轎車輪轂軸承單元新型鉚合裝配機(jī)床的研究

周志雄+肖耘亞+李偉

收稿日期：20131016

基金項(xiàng)目：廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研資助項(xiàng)目（0712226100099）；廣東省高校自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（05Z020）

作者簡(jiǎn)介：周志雄（1953-），男，湖南郴州人，湖南大學(xué)教授，博士

通訊聯(lián)系人，Email： zhouzx8@sina.com

摘要：提出了新型的具有鉚頭傾角可調(diào)、鉚裝壓力和工作臺(tái)位移實(shí)時(shí)測(cè)量、自動(dòng)精密調(diào)整鉚裝終止位置等功能的精密鉚合裝配專用機(jī)床，理論分析了機(jī)床的鉚頭傾角、進(jìn)給量和鉚裝力等參數(shù)，試制了機(jī)床樣機(jī).試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)床最大軸向鉚裝力達(dá)30 T，工作臺(tái)的定位精度小于2 μm，生產(chǎn)效率可達(dá)3 000件/班，鉚裝出的輪轂軸承單元可靠性理論上可達(dá)到30萬公里以上，滿足了轎車輪轂軸承單元的裝配要求.

關(guān)鍵詞：機(jī)床；軸承；鉚接；游隙；自動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TH6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Study of a New Machine Tool for the Riveting and Assembly

of Automotive Hub Bearing Unit

ZHOU Zhixiong1，XIAO Yunya1，2，LI Wei1

（1.College of Mechanical and Vehicle Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan410082；China；

2.College of Physical and Electromechanical Engineering， Shaoguan Univ， Shaoguan， Guangdong512005，China）

Abstract： A new special machine tool for the precision riveting and assembly of the automotive hub bearing unit was proposed， which could adjust the inclination angle of the rivet tail， realtime measurement of the riveting and assembly force and displacement of the stage， and automatic precision adjustment of stop position of the riveting and assembly. Its parameters， such as the inclination angle of the rivet tail， feed， riveting and assembly force， were theoretically analyzed and the prototype was manufactured. Experiment results show that it has a maximum axial riveting and assembly force of 30 T. The positioning precision of the stage is less than 2 μm and the production efficiency is up to 3 000 pieces per shift. The theoretical reliability of the hub bearing unit produced by the special machine tool is above 300 000 km. It satisfies the assembly requirement of the automotive hub bearing unit.

Key words： machine tool； bearing； riveting； clearance； automatic control

本文提出一種轎車輪轂軸承單元精密鉚合裝配專用機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)理論分析；試制出了樣機(jī)，測(cè)試了其性能，為提升我國(guó)轎車輪轂軸承單元的制造水平打下了基礎(chǔ).

1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的提出

輪轂軸承單元的鉚合裝配工藝原理如圖1所示，鉚頭相對(duì)于工件軸線傾斜一定角度，工件軸端受到鉚頭的局部壓力，隨著鉚頭連續(xù)的周期擺動(dòng)，工件軸端逐漸彎曲成形，從而實(shí)現(xiàn)輪轂軸承單元的鉚合裝配.

根據(jù)上述原理，本文提出的新型精密鉚合裝配專用機(jī)床如圖2所示，采用4柱立式結(jié)構(gòu)，主電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭，再通過鉚頭傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鉚頭作圓軌跡式回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并可依工作需要調(diào)整鉚頭傾角；工件放置在壓力傳感器上，連同滑臺(tái)一起裝在工作臺(tái)上，工作臺(tái)由主油缸驅(qū)動(dòng)可沿立柱導(dǎo)軌作軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，當(dāng)工件軸端接觸到旋轉(zhuǎn)的鉚頭后開始擺輾成形，從而實(shí)現(xiàn)輪轂軸承單元的鉚合裝配.料缸推動(dòng)壓力傳感器連同上面的工件沿滑臺(tái)在水平方向左、右移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)上、下料動(dòng)作.

