孔前已加工好中孔（ 6）及端面，根據(jù)這種條件，用 6 的中孔及端面定位。 2 的進(jìn)油孔為細(xì)長孔，為保證孔的位置精度及防止刀具在切入后引偏或折斷，采用了鉆模板，由于鉆模板較小，為降低成本，就直接在鉆模板上打 2 的孔，使模板與鉆套成為一體，并進(jìn)行淬火處理（ HRC45 50），以提高耐磨性。為便 12 于排屑，又不影響鉆套的導(dǎo)向作用，鉆摸板與工件間留有 2 毫米的排屑間隙。針閥體裝在定位銷上，由氣動(dòng)夾緊。 b)定位誤差計(jì)算 各零件尺寸見圖 6 )(6 05.0 01.0 針閥體中孔尺寸 )(6 01.0 021.0 定位銷尺寸 )(04.05 孔的距離鉆摸板定位銷孔與導(dǎo)向 針閥體與定位銷單邊接觸 兩中心線的最大偏差 0 3 6.0)0 2 1.005.0(21m ax 兩中心線的最小偏差 0)01.001.0(21m i n 實(shí)際加工后中孔與進(jìn)油孔的距離為 04.0076.00 036.0 5)(04.05 L 零件要求針閥體中孔與進(jìn)油孔的距離為 5 0.1，由此可知，設(shè)計(jì)的夾具滿足 零件的加工要求。 六、氣路設(shè)計(jì) 13 1）簡述 氣源采用壓縮空氣。夾緊缸用于夾緊工件，進(jìn)給缸用于動(dòng)力頭的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。整個(gè)氣路由氣動(dòng)邏輯元件，二位四通閥、節(jié)流閥、夾緊缸、進(jìn)給缸組成，實(shí)現(xiàn)快速夾緊、工作進(jìn)給，快速后退。 2）氣動(dòng)邏輯元件原理 （ i） 雙穩(wěn)元件 QLJ-106 當(dāng)控制端輸入信號(hào) a 時(shí)，氣源便由 p 通 S1， 而 S2 與排氣孔 O 相通。此時(shí)雙穩(wěn)處于“ 1”狀態(tài)。 在 a 信號(hào)消失后，另一控制端的輸入信號(hào) b 到來之前， 閥芯總是保持在右端位置，氣源從 S1 輸出。當(dāng)控制 端有信號(hào) b 時(shí)，閥芯 被推向左端， 此時(shí)氣源便由 P 通 S2，而 S2 與排氣孔 0 相通。于是雙穩(wěn)處于 0 狀態(tài)。在信號(hào) b 消失后，閥芯仍穩(wěn)在左端，氣源仍從 S2 輸出。實(shí)現(xiàn)了雙穩(wěn)功能。見真值表 （ ii） 常通可調(diào)延時(shí)元件 QLJ-203 它由一非門元件，一單向元件，一個(gè)可調(diào)節(jié)流孔和一氣室組成。接通氣源 P 后， S 即有輸出。當(dāng)有信號(hào) a 是時(shí)，氣流經(jīng)可調(diào)節(jié)流孔向氣室充氣，當(dāng) 氣室內(nèi)壓力經(jīng)延遲一定時(shí)間達(dá)到動(dòng)作壓力時(shí)，再關(guān)斷輸出 S。即常通有信號(hào)后延時(shí)關(guān)斷。如信號(hào) a 消失，氣室中氣體經(jīng)單向閥快速排氣，氣源 P 與輸出 S 恢復(fù)接通狀態(tài)。 a b S1 S2 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 14 （ iii）或非元件 QLJ-104 當(dāng) a,b 都無信號(hào)時(shí)， S 有輸出 當(dāng) a,b 任一個(gè)有信號(hào)或都有信號(hào)時(shí)， S 無輸出。 見真值表 （ iiii）或元件 QLJ-103 原理與 QLJ-104 相反。 見真值表 3）氣路的工作原理 沒有進(jìn)給信號(hào)時(shí)，在氣壓的作用下，兩只缸處于原始狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)給信號(hào)發(fā)出后， S1 通氣，二位四通閥動(dòng)作，夾緊缸快速夾緊工件，同時(shí)常通延時(shí)元件 a 有信號(hào)，經(jīng)延時(shí)， S 斷開，或非元件 S 通氣，另外一個(gè)二位四通閥工作，在節(jié)流元件的作用下，氣缸緩慢進(jìn)給。