一種應(yīng)用于電動(dòng)車輪轂的多孔攻絲專機(jī)設(shè)計(jì)

傅成，葉華賽

（浙江今飛機(jī)械有限公司，浙江 金華 321025）

0 引言

電動(dòng)車輪轂的生產(chǎn)流程基本按鑄造→熱處理→機(jī)加工→涂裝→檢包的順序進(jìn)行，為方便涂裝的制造工藝，輪轂的P.C.D孔安排在其后加工。其技術(shù)要求如圖1所示。

圖1 電動(dòng)車輪轂

輪轂外圈由A356鋁合金鑄造成型，內(nèi)圈鑲嵌Q235嵌件，嵌件在涂裝工藝中不噴涂。在鉆孔攻絲工序中，采用人工作業(yè)方式，使用鉆孔工裝，用內(nèi)孔φ205 mm定位，鉆頭通過工裝上的鉆?？状虻焦ぜ希饌€(gè)對(duì)8-M5螺紋孔先打底孔再攻絲，如圖2所示。

圖2 鉆孔工裝

這樣的生產(chǎn)方式效率偏低，而且在孔的深度方向上不能保障一致性，鉆孔工裝上的鉆模在經(jīng)歷多個(gè)輪轂加工后，由于鉆頭在進(jìn)出鉆模過程中與鉆模內(nèi)壁的摩擦，導(dǎo)致螺紋孔的底徑偏大，在攻絲后位置度也逐漸偏離技術(shù)要求。

該款輪轂是電動(dòng)車后輪產(chǎn)品，嵌件在澆鑄時(shí)預(yù)置，經(jīng)鉆孔成型后最薄壁厚處為1 mm，與輪型鋁合金最薄壁厚為0.5 mm，因此技術(shù)要求主要體現(xiàn)在底孔精度和位置度上。為解決這些問題，于是有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了一臺(tái)鉆孔攻絲專機(jī)。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 提高效率的設(shè)計(jì)思路

根據(jù)出現(xiàn)的問題，總體上設(shè)計(jì)一種能多孔一起加工的，能有效避免人工操作過程中的遺漏情況。結(jié)構(gòu)上采用組合機(jī)床的設(shè)計(jì)思路，鉆孔與攻絲兩道工序分開，工件需要一套夾具能保持空間穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮兩道工序能通用。控制上應(yīng)用PLC技術(shù)，通過可編程控制器來實(shí)現(xiàn)邏輯動(dòng)作，解除人為不確定因素帶給品控的干擾，也方便通過傳感器的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)不合格品的控制。這樣的設(shè)計(jì)就能實(shí)現(xiàn)所有被加工孔一次完成，可大批量生產(chǎn)，有效提高生產(chǎn)效率，且生產(chǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，發(fā)揮機(jī)器重復(fù)性動(dòng)作的優(yōu)勢(shì)，穩(wěn)定孔的加工質(zhì)量，如圖3所示。

圖3 多孔攻絲專機(jī)整體方案

在設(shè)計(jì)多孔攻絲專機(jī)的進(jìn)給結(jié)構(gòu)上，采用氣動(dòng)方式，通過氣動(dòng)系統(tǒng)壓力，給夾具底板5始終向上的力，并通過夾緊壓板6緊固輪轂13工件。鉆頭始終在夾緊壓板6的鉆模中，避免刀具進(jìn)出鉆模時(shí)影響加工孔的位置精度。待電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，通過齒輪傳動(dòng)從傳動(dòng)軸11同步驅(qū)動(dòng)主軸10，給8根主軸分配相同的動(dòng)力和轉(zhuǎn)速。

1.2 質(zhì)量的技術(shù)保障

多孔攻絲專機(jī)的操作流程如圖4所示。

圖4 多孔攻絲專機(jī)操作流程圖

人工操作的成品，質(zhì)量問題集中在漏攻孔和螺紋深度不夠，且這樣的情況不能根本性杜絕。因此在攻絲主軸上安裝接近開關(guān)，如果檢測(cè)到8個(gè)攻絲位正常即到底孔的點(diǎn)后，則攻絲電動(dòng)機(jī)開始正向運(yùn)行，攻絲電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，以顯示屏的設(shè)置值為控制量，達(dá)到該值時(shí)，電動(dòng)機(jī)即停止。同時(shí)攻絲檢測(cè)位又要檢測(cè)攻絲是否到位，否則下一步動(dòng)作不會(huì)繼續(xù)，延時(shí)0.5 s后，進(jìn)給電動(dòng)機(jī)和攻絲電動(dòng)機(jī)即反轉(zhuǎn)，進(jìn)給電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，以顯示屏的設(shè)置值為控制量，達(dá)到該值時(shí)電動(dòng)機(jī)即停止。如果有未攻絲孔，則PLC控制的報(bào)警燈就會(huì)報(bào)警，這樣就可以避免有孔漏攻絲的情況發(fā)生，也可以解決螺紋深度不夠的問題。

2 主要零部件設(shè)計(jì)

2.1 多軸箱傳動(dòng)設(shè)計(jì)

根據(jù)加工零件的要求，需加工分布在φ212 mm圓上的8-M5的螺紋孔，設(shè)計(jì)一中間傳動(dòng)軸在圓心位置，8根主軸均布在φ212 mm圓上，如圖5所示。

圖5 多軸箱傳動(dòng)布局

由圖5可知，主軸齒輪分度圓最大為φ77.13 mm，傳動(dòng)比約為2，考慮與九孔產(chǎn)品的通用性，向下圓整得φ68 mm，則傳動(dòng)軸上齒輪分度圓為φ144 mm。

