ZD04四工位转台式专用组合机床及电机端盖同轴度质量控制*

黄桂武

（广东科杰机械自动化有限公司，广东江门 529030）

0 引言

轴承座/端盖通过滚动轴承支承转子驱动电机带动各种执行机构，广泛应用于各种机电产品及装备中，轴承座/端盖关键位置的尺寸精度和形位误差将直接影响轴承的力学性能和使用寿命，进而影响电机的转子系统动力学性能和其拖动执行机构的工作性能和使用寿命[1]。

电机端盖是国内某家用电器龙头企业洗衣机产品中的一个关键零件。原有工艺及装备加工该端盖存在质量不稳定、尺寸离散度大和废品率较高等问题。针对上述问题，本文研制了ZD04四工位回转台式组合机床、专用夹具及工艺，保证了加工精度，大幅提高了生产效率。

1 研究方法及流程

本文研究方法及实施流程如图1所示。

图1 研究流程

2 零件结构及工艺分析

2.1 零件的结构分析

洗衣机电机外观和其端盖结构分别如图2、图3所示。电机盖材质为铝合金精密压铸而成，关键位置有轴承室、编码器安装孔和用于定位的止口和凸台，尺寸精度和位置公差等要求如图4所示。由图可以看出，各加工面都有一定的精度要求，特别是同轴度要求较高。控制电机转子两端轴承安装位置的同轴度，才能保证转子运行平稳，降低电机振动引起噪声，提高电机寿命。

图2 电机外观

图3 055D020电机盖三维图

图4 电机盖尺寸精度及位置公差

2.2 原有零件加工方法

某企业原有电机端盖零件加工方法有两种。

（1）数控车床加工。如图5（a）所示，采用类似三爪卡盘的夹具，人工上、下料，由定位销和工件上的孔实现定位，人工操作螺杆—压板机构实现工件压紧，效率低，质量难以控制。

（2）数控加工中心加工。如图5（b）所示，夹具底座为一大平板，可装夹8个工件，工件由4根顶杆定位，4旋转气缸实现夹紧。工作时人工对8 个工件安放定位→32 个旋转气缸同时夹紧工件→用φ10 mm 铣刀分别加工φ146 mm 孔和4个小凸台→铣削φ32 mm 孔→铣削φ26 mm 孔。特点是加工精度和尺寸稳定性较好，刀具耐用，但生产率较低。

图5 电机盖原加工工艺

3 ZD04四工位回转式专用机床结构设计

3.1 机床结构设计

ZD04 专用机床整体结构为品字型，采用4 工位回转工作台，其中3个加工工位的立柱配有可垂直进给的主轴，如图6所示。采用某企业的JT801数控系统，可实现3个Z轴及回转台等的联动控制[2]。机床主要技术参数如表1所示。

图6 ZD04四工位回转式专用组合机床

表1 ZD04专用组合机床主要技术参数

3.2 夹具的设计

设计的夹具[3]结构如图7 所示，考虑工件结构特点，采用φ146 孔处的4 个止口与凸台平面定位，夹紧力作用点应靠近切削位置，这样既夹紧，又不使薄壁零件产生过大弹性变形，3 个夹紧方案如表2 所示。采用Solidworks Simulation进行有限元分析[4]，对比在不同夹紧方案时工件变形量的大小。端盖材料为6061铝合金精铸件，弹性模量E＝69 GPa，泊松比μ＝0.33，密度ρ＝2.71 g/cm3，最小屈服极限55.2 MPa，极限抗拉强度124 MPa，弯曲极限强度228 MPa。网格划分是按4.5 mm的标准选取。分析结果如表2所示，可知方案Ⅲ的变形量最小。图8所示为方案Ⅲ的夹紧点的具体位置。

图7 端盖夹具三维图

表2 不同装夹方案时轴承安放Z向最大变形量

图8 电机盖变形量有限元分析

由于工件定位面不平整，在其夹紧后会产生变形，加工完成后松开夹具，变形工件回弹，导致精度下降。基于上述原因，本文采用三座标测量仪对定位面的平面度与加工精度（φ146孔的圆度、φ146孔与φ26孔同轴度）相关性进行测试，结果如表3所示。

由表可以看出，定位面的平面度和φ146孔圆度、φ146孔与φ26 孔同轴度的误差成正比。因此，夹具设计时采用4个气缸推动定位顶杆上移压紧工件的结构，如图9所示。考虑定位面存在平面度误差，压紧顶杆上推移动距离不一致，因此，采用具有相同气压的4个独立气缸实现夹紧，保证了工件夹紧稳定、可靠。夹紧原理如图10所示。