機(jī)床上裝有步進(jìn)電機(jī)并通過齒輪傳動(dòng)精確控制主油缸活塞桿行程.動(dòng)力頭殼體上裝有磁力附加裝置，壓力傳感器安裝在工件與工作臺(tái)之間，結(jié)合封閉光柵尺的測(cè)量和步進(jìn)電機(jī)對(duì)主油缸行程的實(shí)時(shí)調(diào)整控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鉚接尺寸的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量與反饋控制，從而實(shí)現(xiàn)輪轂軸承單元的精密鉚合裝配.裝配過程中，被鉚工件的小內(nèi)圈端面先與磁力附加裝置接觸，產(chǎn)生壓力信號(hào)，并對(duì)應(yīng)一光柵尺讀數(shù)，當(dāng)軸承軸端與鉚頭接觸達(dá)到設(shè)定壓力值時(shí)對(duì)應(yīng)另一光柵尺讀數(shù)，依據(jù)兩次光柵尺讀數(shù)的差值，并通過機(jī)床的控制策略實(shí)現(xiàn)機(jī)床的實(shí)時(shí)測(cè)量、自動(dòng)調(diào)整、精密鉚合裝配等功能.

2設(shè)計(jì)理論分析

2.1鉚頭傾角的選擇

鉚頭傾角γ是指傾斜的鉚頭軸線與工件軸線之間的夾角，如圖3所示.γ角影響鉚裝軸向力與徑向力的分布.γ角越小，鉚裝軸向分力越大，金屬容易軸向流動(dòng)，但太大的軸向分力容易使軸端發(fā)生徑向脹大而導(dǎo)致軸承單元卡死；γ角越大，鉚裝徑向分力越大，金屬容易徑向流動(dòng)，但隨著γ角的增大，機(jī)床的振動(dòng)會(huì)加劇，從而降低機(jī)床的精度和使用壽命.綜合考慮，鉚頭傾角取值為γ=1°～10°，且針對(duì)厚薄不同的軸端鉚裝時(shí)，要具備連續(xù)可調(diào)的能力.2.2每轉(zhuǎn)進(jìn)給量

根據(jù)鉚頭、工件運(yùn)動(dòng)幾何關(guān)系，鉚頭轉(zhuǎn)一周后工作臺(tái)的上升量，即每轉(zhuǎn)進(jìn)給量s為：

s=60vn. （1）

式中：v為工作臺(tái)的進(jìn)給速度（mm/s）；n為鉚頭轉(zhuǎn)速（r /min）.

通過在已有鉚釘機(jī)床上進(jìn)行輪轂軸承單元鉚裝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，式（1）與實(shí)際情況相差較大.通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出的較為準(zhǔn)確的每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為：

s=60ΔHt n. （2）

式中：ΔH為軸端壓下的高度（mm）；t為輾壓時(shí)間（s）.

2.3鉚裝受力分析

鉚裝時(shí)的受力狀態(tài)如圖3所示.鉚裝總作用力F為：

F=Acp， （3）

Ac=λπ（R2-r2）. （4）

式中：Ac為接觸面積（mm2）；R為軸端外徑（mm）；r為軸端內(nèi)徑（mm）；p為平均單位壓力（N/mm2），可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[7]：

p=cσ. （5）

式中：c為約束系數(shù)（1.0～1.1）；σ為工件的平均單位變形抗力（N/mm2）.

λ為面積接觸率，按波蘭馬爾辛尼克教授提出的公式計(jì)算[8]：

λ=0.45s2Rtgγ. （6）

2.4擺輾力矩及電機(jī)選型

水平鉚裝分力Ft為：

Ft=Fsin α. （7）

式中：α為軋制咬入角（°）.擺輾所需的力矩MR為：

MR=FtRx×10-3. （8）

式中：Rx為中性面位置的半徑（mm），按Rx=r+0.67（R-r） 估算. 所需的主電機(jī)功率P為：

P=MRn975η. （9）

式中：η為傳動(dòng)效率.

本文擬開發(fā)的專用機(jī)床主要針對(duì)DAC2F10輪轂軸承單元，其外觀尺寸約為90 mm×100 mm，被鉚軸端外徑為28 mm，內(nèi)徑為16 mm，其軸向擺輾力為80～130 kN.根據(jù)上述參數(shù)及理論分析，選擇主電機(jī)的型號(hào)為Y160L8，功率和轉(zhuǎn)速分別為7.5 kW和720 r/min.

