黃桂武

（廣東科杰機(jī)械自動化有限公司，廣東江門 529030）

0 引言

軸承座/端蓋通過滾動軸承支承轉(zhuǎn)子驅(qū)動電機(jī)帶動各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)電產(chǎn)品及裝備中，軸承座/端蓋關(guān)鍵位置的尺寸精度和形位誤差將直接影響軸承的力學(xué)性能和使用壽命，進(jìn)而影響電機(jī)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)性能和其拖動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作性能和使用壽命[1]。

電機(jī)端蓋是國內(nèi)某家用電器龍頭企業(yè)洗衣機(jī)產(chǎn)品中的一個關(guān)鍵零件。原有工藝及裝備加工該端蓋存在質(zhì)量不穩(wěn)定、尺寸離散度大和廢品率較高等問題。針對上述問題，本文研制了ZD04四工位回轉(zhuǎn)臺式組合機(jī)床、專用夾具及工藝，保證了加工精度，大幅提高了生產(chǎn)效率。

1 研究方法及流程

本文研究方法及實施流程如圖1所示。

圖1 研究流程

2 零件結(jié)構(gòu)及工藝分析

2.1 零件的結(jié)構(gòu)分析

洗衣機(jī)電機(jī)外觀和其端蓋結(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3所示。電機(jī)蓋材質(zhì)為鋁合金精密壓鑄而成，關(guān)鍵位置有軸承室、編碼器安裝孔和用于定位的止口和凸臺，尺寸精度和位置公差等要求如圖4所示。由圖可以看出，各加工面都有一定的精度要求，特別是同軸度要求較高。控制電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端軸承安裝位置的同軸度，才能保證轉(zhuǎn)子運行平穩(wěn)，降低電機(jī)振動引起噪聲，提高電機(jī)壽命。

圖2 電機(jī)外觀

圖3 055D020電機(jī)蓋三維圖

圖4 電機(jī)蓋尺寸精度及位置公差

2.2 原有零件加工方法

某企業(yè)原有電機(jī)端蓋零件加工方法有兩種。

（1）數(shù)控車床加工。如圖5（a）所示，采用類似三爪卡盤的夾具，人工上、下料，由定位銷和工件上的孔實現(xiàn)定位，人工操作螺桿—壓板機(jī)構(gòu)實現(xiàn)工件壓緊，效率低，質(zhì)量難以控制。

（2）數(shù)控加工中心加工。如圖5（b）所示，夾具底座為一大平板，可裝夾8個工件，工件由4根頂桿定位，4旋轉(zhuǎn)氣缸實現(xiàn)夾緊。工作時人工對8 個工件安放定位→32 個旋轉(zhuǎn)氣缸同時夾緊工件→用φ10 mm 銑刀分別加工φ146 mm 孔和4個小凸臺→銑削φ32 mm 孔→銑削φ26 mm 孔。特點是加工精度和尺寸穩(wěn)定性較好，刀具耐用，但生產(chǎn)率較低。

圖5 電機(jī)蓋原加工工藝

3 ZD04四工位回轉(zhuǎn)式專用機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計

ZD04 專用機(jī)床整體結(jié)構(gòu)為品字型，采用4 工位回轉(zhuǎn)工作臺，其中3個加工工位的立柱配有可垂直進(jìn)給的主軸，如圖6所示。采用某企業(yè)的JT801數(shù)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)3個Z軸及回轉(zhuǎn)臺等的聯(lián)動控制[2]。機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖6 ZD04四工位回轉(zhuǎn)式專用組合機(jī)床

表1 ZD04專用組合機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)

3.2 夾具的設(shè)計

設(shè)計的夾具[3]結(jié)構(gòu)如圖7 所示，考慮工件結(jié)構(gòu)特點，采用φ146 孔處的4 個止口與凸臺平面定位，夾緊力作用點應(yīng)靠近切削位置，這樣既夾緊，又不使薄壁零件產(chǎn)生過大彈性變形，3 個夾緊方案如表2 所示。采用Solidworks Simulation進(jìn)行有限元分析[4]，對比在不同夾緊方案時工件變形量的大小。端蓋材料為6061鋁合金精鑄件，彈性模量E＝69 GPa，泊松比μ＝0.33，密度ρ＝2.71 g/cm3，最小屈服極限55.2 MPa，極限抗拉強(qiáng)度124 MPa，彎曲極限強(qiáng)度228 MPa。網(wǎng)格劃分是按4.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)選取。分析結(jié)果如表2所示，可知方案Ⅲ的變形量最小。圖8所示為方案Ⅲ的夾緊點的具體位置。