依據(jù)機(jī)械加工工藝，M5螺紋孔底孔為φ4.2 mm，切削線速度v=20 m/min，進(jìn)給量f=0.13 mm/rad[1]，則計(jì)算主軸轉(zhuǎn)速n=1000v/（πD），得n=1516 rad/min，普通電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1400 rad/min，則總傳動(dòng)比約為1.08。分配箱外V帶傳動(dòng)比2.30，依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選取A型帶輪，小帶輪直徑d=70 mm，大帶輪直徑D=160 mm[2]。核算真實(shí)主軸轉(zhuǎn)速為1504 rad/min，按金屬機(jī)械加工工藝核實(shí)切削功率為1.3 kW,選取電動(dòng)機(jī)功率為1.5 kW，型號(hào)為Y90L-4[3]。

2.2 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于零件待加工孔位置度由在壓板上的鉆模確定，在主軸進(jìn)給時(shí)應(yīng)避免制造零件的加工誤差帶給鉆模的定位影響，在主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用內(nèi)外雙軸結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 主軸結(jié)構(gòu)

主軸能在主軸套中自由滑動(dòng)，下端與標(biāo)準(zhǔn)件夾頭配合，軸中開銷孔，安裝傳動(dòng)銷，傳遞主軸與主軸套之間的動(dòng)力。主軸套兩端安裝軸承，套身開滑動(dòng)槽，長(zhǎng)度與加工孔的深度相匹配，通過限制傳動(dòng)銷的運(yùn)動(dòng)范圍從而保證主軸在加工過程中深度的準(zhǔn)確性。

在工件定位后，氣缸上推，工件夾緊，同時(shí)軸套上的彈簧被壓縮，為攻絲提供了起始向下的預(yù)壓力。在攻絲時(shí)，絲錐的結(jié)構(gòu)特性決定攻絲深度小于鉆孔深度，因此在主軸上方安裝位置傳感器，經(jīng)預(yù)壓后傳感器能感應(yīng)到位置信號(hào)，隨著攻絲的進(jìn)行脫離傳感器的感應(yīng)范圍，即表明攻絲按設(shè)定要求完成。

2.3 夾具配套設(shè)計(jì)

根據(jù)零件圖加工要求保證各個(gè)孔的位置度及孔深，應(yīng)限制工件的6個(gè)自由度，即工件需要完全定位。先選定A面作為主要定位基準(zhǔn)面，與夾具的定位圓盤接觸，限制工件的X、Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)及Z軸的移動(dòng)，再通過輪轂φ205 mm內(nèi)圓，及φ4.2 mm孔作為定位孔，來限制工件的其他3個(gè)自由度，即“一面兩銷”的定位，如圖7所示。

圖7 零件定位方案圖

A

選擇夾緊力時(shí)，夾緊力的方向應(yīng)指向主要定位基準(zhǔn)，使工件緊緊靠在支撐元件上，有利于減小所需的壓力；作用點(diǎn)應(yīng)落在剛度較好的位置點(diǎn)上，并盡量靠近被加工處，以減少切削力和夾持力對(duì)工件的變形量。綜合以上考慮，夾緊力方向垂直于工件A面，而且是工件剛度最好的方向。選定方向后，夾緊力的大小應(yīng)克服壓板整個(gè)工作平臺(tái)的重力、輪轂工件的自重、壓簧的彈力和切削力的軸向分立，按氣缸理論推力估算選定氣缸缸徑為φ100 mm。

工件的輪廓尺寸和形狀是確定夾具底座及夾緊壓板的基本依據(jù)，根據(jù)工件的定位、限位、夾緊機(jī)構(gòu)及刀具導(dǎo)向等方面要求，設(shè)計(jì)夾具零件如圖8所示。

圖8 夾具主要配件

當(dāng)工件鉆孔時(shí)，放置于夾具底板上的輪轂壓著定位銷，使彈簧處于壓縮狀態(tài)，而在工件反面鉆孔時(shí)，試沿圓周方向轉(zhuǎn)動(dòng)輪轂，讓定位銷進(jìn)入已鉆孔，固定位置時(shí)表明正反兩面孔的角度錯(cuò)開了22.5°。此時(shí)處于檢測(cè)孔6位置的傳感器檢測(cè)到輪轂已裝夾到位，發(fā)出信號(hào)給PLC控制機(jī)器開始工作。

夾具的鉆套是關(guān)鍵零件，不僅應(yīng)根據(jù)工件的加工要求、形狀和大小，還應(yīng)考慮使用的機(jī)床以及生產(chǎn)的批量，經(jīng)濟(jì)合理地設(shè)計(jì)鉆套[4]，如圖9所示。

圖9 鉆套

鉆套材料按GB/T 1298碳素工具鋼選取T10A，熱處理后硬度為58～64 HRC,內(nèi)徑公差選取間隙配合，外徑公差選取過盈配合[5]。在實(shí)際使用過程中，考慮到切削冷卻液的使用，在鉆套上用線切割加工7-R0.7和0.2 mm槽。

3結(jié)論

綜上所述，本文闡述了多孔攻絲機(jī)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)多孔攻絲機(jī)的功能及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。該專機(jī)在開發(fā)完成后進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，產(chǎn)品每小時(shí)產(chǎn)量由原來人工30～40個(gè)提升到250～300個(gè)，生產(chǎn)效率提升了7～8倍。產(chǎn)品的質(zhì)量由原先基本每個(gè)月收到客戶投訴到投入使用6個(gè)月內(nèi)無孔問題反饋，明顯提升了產(chǎn)品的品質(zhì)。

多孔攻絲機(jī)非常適合各種多孔產(chǎn)品，能夠在保障質(zhì)量的前提下提高產(chǎn)量，還能減輕員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。在理解電動(dòng)車輪轂多孔加工的思路和關(guān)鍵技術(shù)后，也同樣能在其他多孔加工場(chǎng)合得到應(yīng)用。