2.5軸向鉚裝力及液壓系統(tǒng)工作壓力

軸向鉚裝分力Fn為：

Fn=Fcos α. （10）

液壓系統(tǒng)工作壓力p′為：

p′=FnA-p″.（11）

式中：A為主油缸工作面積（m2）；p″為沿程壓力損失（N/m2）.

3樣機(jī)試制

試制的新型精密鉚合裝配專用機(jī)床樣機(jī)如圖4所示，其底座、動(dòng)力頭箱體及工作臺(tái)等基礎(chǔ)件均以焊

接件作毛坯，并進(jìn)行退火處理以消除內(nèi)應(yīng)力，從而保證機(jī)床的工作精度；上述三大基礎(chǔ)件與立柱相配合的4個(gè)孔位采用數(shù)控鏜床來加工，以保證相互位置精度；4根立柱在調(diào)質(zhì)加表面淬火處理的基礎(chǔ)上，圓導(dǎo)軌部分鍍硬鉻并磨削，工作臺(tái)與導(dǎo)柱相配合的部位采用直線軸承，以便減小摩擦.機(jī)床依自下而上的順序平穩(wěn)裝配，避免導(dǎo)軌面與直線軸承的損壞.

機(jī)床配備電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)，并通過自主開發(fā)的專用控制軟件實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)位移與軸向鉚裝力的實(shí)時(shí)精密控制及圖形顯示輸出.

4樣機(jī)性能測(cè)試及鉚裝試驗(yàn)

經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，機(jī)床最大軸向鉚裝力達(dá)30 T；鉚頭轉(zhuǎn)速約720 r/min，并在0°～10°傾角范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；工作臺(tái)的定位精度小于2 μm，最大工作行程為25 mm，在0～50 mm/s進(jìn)給速度內(nèi)連續(xù)可調(diào)；具備手動(dòng)/自動(dòng)鉚裝功能，生產(chǎn)效率可達(dá)3 000件/班，達(dá)到了相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求.本文在樣機(jī)上進(jìn)行了鉚裝試驗(yàn)，具體過程如下：

1）開機(jī)，料缸處于頂出狀態(tài)，手工裝料，時(shí)間約3～5 s（可調(diào)節(jié)），到設(shè)定時(shí)間后，料缸帶動(dòng)滑臺(tái)自動(dòng)收回；

2）料缸到位發(fā)出信號(hào)確認(rèn)后，鉚頭旋轉(zhuǎn)，工作臺(tái)主油缸上升；

3）鉚裝過程中，被鉚工件小內(nèi)圈端面先接觸到磁力附加裝置，隨著工作臺(tái)繼續(xù)上移，將消除軸承單元組件間的裝配間隙，并在壓力傳感器錄得設(shè)定的壓力值時(shí)讀取光柵位移S1；

4）工作臺(tái)繼續(xù)上移，磁力附加裝置分離，壓力讀數(shù)清零，隨后工件被鉚軸端與鉚頭接觸，產(chǎn)生壓力并達(dá)到設(shè)定值時(shí)，讀取光柵位移S2，系統(tǒng)依據(jù)S1，S2數(shù)值計(jì)算調(diào)位量，并控制步進(jìn)電機(jī)精密調(diào)整終止位置；

5）鉚裝到位后，工作臺(tái)卸荷，主油缸回退；

6）主油缸回退到位后停止，料缸將滑臺(tái)頂出卸料，完成一個(gè)工作循環(huán)，整個(gè)工作在10～15 s內(nèi)完成.

裝配的輪轂軸承單元如圖5所示，通過模擬試驗(yàn)機(jī)在軸向負(fù)荷±6.13 kN，徑向負(fù)荷6 kN，載荷作用半徑312 mm，頻率5 Hz的給定條件下試驗(yàn)143 h，理論上相當(dāng)于汽車行駛30萬km，也就是說本文鉚裝的輪轂軸承單元可靠性理論上可達(dá)到30 萬km以上，性能優(yōu)異.因此，根據(jù)樣機(jī)性能檢測(cè)結(jié)果及鉚裝的輪轂軸承單元可靠性試驗(yàn)結(jié)果，本文所開發(fā)的新型精密鉚合裝配專用機(jī)床完全能夠滿足轎車輪轂軸承單元的裝配要求.