圖7 端蓋夾具三維圖

表2 不同裝夾方案時軸承安放Z向最大變形量

圖8 電機(jī)蓋變形量有限元分析

由于工件定位面不平整，在其夾緊后會產(chǎn)生變形，加工完成后松開夾具，變形工件回彈，導(dǎo)致精度下降?；谏鲜鲈?，本文采用三座標(biāo)測量儀對定位面的平面度與加工精度（φ146孔的圓度、φ146孔與φ26孔同軸度）相關(guān)性進(jìn)行測試，結(jié)果如表3所示。

由表可以看出，定位面的平面度和φ146孔圓度、φ146孔與φ26 孔同軸度的誤差成正比。因此，夾具設(shè)計時采用4個氣缸推動定位頂桿上移壓緊工件的結(jié)構(gòu)，如圖9所示?？紤]定位面存在平面度誤差，壓緊頂桿上推移動距離不一致，因此，采用具有相同氣壓的4個獨立氣缸實現(xiàn)夾緊，保證了工件夾緊穩(wěn)定、可靠。夾緊原理如圖10所示。

表3 毛坯定位夾緊后 mm

圖9 方案Ⅲ的夾緊點位置分布

圖10 氣動夾緊原理圖

3.3 工藝初步設(shè)計

設(shè)計原則：（1）一次裝夾，高效、多工步完成零件的加工；（2）采用專用刀具和粗精工步分開，降低了加工表面粗糙度和提高了尺寸精度；（3）采用氣動夾緊，節(jié)省裝夾工件時間[5-6]。工藝參數(shù)如表4所示。

表4 初步設(shè)計的四工位加工工藝

電機(jī)蓋專機(jī)與夾具完成后，進(jìn)行產(chǎn)品的試加工過程中，實測零件孔φ146 與孔φ26 同軸度達(dá)到0.045 mm，其值超過要求值0.02 mm。同軸度超差會造成電機(jī)噪聲和振動增大，服役壽命減少。為解決上述問題，對影響同軸度的因素進(jìn)行分析。

4 電機(jī)蓋同軸度控制分析

影響電機(jī)蓋同軸度的因素有以下幾點。

（1）ZD04專機(jī)裝配誤差分析

由于4組夾具在工作臺面沿直徑為φ600 mm的圓成90°緊固。3 根主軸的中心也均布在直徑φ600 mm 的圓上，并與夾具設(shè)計的加工孔位同軸，如出現(xiàn)錯位會直接反映為被加工關(guān)鍵的同軸度誤差增大。分析表明，按現(xiàn)有的裝配方法只能將主軸的均布精度調(diào)整到0.01 mm左右，繼續(xù)提升極其困難，因此，只能在工藝設(shè)計、刀具設(shè)計與選用等方面采取措施達(dá)到工件的精度要求。

（2）刀具

刀具的跳動也是影響工件同軸度的重要原因之一，采用BT40 刀柄的內(nèi)藏式主軸，徑向跳動可控制在0.003 mm 以內(nèi)，可滿足要求。

（3）回轉(zhuǎn)臺精度

衡量回轉(zhuǎn)臺關(guān)鍵指標(biāo)主要是定位精度、重復(fù)定位精度和盤面跳動精度。目前市場上的齒式分割旋轉(zhuǎn)臺是較成熟的產(chǎn)品，轉(zhuǎn)角定位精度可達(dá)4"，重復(fù)定位精度為±2"、盤面跳動可控制在±0.02 mm 以內(nèi)。組合機(jī)床上影響工件同軸度的主要是定位精度和重復(fù)定位精度。計算表明該兩項精度均能滿足電機(jī)端蓋加工精度的要求。

