一種應用于電動車輪轂的多孔攻絲專機設計

傅成，葉華賽

（浙江今飛機械有限公司，浙江 金華 321025）

0 引言

電動車輪轂的生產流程基本按鑄造→熱處理→機加工→涂裝→檢包的順序進行，為方便涂裝的制造工藝，輪轂的P.C.D孔安排在其后加工。其技術要求如圖1所示。

圖1 電動車輪轂

輪轂外圈由A356鋁合金鑄造成型，內圈鑲嵌Q235嵌件，嵌件在涂裝工藝中不噴涂。在鉆孔攻絲工序中，采用人工作業方式，使用鉆孔工裝，用內孔φ205 mm定位，鉆頭通過工裝上的鉆模孔打到工件上，逐個對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歷多個輪轂加工后，由于鉆頭在進出鉆模過程中與鉆模內壁的摩擦，導致螺紋孔的底徑偏大，在攻絲后位置度也逐漸偏離技術要求。

該款輪轂是電動車后輪產品，嵌件在澆鑄時預置，經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，因此技術要求主要體現在底孔精度和位置度上。為解決這些問題，于是有針對性地設計了一臺鉆孔攻絲專機。

1 方案設計

1.1 提高效率的設計思路

根據出現的問題，總體上設計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。結構上采用組合機床的設計思路，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定，在設計中應考慮兩道工序能通用。控制上應用PLC技術，通過可編程控制器來實現邏輯動作，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用實現對不合格品的控制。這樣的設計就能實現所有被加工孔一次完成，可大批量生產，有效提高生產效率，且生產時實現自動化，發揮機器重復性動作的優勢，穩定孔的加工質量，如圖3所示。

圖3 多孔攻絲專機整體方案

在設計多孔攻絲專機的進給結構上，采用氣動方式，通過氣動系統壓力，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，避免刀具進出鉆模時影響加工孔的位置精度。待電動機啟動后，通過齒輪傳動從傳動軸11同步驅動主軸10，給8根主軸分配相同的動力和轉速。

1.2 質量的技術保障

多孔攻絲專機的操作流程如圖4所示。

圖4 多孔攻絲專機操作流程圖

人工操作的成品，質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，如果檢測到8個攻絲位正常即到底孔的點后，則攻絲電動機開始正向運行，攻絲電動機正轉，以顯示屏的設置值為控制量，達到該值時，電動機即停止。同時攻絲檢測位又要檢測攻絲是否到位，否則下一步動作不會繼續，延時0.5 s后，進給電動機和攻絲電動機即反轉，進給電動機反轉，以顯示屏的設置值為控制量，達到該值時電動機即停止。如果有未攻絲孔，則PLC控制的報警燈就會報警，這樣就可以避免有孔漏攻絲的情況發生，也可以解決螺紋深度不夠的問題。

2 主要零部件設計

2.1 多軸箱傳動設計

根據加工零件的要求，需加工分布在φ212 mm圓上的8-M5的螺紋孔，設計一中間傳動軸在圓心位置，8根主軸均布在φ212 mm圓上，如圖5所示。

圖5 多軸箱傳動布局

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

依據機械加工工藝，M5螺紋孔底孔為φ4.2 mm，切削線速度v=20 m/min，進給量f=0.13 mm/rad[1]，則計算主軸轉速n=1000v/（πD），得n=1516 rad/min，普通電動機轉速為1400 rad/min，則總傳動比約為1.08。分配箱外V帶傳動比2.30，依據機械設計手冊選取A型帶輪，小帶輪直徑d=70 mm，大帶輪直徑D=160 mm[2]。核算真實主軸轉速為1504 rad/min，按金屬機械加工工藝核實切削功率為1.3 kW,選取電動機功率為1.5 kW，型號為Y90L-4[3]。

2.2 主軸結構設計

由于零件待加工孔位置度由在壓板上的鉆模確定，在主軸進給時應避免制造零件的加工誤差帶給鉆模的定位影響，在主軸結構設計中采用內外雙軸結構，如圖6所示。

圖6 主軸結構

主軸能在主軸套中自由滑動，下端與標準件夾頭配合，軸中開銷孔，安裝傳動銷，傳遞主軸與主軸套之間的動力。主軸套兩端安裝軸承，套身開滑動槽，長度與加工孔的深度相匹配，通過限制傳動銷的運動范圍從而保證主軸在加工過程中深度的準確性。

在工件定位后，氣缸上推，工件夾緊，同時軸套上的彈簧被壓縮，為攻絲提供了起始向下的預壓力。在攻絲時，絲錐的結構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，經預壓后傳感器能感應到位置信號，隨著攻絲的進行脫離傳感器的感應范圍，即表明攻絲按設定要求完成。

2.3 夾具配套設計

根據零件圖加工要求保證各個孔的位置度及孔深，應限制工件的6個自由度，即工件需要完全定位。先選定A面作為主要定位基準面，與夾具的定位圓盤接觸，限制工件的X、Y軸的轉動及Z軸的移動，再通過輪轂φ205 mm內圓，及φ4.2 mm孔作為定位孔，來限制工件的其他3個自由度，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，夾緊力的方向應指向主要定位基準，使工件緊緊靠在支撐元件上，有利于減小所需的壓力；作用點應落在剛度較好的位置點上，并盡量靠近被加工處，以減少切削力和夾持力對工件的變形量。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，夾緊力的大小應克服壓板整個工作平臺的重力、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，根據工件的定位、限位、夾緊機構及刀具導向等方面要求，設計夾具零件如圖8所示。

圖8 夾具主要配件

當工件鉆孔時，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，而在工件反面鉆孔時，試沿圓周方向轉動輪轂，讓定位銷進入已鉆孔，固定位置時表明正反兩面孔的角度錯開了22.5°。此時處于檢測孔6位置的傳感器檢測到輪轂已裝夾到位，發出信號給PLC控制機器開始工作。

夾具的鉆套是關鍵零件，不僅應根據工件的加工要求、形狀和大小，還應考慮使用的機床以及生產的批量，經濟合理地設計鉆套[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,內徑公差選取間隙配合，外徑公差選取過盈配合[5]。在實際使用過程中，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結論

綜上所述，本文闡述了多孔攻絲機的設計思想和實現方案，對多孔攻絲機的功能及結構進行了分析。該專機在開發完成后進行運行測試，產品每小時產量由原來人工30～40個提升到250～300個，生產效率提升了7～8倍。產品的質量由原先基本每個月收到客戶投訴到投入使用6個月內無孔問題反饋，明顯提升了產品的品質。

多孔攻絲機非常適合各種多孔產品，能夠在保障質量的前提下提高產量，還能減輕員工的勞動強度，降低企業生產成本。在理解電動車輪轂多孔加工的思路和關鍵技術后，也同樣能在其他多孔加工場合得到應用。