若鉆頭在進(jìn)給過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定的轉(zhuǎn)速時(shí)，則產(chǎn)生扭矩保護(hù)信號(hào)， QLJ-103 的輸出端 S 通氣， QLJ-104 輸出端斷氣，二位四通閥使進(jìn)給氣 缸快速后退，排出鐵屑等。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于設(shè)定的轉(zhuǎn)速時(shí)，扭矩保護(hù)信號(hào)消失， QLJ-103 的輸出端 S 斷氣， QLJ-104 輸出端通氣，二位四通閥又使氣缸產(chǎn)生工作進(jìn)給。當(dāng)鉆孔深度達(dá)到圖紙要求后，主軸上的擋塊碰到常斷微動(dòng)行程閥，QLJ-103 的 b 端通氣，雙穩(wěn)元件 QLJ-106 的 b 端有信號(hào)， S2 通氣，二位四通閥使夾緊氣缸快速后退，與此同時(shí)， QLJ-203 的 a 無信號(hào)， S 通氣， QLJ-104 的 S端斷氣，二位四通閥使進(jìn)給氣缸快速后退，當(dāng)隨動(dòng)桿退到與常通微動(dòng)行程閥相碰時(shí)，氣缸活塞停止后退。由此就實(shí)現(xiàn)了快速夾緊、工進(jìn)、快速后退的動(dòng)能， 完成a b S 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 a b S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 15 零件的加工。當(dāng)下一個(gè)進(jìn)給信號(hào)到來時(shí)，重復(fù)以上動(dòng)作。 七、扭矩保護(hù)電路設(shè)計(jì) 1 引言 在機(jī)械加工行業(yè)中，經(jīng)常會(huì)碰到一些需要進(jìn)行扭矩保護(hù)的情況。例如在鉆削加工中，尤其是油泵油嘴行業(yè)中，涉及到一些細(xì)長孔的加工，由于加工的孔長徑比較大，鉆削時(shí)鐵屑不易排出，所以利用一般的鉆床加工很容易使鉆頭斷在工件中，導(dǎo)致工件報(bào)廢，影響生產(chǎn)效率。這種加工以前在實(shí)際中主要靠熟練工人的經(jīng)驗(yàn)來保證，即工人憑手上的感覺去判斷鉆頭在工件中受阻的情況。當(dāng)阻力大時(shí)，工人會(huì)抬起鉆頭，排出鐵屑，然后再往下鉆，如此，各次循環(huán)，直至孔鉆到要求為止，這 樣在連續(xù)生產(chǎn)中，工人平均每天手動(dòng)抬起、按下鉆頭約幾千次，勞動(dòng)強(qiáng)度很大，且僅憑經(jīng)驗(yàn)也很難保證不出廢品。而且生產(chǎn)效率也比較低。鑒于這種情況，很多科技工作者就想設(shè)計(jì)一種自動(dòng)鉆床來替代這種繁鎖的手工操作，也即通過實(shí)時(shí)測(cè)量鉆頭在鉆削過程中受阻的情況，當(dāng)測(cè)到受阻達(dá)到某一設(shè)定的臨界值時(shí)，就通過一裝置控制鉆頭繼續(xù)鉆削，如此往復(fù)。這里實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆頭受阻的情況也就是要敏感鉆頭的受扭矩的變化，當(dāng)受扭矩達(dá)到某臨界值（通過試驗(yàn)獲得）時(shí)，就得使鉆頭退回，否則就會(huì)斷鉆頭?，F(xiàn)在基于這種構(gòu)思的自動(dòng)鉆床已有產(chǎn)品，但現(xiàn)有的產(chǎn)品中其扭矩保護(hù)一般都是 用扭矩傳感器來直接敏感鉆頭受扭矩的情況，然后由一套電路及單片機(jī)等來判斷處理。這種處理方法一般使機(jī)床的造價(jià)提高很多，且結(jié)構(gòu)較大。另外由于所用的扭矩傳感器常用到彈性元件，時(shí)間長了這種彈性元件會(huì)產(chǎn)生永久變形，導(dǎo)致靈敏度降低。從而使保護(hù)失敗。