表3 毛坯定位夹紧后 mm

图9 方案Ⅲ的夹紧点位置分布

图10 气动夹紧原理图

3.3 工艺初步设计

设计原则：（1）一次装夹，高效、多工步完成零件的加工；（2）采用专用刀具和粗精工步分开，降低了加工表面粗糙度和提高了尺寸精度；（3）采用气动夹紧，节省装夹工件时间[5-6]。工艺参数如表4所示。

表4 初步设计的四工位加工工艺

电机盖专机与夹具完成后，进行产品的试加工过程中，实测零件孔φ146 与孔φ26 同轴度达到0.045 mm，其值超过要求值0.02 mm。同轴度超差会造成电机噪声和振动增大，服役寿命减少。为解决上述问题，对影响同轴度的因素进行分析。

4 电机盖同轴度控制分析

影响电机盖同轴度的因素有以下几点。

（1）ZD04专机装配误差分析

由于4组夹具在工作台面沿直径为φ600 mm的圆成90°紧固。3 根主轴的中心也均布在直径φ600 mm 的圆上，并与夹具设计的加工孔位同轴，如出现错位会直接反映为被加工关键的同轴度误差增大。分析表明，按现有的装配方法只能将主轴的均布精度调整到0.01 mm左右，继续提升极其困难，因此，只能在工艺设计、刀具设计与选用等方面采取措施达到工件的精度要求。

（2）刀具

刀具的跳动也是影响工件同轴度的重要原因之一，采用BT40 刀柄的内藏式主轴，径向跳动可控制在0.003 mm 以内，可满足要求。

（3）回转台精度

衡量回转台关键指标主要是定位精度、重复定位精度和盘面跳动精度。目前市场上的齿式分割旋转台是较成熟的产品，转角定位精度可达4"，重复定位精度为±2"、盘面跳动可控制在±0.02 mm 以内。组合机床上影响工件同轴度的主要是定位精度和重复定位精度。计算表明该两项精度均能满足电机端盖加工精度的要求。

（4）夹具

夹具的夹紧力是一个关键因素，如夹紧力不够，工件会产生微小移动，也可能导致加工时工艺系统会产生颤振，影响工件精度和刀具寿命。

（5）测量误差

该误差与制造误差一样，不可避免，只能减少。因此在测量的时候要尽量采用正确的测量方法和较高精度的测量仪器。

通过以上分析可知，影响同轴度的因素有专机装配误差、液压转台的精度，以及工件装夹变形等。

5 工艺的改进设计

根据上文ZD04专机装配误差分析可知，专机装配精度进一步提高的所需成本太高，且难以实现。因此，只能在工艺、刀具等方面采取措施弥补专机装配精度的不足。研究最终设计的4工位加工工艺如表5所示。

表5 最终设计的四工位加工工艺

表5 中的工位2 采用图11（a）所示的盘形铣刀孔φ146进行粗加工。工位3 采用图11（b）所示的组合刀具进行孔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采用图11（c）所示的组合刀具同时精加工φ146、φ32和φ26孔，可保证3孔同轴度。

图11 组合刀具示意图

在刀具加工到底部时需改变进给速度，并作短暂停留，进行加工表面的光整加工，确保加工精度。

（1）夹紧力的确定

合理的夹紧力是保证加工精度的基础。本文进行了夹紧力的测定，即在加工时，沿工件X、Y和Z三个方向分别安置百分表，通过改变夹紧气缸的气压，观察百分表的变动情况，寻找既能保证工件夹紧，又要控制工件Z 方向变形在许可范围内，避免因夹紧力过大使工件产生变形影响精度。

（2）提高定位面的平面度

上文中已说明了工件加工时的定位面的平面度值与圆度、同轴度的误差成正比。提高定位面的平面度可有效地减少同轴度误差，方法有：（1）通过增加一道工序，即先加工定位面，再利用该定位面进行后续工序的加工；（2）通过提高压铸模精度和优化精密压铸工艺提高铸件表面的平面度。考虑经济性选择了提高精铸质量方法，将工件定位面的平面度控制在一定范围内，可满足质量要求。

表6 专机夹具改进前、后主要性能参数对比

（3）改进检测方法

检测误差与检测工具、检测人员的操作方法有直接关系。本次检测采用的是三次元座标测量仪来检测，所测得的数据是可靠。

经过改进工艺后对加工样品进行了全面测试，全部达到设计要求。目前，针对电机端盖ZD04四工位转台式专用组合机床及及相关工艺已应用于产品的量产。装备、夹具及工艺改进前、后的的主要性能和参数如表6所示。

6 结束语

通过对影响电机端盖同轴度的有关因素进行分析之后，找到了影响同轴度超差的主要原因，并通过对电机端盖工艺进行改进，对夹具夹紧力进行了调整，提高定位基准的平面精度之后，使专机的同轴度超差问题得到了解决，控制在0.025 mm以内，并大幅提高了生产效率，实践证明该解决方案切实可行。目前，该专机及配套加工工艺已投入产品的量产。