（4）夾具

夾具的夾緊力是一個關(guān)鍵因素，如夾緊力不夠，工件會產(chǎn)生微小移動，也可能導(dǎo)致加工時工藝系統(tǒng)會產(chǎn)生顫振，影響工件精度和刀具壽命。

（5）測量誤差

該誤差與制造誤差一樣，不可避免，只能減少。因此在測量的時候要盡量采用正確的測量方法和較高精度的測量儀器。

通過以上分析可知，影響同軸度的因素有專機(jī)裝配誤差、液壓轉(zhuǎn)臺的精度，以及工件裝夾變形等。

5 工藝的改進(jìn)設(shè)計

根據(jù)上文ZD04專機(jī)裝配誤差分析可知，專機(jī)裝配精度進(jìn)一步提高的所需成本太高，且難以實現(xiàn)。因此，只能在工藝、刀具等方面采取措施彌補(bǔ)專機(jī)裝配精度的不足。研究最終設(shè)計的4工位加工工藝如表5所示。

表5 最終設(shè)計的四工位加工工藝

表5 中的工位2 采用圖11（a）所示的盤形銑刀孔φ146進(jìn)行粗加工。工位3 采用圖11（b）所示的組合刀具進(jìn)行孔φ32 和φ26的粗加工，以上加工后均留有0.1 mm的精加工裕量。工位4采用圖11（c）所示的組合刀具同時精加工φ146、φ32和φ26孔，可保證3孔同軸度。

圖11 組合刀具示意圖

在刀具加工到底部時需改變進(jìn)給速度，并作短暫停留，進(jìn)行加工表面的光整加工，確保加工精度。

（1）夾緊力的確定

合理的夾緊力是保證加工精度的基礎(chǔ)。本文進(jìn)行了夾緊力的測定，即在加工時，沿工件X、Y和Z三個方向分別安置百分表，通過改變夾緊氣缸的氣壓，觀察百分表的變動情況，尋找既能保證工件夾緊，又要控制工件Z 方向變形在許可范圍內(nèi)，避免因夾緊力過大使工件產(chǎn)生變形影響精度。

（2）提高定位面的平面度

上文中已說明了工件加工時的定位面的平面度值與圓度、同軸度的誤差成正比。提高定位面的平面度可有效地減少同軸度誤差，方法有：（1）通過增加一道工序，即先加工定位面，再利用該定位面進(jìn)行后續(xù)工序的加工；（2）通過提高壓鑄模精度和優(yōu)化精密壓鑄工藝提高鑄件表面的平面度?？紤]經(jīng)濟(jì)性選擇了提高精鑄質(zhì)量方法，將工件定位面的平面度控制在一定范圍內(nèi)，可滿足質(zhì)量要求。

表6 專機(jī)夾具改進(jìn)前、后主要性能參數(shù)對比

（3）改進(jìn)檢測方法

檢測誤差與檢測工具、檢測人員的操作方法有直接關(guān)系。本次檢測采用的是三次元座標(biāo)測量儀來檢測，所測得的數(shù)據(jù)是可靠。

經(jīng)過改進(jìn)工藝后對加工樣品進(jìn)行了全面測試，全部達(dá)到設(shè)計要求。目前，針對電機(jī)端蓋ZD04四工位轉(zhuǎn)臺式專用組合機(jī)床及及相關(guān)工藝已應(yīng)用于產(chǎn)品的量產(chǎn)。裝備、夾具及工藝改進(jìn)前、后的的主要性能和參數(shù)如表6所示。

6 結(jié)束語

通過對影響電機(jī)端蓋同軸度的有關(guān)因素進(jìn)行分析之后，找到了影響同軸度超差的主要原因，并通過對電機(jī)端蓋工藝進(jìn)行改進(jìn)，對夾具夾緊力進(jìn)行了調(diào)整，提高定位基準(zhǔn)的平面精度之后，使專機(jī)的同軸度超差問題得到了解決，控制在0.025 mm以內(nèi)，并大幅提高了生產(chǎn)效率，實踐證明該解決方案切實可行。目前，該專機(jī)及配套加工工藝已投入產(chǎn)品的量產(chǎn)。