通用數(shù)控車(chē)床軸承加工技改項(xiàng)目的實(shí)踐研究

楊國(guó)峰?徐煒

摘 要：本文主要介紹了通用數(shù)控車(chē)床軸承加工技改項(xiàng)目的具體實(shí)施及成效。通用型數(shù)控車(chē)床在大批量加工軸承內(nèi)外圈時(shí)，采用三爪自定心手動(dòng)卡盤(pán)和手動(dòng)尾座時(shí)加工輔助時(shí)間長(zhǎng)，加工效率低。針對(duì)這一問(wèn)題，對(duì)數(shù)控機(jī)床的主軸夾緊部件、手動(dòng)尾座進(jìn)行氣動(dòng)技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)零件快速裝夾、加工時(shí)尾座自動(dòng)頂緊，顯著提高了設(shè)備利用率和生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車(chē)床 軸承加工 氣動(dòng)改造

創(chuàng)新是永恒的主題。隨著校企產(chǎn)學(xué)研合作的深入，一家軸承企業(yè)與筆者學(xué)校成立了合作訂單辦班，依托企業(yè)和學(xué)校的優(yōu)勢(shì)資源進(jìn)行深度校企合作，開(kāi)展創(chuàng)新研發(fā)、技術(shù)改造等技術(shù)革新項(xiàng)目，同時(shí)部分高級(jí)工段學(xué)生為企業(yè)從事軸承加工生產(chǎn)。由于軸承加工數(shù)量很大，車(chē)床在裝夾環(huán)節(jié)上耗時(shí)占比大，軸承精度也受到一定影響。為降低裝夾耗時(shí)，企業(yè)技術(shù)人員與筆者學(xué)校教師對(duì)學(xué)校部分通用型數(shù)控車(chē)床的主軸裝夾部件、尾座移動(dòng)進(jìn)行氣動(dòng)技術(shù)改造，以提高軸承內(nèi)外圈主要部件加工效率與精度，提高經(jīng)濟(jì)效益。

一、軸承加工效率問(wèn)題

目前，通用型數(shù)控機(jī)床出廠標(biāo)準(zhǔn)配置附件為三爪自定心手動(dòng)卡盤(pán)、手動(dòng)尾座。在生產(chǎn)過(guò)程中，工件裝夾、尾座套筒移動(dòng)和頂緊零件都需要靠手動(dòng)完成。據(jù)筆者測(cè)算，就目前的通用型數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，批量加工一個(gè)軸承零件內(nèi)外圈平均需要85秒，其中裝夾零件的輔助時(shí)間約為60秒。裝夾過(guò)程完全由手工完成，自動(dòng)化程度低，加工者耗費(fèi)大量的工作時(shí)間，用工成本大，無(wú)疑增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本，降低了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。此外，機(jī)床在進(jìn)行多次手工裝夾、定位時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，軸承內(nèi)外圈加工精度會(huì)受到影響。因此，對(duì)于批量生產(chǎn)來(lái)講，隨著企業(yè)用工成本的增加，無(wú)論從生產(chǎn)成本核算、加工工藝方面、還是設(shè)備利用率上考慮，都是不經(jīng)濟(jì)、不合理的，較明顯地影響了軸承生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

二、機(jī)床改造項(xiàng)目實(shí)施目標(biāo)

1.提升教師作為“工程師”能力和科研能力

（1）教師從理論走向?qū)嵺`。團(tuán)隊(duì)中大多數(shù)專(zhuān)業(yè)教師大學(xué)畢業(yè)后從教，本次技改項(xiàng)目涉及的軟件繪圖、氣動(dòng)安裝與夾緊力計(jì)算、電氣控制改造等知識(shí)大多在大學(xué)里學(xué)過(guò)理論知識(shí)，但卻基本未涉及實(shí)踐。系統(tǒng)地以“工程師”的角度去設(shè)計(jì)、安裝一個(gè)技術(shù)項(xiàng)目，是對(duì)教師綜合能力的考量。

