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洗衣机内筒轴加工工艺研究

摘要:洗衣机内筒轴是滚筒洗衣机传动的关键核心零件之一,不同厂家设计的结构有一定差异,生产批量较大,对于不同类型的生产企业,其加工工艺也有很大不同,只有分析合理利用现有资源,实现工艺的最佳优化才能实现产能、效率、经济性的多重目标。本文根据企业现状,分析优化洗衣机内筒轴加工工艺,合理调配资源、选择专用设备与工艺装备,解决相关工艺难点。

关键词:加工工艺;洗衣机内筒轴;优化;产能效率

1零件概述

1.1零件基本情况。洗衣机内筒轴,它与洗衣机滚筒支架相连,支架为压铸铝合金件,压铸时将内筒轴放入压铸机,将支架与内筒轴压铸为一个整体。轴的另一端与皮带轮相连,或者与洗衣机电机直联,传递扭矩;轴由两个配合的轴承固定在轴承座上。支架结构如下图1所示。1.2零件结构要求。洗衣机内筒轴是典型的轴类零件,不同厂家的具体尺寸、设计思路、工艺要求会有所不同,但大致可以分成几个部分,零件结构如图2所示。零件左端为滚花区域,有的产品也会要求铣出一段扁,滚花铣扁的目的是为了增加与压铸支架之间的接触面积,保证连接的强度,提高扭矩输出承载能力。滚花右侧为不锈钢压套,洗衣机工作过程中套上防尘密封圈,不锈钢目的是为了防锈。内筒轴中段主要是轴承档外圆,通过滚动轴承进行支承,保证高速旋转时的跳动精度,减少噪音,提高洗衣机整机寿命。内筒轴最右端一般是铣扁、内螺纹或花键,用于安装皮带轮或内花键电机,要求对称度好,螺纹深度要控制。

2工艺分析

该类零件是洗衣机内部传动支承的关键零件,高速旋转,传递扭矩,工作环境恶劣,有水气、灰尘,既要正反旋转,承受交变力矩,还要保证回转精度,以减少噪音、达到要求的疲劳极限。所以该类零件尺寸精度、几何精度要求高,零件的主要技术要求分析如下。2.1压花处要求。压花要符合国标GB/T6403.3-2008,同时还要保证必须光滑,平均压花2.5±0.3mm,椭圆度要求符合ISO075-2,与轴中心比较最大斜度为4°,有的是有斜度的压花,中间铣扁。2.2轴承档外圆。轴承档外圆尺寸精度一般为-0.007~0.02mm,有的型号公差为0.007~0.008mm之间,表面粗糙度为Ra0.8,圆度要求0.004~0.007mm,两档外圆之间的同轴度为Φ0.03mm,表面一般需要高频淬火处理,淬火硬度为50±5HRC,淬火厚度为1±0.5mm。2.3花键要求。渐开线花键符合国标GB/T3478.1-1995,与轴承档外圆的轴心线跳动精度0.15mm,花键深度公差为0.5mm,控制跨棒距、公法线、齿向齿廓偏差等。2.4螺纹。通常为内螺纹,也有的型号为外螺纹,深度精度为±0.1mm,与轴承档外圆的轴心线跳动同轴度0.2mm,控制螺纹的中径。2.5其他要求。各档轴之间的过渡槽、圆角倒角都有具体要求,圆滑过度,长度方向误差为±0.1~0.2mm,未注公差为±0.3mm,未注角度公差±0.5°。除了指定表面硬度要求外,其他表面硬度为200~230HBW。2.6轴套要求。轴套加工后压入内筒轴,轴套外圆同轴度为0.02mm,轴套端面与轴承档外圆端面垂直度为0.05mm,表面粗糙为Ra0.4mm,有一条斜边,重点控制表面粗糙度Ra=0.5mm,内孔与轴为过盈配合,压铸时保证轴套不能松动或移位,要有足够的强度。