5結(jié)論

1）本文提出并設(shè)計(jì)了轎車輪轂軸承單元精密鉚合裝配專用機(jī)床的結(jié)構(gòu)，研究了相關(guān)設(shè)計(jì)理論，試制了機(jī)床樣機(jī).該機(jī)床具有鉚頭傾角可調(diào)、鉚裝壓力和位移實(shí)時(shí)測(cè)量、自動(dòng)精密調(diào)整鉚裝終止位置等優(yōu)點(diǎn).

2）檢測(cè)了機(jī)床的相關(guān)性能，其最大軸向鉚裝力達(dá)30 T，鉚頭轉(zhuǎn)速約720 r/min，并在0～10°傾角范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，工作臺(tái)的定位精度小于2 μm，在0～50 mm/s進(jìn)給速度范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，生產(chǎn)效率可達(dá)3 000件/班，達(dá)到了相關(guān)設(shè)計(jì)要求.

3）鉚合裝配了輪轂軸承單元產(chǎn)品，進(jìn)行了可靠性檢驗(yàn)，其可靠性理論上可達(dá)到30萬km以上，性能優(yōu)異，說明本文所開發(fā)的新型精密鉚合裝配專用機(jī)床完全能夠滿足轎車輪轂軸承單元的裝配要求，非常值得推廣應(yīng)用.這對(duì)于推動(dòng)我國(guó)轎車輪轂軸承單元鉚合裝配工藝研究、提升產(chǎn)品制造水平具有重大的意義.

參考文獻(xiàn)

[1]NUMATA T.Latest technical trends regarding hub unit bearings[J]. KOYO Engineering Journal English Edition，2005， 168E： 8-13.

[2]宋玉春，肖耘亞.基于CMAC網(wǎng)絡(luò)的軸承輪轂單元鉚合控制算法研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2011（5）：155-157.

SONG Yuchun， XIAO Yunya. Study on clinching control algorithm for hub bearing unit based on CMAC[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool， 2011（5）：155-157.（In Chinese）

[3]王家序，趙慧，李金明. 固體潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)特性有限元分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，40（3）：46-51.

WANG Jiaxu， ZHAO Hui， LI Jinming.Dynamics of solid lubrication rolling bearing based on finite element method[J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences，2013， 40（3）：46-51.（In Chinese）

[4]SAKAMOTO J S.Trends and new technologies of hub unit bearings [J]. Motion & Control， 2005（17）： 2-9.

[5]NAKAMURA Y J.Hub unit bearing with ABS sensor[J].Motion & Control， 2003（15）： 1-4.

[6]黎桂華.軸向游隙對(duì)轎車輪轂軸承性能的影響[J].軸承，2011（1）：1-3.

LI Guihua. Effect of axial clearance on performances of car hub bearings [J]. Bearing， 2011（1）： 1-3. （In Chinese）

[7]胡亞民，伍太賓，趙軍華.擺動(dòng)輾壓工藝及模具設(shè)計(jì)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2008：45.

HU Yamin， WU Taibin， ZHAO Junhua. Rotary forging process and mold design [M]. Chongqing： Chongqing University Press， 2008：45. （In Chinese）

[8]張猛，胡亞民.擺輾技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998：28.

ZHANG Meng， HU Yamin. Rotary forging technology [M]. Beijing： China Machine Press， 1998：28. （In Chinese）

3）鉚合裝配了輪轂軸承單元產(chǎn)品，進(jìn)行了可靠性檢驗(yàn)，其可靠性理論上可達(dá)到30萬km以上，性能優(yōu)異，說明本文所開發(fā)的新型精密鉚合裝配專用機(jī)床完全能夠滿足轎車輪轂軸承單元的裝配要求，非常值得推廣應(yīng)用.這對(duì)于推動(dòng)我國(guó)轎車輪轂軸承單元鉚合裝配工藝研究、提升產(chǎn)品制造水平具有重大的意義.

參考文獻(xiàn)

[1]NUMATA T.Latest technical trends regarding hub unit bearings[J]. KOYO Engineering Journal English Edition，2005， 168E： 8-13.