為此我們開發(fā)了一種實(shí)用的低成本并且可靠性很好的測(cè)速式扭矩保護(hù)裝置。 2 測(cè)速式扭矩保護(hù)的原理 如引言中所述，一般要進(jìn)行扭矩保護(hù)的場(chǎng)合，常通過扭矩傳感器來直接敏感扭矩的變化，而在鉆削加工中，如仍采用這種方法，就顯得復(fù)雜。測(cè)速式扭矩保護(hù)的原理是：通過測(cè)量被保護(hù)主軸的轉(zhuǎn)速來間接獲得其 扭矩變化的情況，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)其扭矩并保護(hù)的目的。具體而言即為：一般鉆床中主軸都是通過皮帶輪由皮帶與電機(jī)主軸相連，因此鉆削時(shí)，鉆頭受阻，所受扭矩增大，主軸轉(zhuǎn)速就會(huì)降低，只要敏感到主軸轉(zhuǎn)速的變化，也就可間接獲得鉆頭扭矩的變化。這里利用光電傳感器來測(cè)量主軸轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到臨界值（預(yù)先設(shè)定）時(shí)，即由控制電路發(fā)出一信號(hào)，使鉆頭抬起從而起到扭矩保護(hù)的作用。下面將以一種分級(jí)進(jìn)給的動(dòng)力頭為例來具體闡述其實(shí)現(xiàn)方法。 16 3 具體設(shè)計(jì)方法 分級(jí)進(jìn)給動(dòng)力頭是一種實(shí)用的加工細(xì)長孔的裝置。其原先的設(shè)計(jì)方法是定時(shí)辦法來控制鉆頭鉆動(dòng)作及退動(dòng) 作。由氣動(dòng)邏輯電路來定時(shí)，使鉆頭每次鉆一定時(shí)間（設(shè)為 t）就退回，排出鐵屑，冷卻后再鉆。這種方法也簡便易行。但由于實(shí)際鉆削時(shí)，工件材質(zhì)不同，孔的尺寸不一樣，而且即使對(duì)同一零件，由于開始鉆時(shí)，鐵屑排出容易，而越往深處鉆，就越困難，因此，要定出一個(gè)折中的 t 比較困難，定長了，可能扭矩已大到斷鉆頭時(shí)還沒發(fā)出鉆頭退回的控制信號(hào)，定短了則來回動(dòng)作次數(shù)增加，效率降低。鑒于這種情況，適宜采用筆者前面所述的轉(zhuǎn)速臨界值，與零件材質(zhì)，待加工孔的尺寸等都無關(guān)，而只要根據(jù)試驗(yàn)定出，對(duì)一特定鉆頭，當(dāng)其轉(zhuǎn)速下降多大時(shí)其扭矩已達(dá)到極限即可。 由此根據(jù)起始轉(zhuǎn)速定出保護(hù)的下限轉(zhuǎn)速值就可以了。實(shí)際工作時(shí)，每當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到這臨界值即控制電磁閥動(dòng)作，使鉆頭退回。這樣既能可靠地保護(hù)鉆頭不出廢品，又可提高工效。 4 轉(zhuǎn)速的測(cè)量比較及控制電路 主軸的轉(zhuǎn)速由霍爾傳感器來測(cè)量，霍爾傳感器測(cè)速電路如圖 1 所示，其中磁鋼用膠水粘在齒輪 Z4 上的 4 沉孔里，霍爾傳感器安裝在動(dòng)力頭的后蓋上。當(dāng)齒輪 Z4 隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾傳感器的輸出點(diǎn) A 處就產(chǎn)生脈沖，其頻率對(duì)應(yīng)于主軸的轉(zhuǎn)速。由于在鉆削加工時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速一般都為 20002500r/min,轉(zhuǎn)速很高，故常采用頻率法測(cè)轉(zhuǎn)速，由時(shí)基電路產(chǎn) 生一基準(zhǔn)時(shí)基，設(shè)周期為 T1，如在 T1 時(shí)間內(nèi)測(cè)轉(zhuǎn)速脈沖數(shù)為 n1,則每分鐘主軸轉(zhuǎn)速為（ n1 60） /（ T1），實(shí)際中 T1 為定值，則 n1 即對(duì)應(yīng)于實(shí)際轉(zhuǎn)速。 