（2）技改項(xiàng)目衍生“副產(chǎn)品”。大多數(shù)教師常年講授2～3門(mén)課程，其他課程知識(shí)除了在大學(xué)學(xué)習(xí)外，工作中基本不涉及。這既是所學(xué)浪費(fèi)，也使教師授課時(shí)只能“就事論事”，很少把有關(guān)課程知識(shí)和技能融會(huì)貫通并傳授給學(xué)生。通過(guò)技改項(xiàng)目實(shí)踐，上述問(wèn)題能夠較好地“補(bǔ)短板”，并衍生論文、課題、微視頻等“副產(chǎn)品”。

2.數(shù)控車(chē)床技改項(xiàng)目?jī)?nèi)容

企業(yè)技術(shù)人員與筆者教師團(tuán)隊(duì)選擇六臺(tái)數(shù)控車(chē)床對(duì)裝夾部分進(jìn)行改造。

（1）主軸夾緊部件改造。對(duì)其中四臺(tái)CAK4085di數(shù)控車(chē)床進(jìn)行了主軸尾端、前端兩部分改造，用于加工軸承內(nèi)孔的裝夾。機(jī)床主軸尾端主要是增加氣壓夾緊缸和氣動(dòng)元件，將添加的法蘭盤(pán)和氣壓夾緊缸連接，為夾具的夾緊和張開(kāi)提供動(dòng)力。機(jī)床主軸前端主要是取下三爪自定心卡盤(pán)，將主軸前端的法蘭盤(pán)和整套夾具連接利用氣動(dòng)夾緊缸和夾具之間的拉桿連接來(lái)實(shí)現(xiàn)夾具夾緊和松開(kāi)的動(dòng)作，整體改造圖如圖1所示。選擇四臺(tái)數(shù)控車(chē)床的目的是檢測(cè)對(duì)改造后的車(chē)床加工軸承內(nèi)孔的穩(wěn)定性。

（2）尾座的改造。對(duì)另外兩臺(tái)CAK6150數(shù)控車(chē)床的手動(dòng)尾座加裝氣缸來(lái)推動(dòng)尾座實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頂緊，用于加工軸承外圈外徑。同樣，選擇兩臺(tái)數(shù)控車(chē)床的目的也是檢測(cè)對(duì)改造后的車(chē)床的加工軸承外徑的穩(wěn)定性。

（3）氣壓控制系統(tǒng)改造：增加夾緊回轉(zhuǎn)缸、尾座的氣壓系統(tǒng)，為自動(dòng)夾緊、頂緊提供動(dòng)力。

（4）電氣部分的改造：利用原有的數(shù)控系統(tǒng)控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)汽缸夾緊缸電磁閥和尾座汽缸電磁閥的動(dòng)作。

每次工件裝夾后，氣動(dòng)自定心夾緊夾具和氣壓夾緊缸之間的拉桿自動(dòng)對(duì)工件夾緊，同時(shí)，氣壓尾座自動(dòng)頂緊芯軸，整個(gè)過(guò)程完全由自動(dòng)控制，提升了車(chē)床裝夾工件的效率。

三、機(jī)床改造措施

1.主軸夾緊部件改造

（1）彈簧筒夾定心夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。彈簧筒夾定心夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括夾筒和夾具體兩部分，如上頁(yè)圖2所示。

根據(jù)軸承加工零件以軸線(xiàn)、對(duì)稱(chēng)中心為工序基準(zhǔn)的特點(diǎn)，采用定心夾緊機(jī)構(gòu)。彈簧筒夾作為定心夾緊機(jī)構(gòu)，由以外圓柱面為定位基準(zhǔn)線(xiàn)裝夾工件的彈簧夾頭構(gòu)成，其主要元件為彈性?shī)A筒。將彈性?shī)A筒設(shè)計(jì)成一個(gè)錐型套筒，表面開(kāi)出4～6條軸向槽，在結(jié)構(gòu)上分成卡爪A、簧片B和導(dǎo)向部分三個(gè)部分。當(dāng)筒夾往后拉時(shí)，夾具體的錐套將迫使夾筒沿徑向收縮變形，從而使工件外圓定心被夾緊。