3工艺难点

综合以上对洗衣机内筒轴的结构功能、技术要求、工艺分析,需要进行工艺革新的难点大致如下。(1)工件的生产纲领是大批量生产,安排工艺过程必须精简有效,避免不必要的工序,而要保证生产效率、加工精度、生产成本,慎重对待每一个技术尺寸要求,合理安排工序。(2)轴承档的外圆尺寸精度高,一般公差都在0.008mm,表面粗糙度值小,一般需要外圆磨床或以车代磨处理。(3)轴承档外圆一般需要表面高频淬火,保证硬度与深度指标,该项处理为表面热处理,保证大批量生产质量的稳定性存在很大难度,工艺不稳定。(4)轴套材料一般为304不锈钢或者2Cr13,马氏体不锈钢,它有磁性,热处理硬度好。需要保证压套过盈量,确保承受压铸时巨大的推力,圆度、垂直度都有要求,2Cr13材料的压套表面需要进行表面淬火处理,有两种材质需要同时进行表面高频淬火,增加了表面处理的难度,特别是稳定性。(5)螺纹不仅有中径要求,还有深度要求。有沉头孔,同轴度要求高。(6)台阶过渡细节很多,怎样加工避免不必要的毛刺,去除去毛刺工序。(7)每个工序使用什么样的刀具,满足每个工位2000件以上的产量,保证质量稳定可靠。(8)采取哪些工艺改进、选择哪些装备、工具实现车端面、打中心孔、钻孔、攻丝、渐开线花键、粗精车外圆、铣扁、磨削外圆这些关键加工步骤的的效率提升,提高产能,人员雇佣率的下降。(9)如何管理生产现场,进行有效的质量管理,使用合理的检测量具,提高检测效率、严格把控生产质量,提升相应的过程能力CPK等指标,通过产品厂家对供应商的审核。(10)如何调配好设备资源,以最少的投入,换来最佳经济效益,实现公司自由现金流的最大化。