如圖 2 為時(shí)基產(chǎn)生電路，其中晶振為 100kHZ。 圖 3 為轉(zhuǎn)速測(cè)量、比較及結(jié)果控制電路，由時(shí)基產(chǎn)生的時(shí)基脈沖信號(hào)與轉(zhuǎn)速信號(hào)同時(shí)輸入一與非門，其輸出接計(jì)數(shù)器（低位）的脈沖輸入端。其中轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)值 n1 由 4 片串聯(lián)的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 4518 來完成， 4 片 4518 的輸出分別為 n1 值的千、百、十、個(gè)位，該計(jì)數(shù)值在每次計(jì)完時(shí)由 4 片 4042 鎖存到 BCD 比較器 4585的一路輸入端， 4585 的另一路輸入端接 4 片拔碼盤，即 n1 為 A，由拔碼盤設(shè)定的值為 B。當(dāng) AB 時(shí)，說明轉(zhuǎn)速大于設(shè)定值，此時(shí) AB 輸出無效，當(dāng)有一次采樣到 A 值小于 B 時(shí)，說明鉆頭轉(zhuǎn)速已下降到低于設(shè)定值，即此時(shí)所受扭矩較大，則輸出 AB 立即有效，控制電磁閥動(dòng)作使鉆頭退回，一旦鉆頭退回，帶出鐵屑， 17 并冷卻，則轉(zhuǎn)速又升高。這樣轉(zhuǎn)速測(cè)量電路中計(jì)到的 n1 也增大，則輸出 AB 又無效，此時(shí)則又可控制鉆頭作下一次鉆削動(dòng)作。圖中 4528 用來產(chǎn)生時(shí)間延遲，其基準(zhǔn)信號(hào)也來自時(shí)基信號(hào)，當(dāng) T1 的下降沿來到時(shí)，即控制 4042 進(jìn)行信號(hào)鎖存，在此信號(hào)基礎(chǔ)上延時(shí) t1 后控 制 4518 的清零端對(duì) 4 片 4518 進(jìn)行清零，以便下一次計(jì)數(shù)仍從零開始。 以上部分詳細(xì)介紹了測(cè)速式扭矩保護(hù)的原理，設(shè)計(jì)方法，并通過實(shí)際應(yīng)用例子講述了其應(yīng)用。這種方法在其他一些類似的需進(jìn)行扭矩保護(hù)的地方也可應(yīng)用。 八、微型進(jìn)給鉆孔動(dòng)力頭及鉆孔夾具設(shè)計(jì)總結(jié) 微型分級(jí)進(jìn)給鉆孔動(dòng)力頭的研制，經(jīng)過三次改進(jìn)，最終完成研制工作，研制工作分以下四步進(jìn)行： 1、按原方案，采用進(jìn)給氣缸推進(jìn)、 60W 單相串激式電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸，隨動(dòng)氣缸控制每次工進(jìn)的起點(diǎn)，氣動(dòng)延時(shí)元件控制控制每次工進(jìn)的持續(xù)時(shí)間，完成分級(jí)進(jìn)給。第一輪樣機(jī)完成后，進(jìn)行了切削試 驗(yàn)，用 GCr 冷拉園鋼做試樣，鉆孔直徑 1.7，鉆孔深度 24（相當(dāng)于長型孔式油嘴進(jìn)油孔的尺寸），冷卻液為普通乳化液，由于電機(jī)功率不足，而且串激式電機(jī)扭矩特性較軟，切削時(shí)轉(zhuǎn)速迅速下降，工進(jìn)速度必需控制得較低，而且每次進(jìn)給深度很小就必須退回，鉆一個(gè)孔需進(jìn)給二十多次，耗時(shí)約三分鐘。 2、將電機(jī)換成 120W 三相電機(jī)，鉆孔時(shí)轉(zhuǎn)速?zèng)]有明顯下降，鉆一個(gè)孔進(jìn)給十多次，耗時(shí)約一分半鐘。 3、隨著鉆頭進(jìn)入工件深度的增加，排屑逐漸困難，切削扭矩增大，分級(jí)進(jìn)給最后一次工進(jìn)時(shí)切削 扭矩最大，鉆頭最容易折斷，因此所允許的切削深度也最小，但由于采用氣動(dòng)延時(shí)元件控制控制每次工進(jìn)的持續(xù)時(shí)間，每次工進(jìn)深度是固定的，為了保證鉆頭不折斷，只能按最后一次工進(jìn)所允許的切削深度確定每次工進(jìn)的持續(xù)時(shí)間，這樣造成過多的進(jìn)給次數(shù)和過多的往復(fù)空行程，因此耗時(shí)較多。