工件以外圓柱面做定位基準(zhǔn)并在圓孔中定位。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，其定位元件和夾緊元件被加工成一個(gè)整體，裝于夾具體內(nèi)。為保證工件軸向定位精度，工件的外圓與端面實(shí)行共同作為定位基準(zhǔn)面，將工件的端面作為主要定位基準(zhǔn)面。筒夾的外錐角取29°，與筒夾配合的夾具體內(nèi)錐角取30°，用于增大錐面接觸面積，以便更準(zhǔn)確地定心。

筒夾采用彈簧鋼65Mn材料，具有強(qiáng)度高、耐磨損、彈性好、受熱變形小的特點(diǎn)，熱處理后的頭部材料硬度達(dá)到HRC55～60，尾部的薄壁和導(dǎo)向部分硬度達(dá)到HRC40～45，適合本次技術(shù)改造要求。夾筒設(shè)計(jì)完成后，為了保證夾筒與主軸的同軸程度，經(jīng)過(guò)表面精磨后，夾持表面裝配后在數(shù)控車(chē)床上精車(chē)一刀。夾具體設(shè)計(jì)時(shí)采用主軸端面和花盤(pán)連接的設(shè)計(jì)方案，將尾部和車(chē)床的主軸法蘭連接，在材料上采用了軸承鋼GCr15，其硬度高達(dá)HRC55～60。

（2）夾緊回轉(zhuǎn)缸的選用。工件在夾緊后會(huì)出現(xiàn)一定的變形，受壓表面會(huì)出現(xiàn)損傷，夾緊力的大小直接影響工件安裝的可靠性、夾緊變形程度、定位的準(zhǔn)確性以及加工精度。因此，在選用夾緊回轉(zhuǎn)缸時(shí)首先需要確定夾緊力的大小。夾緊機(jī)構(gòu)夾具夾緊力的作用主要在于保證工件的定位基準(zhǔn)面與定位元件保持良好接觸，使工件在加工時(shí)不因受切削力、離心力、慣性力和工件自重等作用力而發(fā)生移位。通常情況下采用將理論夾緊力（主要考慮主切削力FZ）再乘一個(gè)系數(shù)來(lái)計(jì)算實(shí)際夾緊力FJ0，將基本安全因數(shù)、加工性質(zhì)因數(shù)、刀具鈍化因數(shù)、切削特點(diǎn)因數(shù)作為安全因數(shù)K。

本次機(jī)床改造基本安全因數(shù)取1.5，加工性質(zhì)因數(shù)取1.0，刀具鈍化因數(shù)取1.2，切削特點(diǎn)因數(shù)取1.0，即K=1.5×1.0×1.2×1.0=1.8。

車(chē)削時(shí)主切削力為：FZ=Papf=1962×3×0.5 =2943N

實(shí)際的夾緊力為FJO=KFZ=1.8×2943=5297.4N

CAK4085di數(shù)控車(chē)床在進(jìn)行精加工時(shí)，將夾具和工件的間隙控制在1mm內(nèi)，夾筒的錐角采用30°，則

筒夾的軸向位移為0.866mm，徑向縮小為0.5mm，夾緊機(jī)構(gòu)的行程只要取大于2mm就可以滿(mǎn)足要求了。

綜合考慮，選用清潔無(wú)污染、工作迅速、使用安全、維護(hù)簡(jiǎn)單的氣壓傳動(dòng)裝置，為了方便與機(jī)床主軸連接，夾緊回旋缸采用KQ-130型中空回轉(zhuǎn)汽缸。在0.8MPa氣壓、4mm行程的條件下，它的最大推拉力為8104.6N，大于實(shí)際夾緊力，可以保證正常使用。