[2]宋玉春，肖耘亞.基于CMAC網(wǎng)絡(luò)的軸承輪轂單元鉚合控制算法研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2011（5）：155-157.

SONG Yuchun， XIAO Yunya. Study on clinching control algorithm for hub bearing unit based on CMAC[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool， 2011（5）：155-157.（In Chinese）

[3]王家序，趙慧，李金明. 固體潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)特性有限元分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，40（3）：46-51.

WANG Jiaxu， ZHAO Hui， LI Jinming.Dynamics of solid lubrication rolling bearing based on finite element method[J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences，2013， 40（3）：46-51.（In Chinese）

[4]SAKAMOTO J S.Trends and new technologies of hub unit bearings [J]. Motion & Control， 2005（17）： 2-9.

[5]NAKAMURA Y J.Hub unit bearing with ABS sensor[J].Motion & Control， 2003（15）： 1-4.

[6]黎桂華.軸向游隙對(duì)轎車輪轂軸承性能的影響[J].軸承，2011（1）：1-3.

LI Guihua. Effect of axial clearance on performances of car hub bearings [J]. Bearing， 2011（1）： 1-3. （In Chinese）

[7]胡亞民，伍太賓，趙軍華.擺動(dòng)輾壓工藝及模具設(shè)計(jì)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2008：45.

HU Yamin， WU Taibin， ZHAO Junhua. Rotary forging process and mold design [M]. Chongqing： Chongqing University Press， 2008：45. （In Chinese）

[8]張猛，胡亞民.擺輾技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998：28.

ZHANG Meng， HU Yamin. Rotary forging technology [M]. Beijing： China Machine Press， 1998：28. （In Chinese）

3）鉚合裝配了輪轂軸承單元產(chǎn)品，進(jìn)行了可靠性檢驗(yàn)，其可靠性理論上可達(dá)到30萬km以上，性能優(yōu)異，說明本文所開發(fā)的新型精密鉚合裝配專用機(jī)床完全能夠滿足轎車輪轂軸承單元的裝配要求，非常值得推廣應(yīng)用.這對(duì)于推動(dòng)我國(guó)轎車輪轂軸承單元鉚合裝配工藝研究、提升產(chǎn)品制造水平具有重大的意義.

參考文獻(xiàn)

[1]NUMATA T.Latest technical trends regarding hub unit bearings[J]. KOYO Engineering Journal English Edition，2005， 168E： 8-13.

[2]宋玉春，肖耘亞.基于CMAC網(wǎng)絡(luò)的軸承輪轂單元鉚合控制算法研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2011（5）：155-157.

SONG Yuchun， XIAO Yunya. Study on clinching control algorithm for hub bearing unit based on CMAC[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool， 2011（5）：155-157.（In Chinese）

[3]王家序，趙慧，李金明. 固體潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)特性有限元分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，40（3）：46-51.

WANG Jiaxu， ZHAO Hui， LI Jinming.Dynamics of solid lubrication rolling bearing based on finite element method[J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences，2013， 40（3）：46-51.（In Chinese）

[4]SAKAMOTO J S.Trends and new technologies of hub unit bearings [J]. Motion & Control， 2005（17）： 2-9.

[5]NAKAMURA Y J.Hub unit bearing with ABS sensor[J].Motion & Control， 2003（15）： 1-4.

[6]黎桂華.軸向游隙對(duì)轎車輪轂軸承性能的影響[J].軸承，2011（1）：1-3.

LI Guihua. Effect of axial clearance on performances of car hub bearings [J]. Bearing， 2011（1）： 1-3. （In Chinese）

[7]胡亞民，伍太賓，趙軍華.擺動(dòng)輾壓工藝及模具設(shè)計(jì)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2008：45.

HU Yamin， WU Taibin， ZHAO Junhua. Rotary forging process and mold design [M]. Chongqing： Chongqing University Press， 2008：45. （In Chinese）

[8]張猛，胡亞民.擺輾技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998：28.

ZHANG Meng， HU Yamin. Rotary forging technology [M]. Beijing： China Machine Press， 1998：28. （In Chinese）