為克服這個(gè)缺陷，將氣動(dòng)延時(shí)元件取消，增加一個(gè)自行研制的扭矩保護(hù)器，其工作原理是在齒輪 Z4 上加一個(gè)磁鋼，齒輪室蓋上裝一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器 ,該傳感器是一只霍爾開關(guān)傳感器，屬半導(dǎo)體傳感器，半導(dǎo)體材料有一個(gè)重要特性是對(duì)光、熱、力、磁、氣體、濕度等物理量的敏感性，利用 半導(dǎo)體材料的這些特性，作為非電量電測(cè)的轉(zhuǎn)換元件，半導(dǎo)體傳感 18 器具有許多明顯的特點(diǎn)，通常可制成結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕的器件，它們的功耗低、安全可靠、壽命長，對(duì)被測(cè)量敏感，響應(yīng)快，易于實(shí)現(xiàn)集成化。但它們的輸出特性一般是非線性的，常常采用線性化電路，受溫度影響大，須采用溫度補(bǔ)償措施?；魻杺鞲衅骶褪抢冒雽?dǎo)體材料的磁敏特性來工作的傳感器，霍爾元件是一種半導(dǎo)體磁電轉(zhuǎn)換元件，一般由半導(dǎo)體制成，當(dāng)霍爾元件置于磁場(chǎng)中，如果對(duì)應(yīng)端通入電流，另外對(duì)應(yīng)端就出現(xiàn)電位差，當(dāng)磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，電位也相應(yīng)變化，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。而用霍 爾元件制成的轉(zhuǎn)速傳感器利用了半導(dǎo)體的開關(guān)特性，充分發(fā)揮了半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)，半導(dǎo)體的缺點(diǎn)對(duì)傳感器沒有影響。由霍爾傳感器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速信號(hào)送入轉(zhuǎn)速比較器，工進(jìn)時(shí)隨著切削深度的增加，切削扭矩增大，轉(zhuǎn)速逐減下降到某一設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出信號(hào)使主軸后退。設(shè)定轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速比較器上的數(shù)碼撥盤人為設(shè)置。采用這種扭矩保護(hù)器后鉆 1.7的孔耗時(shí)約一分，鉆 2 24的孔（相當(dāng)于現(xiàn)生產(chǎn)的長型孔式油嘴進(jìn)油孔尺寸）耗時(shí)約 40 秒。 4、為了進(jìn)一步提高效率，將主軸轉(zhuǎn)速由 2000 轉(zhuǎn) /分提高到 2500 轉(zhuǎn) /分，鉆 2 24 的孔耗時(shí)約 26 秒。 該動(dòng) 力頭如用于油嘴進(jìn)油孔專機(jī)，四個(gè)頭裝在一個(gè)床身上，一人操作，每班工作 6.5 小時(shí)，單班產(chǎn)量為 3000 件，現(xiàn)在人工用臺(tái)鉆班產(chǎn)量為 1000 件，而且必須加清洗二硫化鉬的工序。該動(dòng)力頭如用于油嘴定位孔專機(jī)，三個(gè)頭裝在一個(gè)床身上，一人操作，每班工作 6.5 小時(shí)，單班產(chǎn)量為 4000 件，現(xiàn)在人工用臺(tái)鉆班產(chǎn)量為 800 件。以上兩臺(tái)專機(jī)適合較大的油泵廠使用。也可將進(jìn)油孔工序和定位孔工序裝在一臺(tái)專機(jī)上，兩個(gè)頭鉆進(jìn)油孔，一個(gè)頭鉆定位孔，適合較小