2.尾座改造設(shè)計(jì)

在軸承外圈外徑加工中，以軸承內(nèi)孔為定位基準(zhǔn)面，采用芯軸作為定位元件，把多個(gè)軸承外圈套裝在芯軸上，采用一夾一頂裝夾。由于通用型數(shù)控機(jī)床的尾座套筒移動(dòng)采用手動(dòng)方式，自動(dòng)化程度低，裝夾工件輔助時(shí)間較長(zhǎng)。本次軸承外圈外徑加工在數(shù)控車(chē)床改造過(guò)程中，通過(guò)在尾座上安裝汽缸將原來(lái)手動(dòng)改為氣動(dòng)方式，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮在實(shí)際生產(chǎn)中刀具對(duì)工件產(chǎn)生的切削力軸向分力F、工件自重產(chǎn)生的軸向分力F1，再根據(jù)尾座套筒移動(dòng)工作行程來(lái)選擇汽缸型號(hào)。

（1）軸向切削力計(jì)算。根據(jù)金屬切削原理與刀具公式，切削時(shí)產(chǎn)生的軸向分力F=（0.1～0.6）FZ，為了安全起見(jiàn)，將切削時(shí)軸向分力的系數(shù)取為0.6，那么F=0.6×FZ =0.6×2943=1765.8N。

（2）工件（芯軸）自身重力產(chǎn)生的軸向分力F1計(jì)算。根據(jù)工件（芯軸）設(shè)計(jì)時(shí)按最大長(zhǎng)度和外徑計(jì)算：取直徑400mm，長(zhǎng)度為350mm。通過(guò)公式計(jì)算每米鋼材的重量為：W=0.006165×d2=0.006165

×400×400=986.4kg，工件（芯軸）按350mm長(zhǎng)度計(jì)算，得到重量為345.24kg。尾座頂尖的角度標(biāo)準(zhǔn)為60°，由于主軸卡盤(pán)和尾座頂尖都承受重力，因此頂尖只受到1/2的重力。通過(guò)公式：F1=（W/2）/tan30°×9.8=（345.24/2）/tan30°×9.8=2930N，計(jì)算得F1=2930N。因此尾座需要克服的最大反作用力：Fy=F+F1=2930+1765.8=4695.8N。汽缸選擇缸徑60mm的標(biāo)準(zhǔn)汽缸，在壓縮空氣壓力0.4MPa～0.8MPa的情況下取0.4MPa，計(jì)算得汽缸壓力為5652N，大于尾座需要克服的最大反作用力，因此可以保證安全。尾座最大行程為200mm，因此，選用行程為200 mm的汽缸，型號(hào)為SE60X200。

3.氣壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

夾緊回轉(zhuǎn)缸、尾座的氣壓系統(tǒng)經(jīng)過(guò)統(tǒng)一設(shè)計(jì)，其原理圖，如圖3所示。壓縮空氣通過(guò)輸送管道從空氣壓縮機(jī)儲(chǔ)氣罐輸送到機(jī)床工作位置，通過(guò)截止閥1來(lái)手動(dòng)控制總進(jìn)氣的通斷，由調(diào)壓閥2控制其壓力，同時(shí)由油霧過(guò)濾器三件套3將管道中的水分過(guò)濾掉，并注入潤(rùn)滑油，使后面的工作元件得到潤(rùn)滑。使用單向閥控制其流向，防止壓縮空氣回流，保證使用安全。電磁閥5控制夾緊回轉(zhuǎn)缸運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度分別由調(diào)速閥6和7控制。電磁閥8控制尾座頂緊汽缸運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度分別由調(diào)速閥9和10控制。