4工艺优化

工艺优化本身是一个相对的概念,主要遵循工艺的适合性,投入成本低、易于实现,快速提高产能,降低生产成本,质量保证稳定、提升产品性能等一些基本原则,只有做相应的比较才能说明。洗衣机内筒轴是一个大众型机械加工产品,不同类型的厂家加工工艺有着很大差异,甚至不同的加工工艺之间存在相互矛盾。本文主要根据对公司为小型加工制造企业,装备普通设备,适当投入,紧跟市场新工艺思维,展开适当的改进,较好的解决了很多工艺难点,现将主要的工艺优化总结如下。(1)毛坯选择。内筒轴的材料为45钢,毛坯如果选择普通棒料,缺点有:①普通棒料表面有氧化层,存在圆度误差,不便于后续数控车床弹簧夹套的装夹,装夹效率、质量稳定性不高。②外圆尺寸都是走下差,要保证外径,必须加大材料毛坯直径,增加了原材料成本。现采用冷拉的棒料,优点有:①外圆直径根据零件的具体要求定制,尺寸误差为0.1mm,而且圆度好,便于快速稳定装夹。②尺寸为最大零件尺寸,不需要车削,减少了工序时间,节约成本。当然每吨的单价增加几百元,最后一段还有料头,带有锥度,有很深的夹痕,比需求尺寸小,不能使用,最多能作为料头使用,但相对于普通棒料,材料成本、工艺优化的生产成本大幅度降低。(2)车端面打中心孔。原先车端面打中心孔主要采用仪表车床实现,采用仪表车床的理由有投资成本低、对工人的技术要求不高、设备简单、维护成本低等,但是缺点在现代大批量生产中缺陷很明显,如生产效率低、人员占用率高、严重制约产能提高。要想大幅度提升产能,只能更换工艺实现方式,现将仪表车床更换成车端面打中心孔专用机床,它可完成自动送料、装夹、定位、端面车削、中心孔钻削这些工艺动作,加工时间比仪表车床大大减少,而且动作连续、稳定性好,生产效率从原先每天800件增加到2000件以上,基本两台设备只需一人供量、调试、检测。端面车削量、中心孔深度都可灵活调整,保证轴的总长。对于螺纹孔沉头部分要求,定制成形中心钻,一次加工成形,并且为后续钻孔攻丝、两顶尖装夹做好定位基准。成形刀具及螺纹沉头孔如图3所示。(3)两顶尖车削装夹改进。轴类零件采用两顶尖装夹,符合加工工艺中基准重合、基准统一原则,提高产品质量及稳定性。传统的顶尖装夹工件大都采用鸡心夹头装夹工件,与车床的拨盘配合,以便传递扭矩,这种装夹方式在大批量快速加工工艺角度看,鸡心夹头卡箍装夹效率低下,机床利用率严重不足,工艺改进后将主轴顶尖改成端面驱动顶尖,俗称桃子顶尖。该顶尖的工作原理是弹性的顶尖定位轴心线,利用尾座顶尖的推力,将工件的左端面压在桃子顶尖的驱动卡爪上,驱动工件,既能实现长度方向定位,又能实现扭矩传递,装夹效率提高3倍以上,装夹示意图如图4所示。但是采用桃子顶尖也有一些缺点,如定位精度没有普通死顶尖精度高,使用一段时间后会出现磨损,降低驱动力,又会由于磨损程度不一,导致工件出现定位扭曲,影响同轴度、圆度、跳动这些关键几何精度,经过不断摸索,总结了几个经验如下:①新安装一个顶尖或顶尖有磨损时,用车刀进行少量车削,一般车削背吃刀量为0.05~0.1mm,刀具锋利、走刀量减少,以便将顶尖修正。②当驱动爪磨损后进行必要的修整,具体要求是先磨平端面,然后再修整成线状,同时通过观察轴端面的压痕,要保证每根线清晰均匀,确保驱动力对称稳定,不产生轴线扭曲,如果不达标还可重新修整。效果如下图5所示。③严格执行首件检测、中间经常抽测工艺记录,及时掌握跳动数据,合理进行顶尖更换与修整。(4)钻孔攻丝工序改进。最初钻孔攻丝通常的加工方法是利用钻床、台式攻丝机进行,并且通过使用快速虎钳及改装虎钳钳口,V形定位,改进钻床、攻丝机电路,增加行程控制进行孔深、攻丝深度的控制,集中工位,实现压缩空气、切削液喷淋、过滤、收集的集中处理,使得区域集中,多台设备同时工作等几个方面的工艺改进,效率确实有了提升,设备利用率提高。但是在整个轴生产工序中,该钻孔、攻丝要由两台设备完成,进行两次装夹,人员占用率高的缺点明显。经过市场调研,现使用钻孔、攻丝专用机床,机床是双工位,每个工位四个工步联动,钻孔、攻丝、吹起、装夹更换零件同时进行,产能从每个工位500件猛增至3000件以上,而且人员减少为原来的三分之一。为了提高装夹效率、降低劳动强度、减少产品改型时的装备时间,对设备检具又进行了如下几个改进。①将原先的螺钉夹紧,全部改成气压自动夹紧。②改变轴线方向定位方式,增加定位件的强度、刚性。③由于主轴位置固定,要保证每种产品的孔轴线与内筒轴轴线重合,采用快换定位块,利用燕尾槽与工作台配合,更换产品型号,只需更换快速定位块,就能快速实现产品改型。④定制螺纹塞规,自制手柄,装配时调整通规塞规深度,降低螺纹塞规定制费用。机床工序加工图及快换定位块如图6所示。(5)渐开线花键加工。渐开线花键早期的加工工艺一般都是冷挤,只要保证冷挤模具精度,就能保证花键精度,尺寸稳定性好,设备简单,但仍然是效率低,模具要求高,成本高。现采用搓齿机,只需根据具体的花键要求,定制相应的搓齿板,生产效率提升10倍,搓齿板有效工作时间长。渐开线花键目前主要有30°和45°两种压力角,相对45°压力角的搓齿板寿命更长。(6)表面高频淬火。表面高频淬火是加工中不确定性最大的一个工序,原因是影响淬火结果的因素很多,而且对于轴套材料是2Cr13的材料也要淬火,这就面临同一工序有两种类型的材料要淬火。对于设备制造厂家,面对这些问题都无解决方法,经过不断实验,基本的解决思路有:①调整加热圈的直径及与工件间的间隙。②调整加热电流,控制加热温度。③调节冷却水流大小及喷水方向。④设定移动速度,协调加热、冷却、暂停时间。⑤记录淬火质量、零件材质、相关参数,进行合理分析,关注不同机床间的差异,得出指导性工艺参数,每次更换产品型号,做好检验修正。(7)铣扁。铣扁的通用加工方法是用铣床,利用快速分度卡盘装夹工件,该工艺方案缺点还是生产效率低,刀具成本高。现将加工设备改成自动切角机,将原先的铣削改为车削的形式,两条边的装一把车刀,四条边的装两把车刀,当然对于两把车刀需要绝对保证刀尖高度、位置保持几何关系,通常采用打表定位的调整方式。为了将铣扁和倒角一道完成,不增加去毛刺的工序,在原有刀具基础上,再加装一把倒角刀,调整相互位置关系,以达到要求,见下图7所示。

5结语

没有绝对好的工艺,只有更适合的工艺,而工艺改进优化永远没有尽头,经过对洗衣机内筒轴生产工艺优化,产品产能效率、质量、人员等方面都有了很大变化,有一些收获:①改变加工工艺方法,紧跟市场,合理选择高效节能生产装备,就能增大投入产出比。②相信技术变革,敢于创新,利用好各类创新工具。③合理调配挖掘设备资源,提高设备利用率。④工艺优化是多知识面的结合,要努力拓展学习领域,融入智能制造、数字化控制理念。

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作者:赵海霞 单位:湖北工业大学

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