空间角度斜孔钻模的设计计算

HEATS · 发表于 2010-9-12 11:08:18

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1　引言
　　在柴油机气缸盖的加工中，经常会遇到空间角度斜孔的加工问题。在单件小批量生产的情况下，我们通常把工件放在坐标镗床上通过调整万能倾斜台的方法，完成斜孔的加工。在批量生产的情况，就需要设计钻模或镗夹具来满足生产的需要。下面以气缸盖电热塞孔钻模为例，对空间角度斜孔钻模的设计思路和计算作一些说明。
2　加工位置的获得

图1　工件简图

　　如图1所示，工件以底面及2-d定位。为讨论问题方便起见，我们把孔的轴线抽象为一条一般直线，得到图2所示的空间简图。直线MN即为电热塞孔轴线，O₁O_３、O_２O_４分别为两定位销孔轴线。要把MN调整到可加工的正确位置(即把MN调整为铅垂线)，工件需经两次旋转(水平旋转和倾斜旋转)。首先，把MN所在平面r沿顺时针旋转α角，记为r′。显然，r′为一侧垂面。然后，在平面r′内，把MN沿逆时针旋转β角，此时，MN变为铅垂线。这样，便得到了加工位置。显然，根据以上分析，我们可以这样认为，只要工件在一倾斜角为β的斜面上沿与水平线成α角的位置放置，就能得到正确的加工位置。

图2　工件三维简图

3　夹具的设计与计算

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图3　钻模
1.夹具体　2.支承板　3.螺母　4.支柱　5.弹簧　6.压板　7.双头螺柱　8.螺母、锥面垫圈、球面垫圈　9.菱形销　10.钻模板支承板
11.可换钻套　12.钻套螺钉　13.衬套　14.圆形销　15.立臂　16.转动轴　17.定位销　18.螺钉　19.钻模板　20.螺钉　

　　根据以上分析，我们设计了图3所示的钻模。该钻模为盖板式钻模，采用一面两销定位、螺栓压板夹紧机构夹紧。钻模板19通过转动轴16可在钻模板支承板10中转动，钻模板支承板10通过定位销17、螺钉18固定在立臂15上，立臂15通过定位销和螺钉固定在夹具体1上。众所周知，加工空间角度斜孔时，工件的定位调整、工艺计算比较复杂，极易出错。因此，为方便加工和保证装配精度，装配后钻模板与夹具体进行组合加工。这样，需要在夹具体上加工出2-d_１工艺孔(其轴线与待加工孔轴线重合)，作为组合加工时的找正基准孔和对刀工艺孔(见图4)。这样，避免了钻套轴线与定位孔轴线间繁杂的空间计算。问题的关键便转化为夹具体的设计计算。夹具体的设计计算包括以下两个方面：

图4　夹具体上的2-d_１工艺孔

　　(1)工艺孔和定位销孔之间的位置尺寸L_１′、L_２′的计算。
　　(2)为便于工艺孔的加工，还需要计算两工艺孔连线在水平面内的投影角θ以及两工艺孔间的距离a在水平面内的投影距离a′。
3.1　L_１′、L_２′的计算
　　L_１′、L_２′的计算见图5。双点划线表示支承板，厚度为H。
　　在△ENN′中，NN′＝H，∠ENN′＝β，
　　∴EN′＝NN′tgβ＝Htgβ
　　在△EFN′中，∠N′EF＝α，
　　EF＝EN′cosα＝Htgβcosα，
　　N′F＝EN′sinα＝Htgβsinα
　　∴L_１′＝EG＝EF＋FG＝
　　Htgβcosα＋L_１
　　L_２′＝FF_１＝N′F_１－N′F＝L_２－Htgβsinα

图5　工艺孔与定位销孔之间位置尺寸的计算

3.2　θ和a′的计算
　　θ和a′的计算见图6。AB表示两工艺孔在夹具体斜面上的连线，距离为a。DB为AB在水平面内的投影，距离为a′。BC为夹具体斜面与水平面的交线，则∠ABC＝α。过AD线作BC的垂面ACD，则∠ACD＝β。

图6　工艺孔加工的计算

　　在△ABC中，∠ABC＝α，∠ACB＝90°，AC＝BCtgα
　　在△ACD中，∠ACD＝β，∠ADC＝90°，DC＝ACcosβ
　　在△BCD中，∠BCD＝90°
　　∴tgθ＝DC／BC＝ACcosβ／BC＝tgαcosβ，θ＝arctg（tgαcosβ）
　　同样，我们可求得δ＝arcsin（sinαsinβ）
　　∴a′＝BD＝ABcosδ＝acosδ
　　在实际的生产中，空间角度斜孔的倾斜方向可分为四种类型。针对不同的倾斜方向，可以根据以上的思路画出不同的空间简图，推导出不同的计算公式。
4　结束语
　　根据以上思路设计的夹具，避免了其他设计方法的复杂的空间角度换算，得到较好的加工工艺性。该夹具已在生产中得到成功的应用。当空间角度斜孔的精度要求较高时，还可以去掉立臂和钻模板，以2-d_１工艺孔找正，在坐标镗床或加工中心上加工。在空间角度斜孔的加工方面，以上的设计思路和计算方法不失为一种简便可靠的好方法。

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