4.電氣控制線(xiàn)路改造

由于CAK4085di數(shù)控車(chē)床的數(shù)控系統(tǒng)自帶卡盤(pán)控制和尾座控制功能，因此可以通過(guò)直接調(diào)用車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)輔助功能模塊中的M08指令代碼來(lái)控制電磁閥5，進(jìn)而控制夾緊回轉(zhuǎn)缸運(yùn)動(dòng)，調(diào)用車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)輔助功能模塊中的M09指令代碼來(lái)控制電磁閥8控制尾座頂緊氣缸運(yùn)動(dòng)。實(shí)際接線(xiàn)時(shí)，僅需新增四個(gè)繼電器與車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)的輸出點(diǎn)相連接，用于控制卡盤(pán)的夾緊和松開(kāi)，尾座的前進(jìn)和后退，如圖4所示。學(xué)校教學(xué)用的數(shù)控車(chē)床主軸在啟動(dòng)過(guò)程中，主軸電動(dòng)機(jī)的加減速時(shí)間長(zhǎng)，為提高加工效率，將變頻器的參數(shù)重新設(shè)定，降低主軸電動(dòng)機(jī)的加減速時(shí)間，設(shè)定為2.5秒。

四、技改項(xiàng)目成效

1.成本節(jié)約

通過(guò)對(duì)數(shù)控車(chē)床的技術(shù)改造，無(wú)論是從單件和成批來(lái)看，明顯提高了軸承生產(chǎn)效率，見(jiàn)下表。

上表顯示，在進(jìn)行技術(shù)改造前，通用型數(shù)控車(chē)床加工單個(gè)軸承需要90秒左右的時(shí)間，按一個(gè)工作日8小時(shí)工作時(shí)間，一個(gè)月30天算僅能加工9600個(gè)左右，就算是成批加工一個(gè)軸承也需要85秒左右，一個(gè)月生產(chǎn)10200個(gè)。進(jìn)行技術(shù)改造后單個(gè)軸承的加工時(shí)間縮短了65%，僅用40秒左右，其中裝夾等輔助時(shí)間僅15秒左右。如果成批生產(chǎn)的話(huà)用時(shí)更短，僅需30秒左右，生產(chǎn)效率提高了3倍。在近年來(lái)，用工緊張的局勢(shì)下對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)減小了企業(yè)不小的人力成本和招工壓力。通過(guò)改造，扣除技改成本，預(yù)計(jì)每臺(tái)改造后的數(shù)控車(chē)床為企業(yè)節(jié)約生產(chǎn)成本約2萬(wàn)元。因此，本次的通用型數(shù)控機(jī)床改造提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化程度、使用率和工作效率，大大減少了人工成本，為企業(yè)帶來(lái)了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.提升教師創(chuàng)新能力

（1）教師專(zhuān)業(yè)知識(shí)的一次“大電流”充電。本次技術(shù)改造由校企共同完成，多數(shù)教師重拾大學(xué)教材，將涉及的多門(mén)課程重新學(xué)習(xí)，融會(huì)貫通，尤其是機(jī)械教師在電氣控制知識(shí)等方面補(bǔ)了短板，對(duì)機(jī)電專(zhuān)業(yè)教師的知識(shí)結(jié)構(gòu)要求理解更全面，有助于日常教學(xué)的開(kāi)展。

（2）教師圍繞項(xiàng)目開(kāi)展課題設(shè)計(jì)與研修。不少教師專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)一技能水平較高，但是針對(duì)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)（技改）卻往往無(wú)從下手。經(jīng)過(guò)本次項(xiàng)目，從設(shè)計(jì)圖樣開(kāi)始到制訂改造方案再到計(jì)算受力，最后實(shí)施并加以改進(jìn)，這是教師的一次實(shí)實(shí)在在的研修，拓寬了教師的思路，過(guò)程與方法效果并不亞于技改結(jié)果，消除了教師對(duì)技改、創(chuàng)新的畏懼，提升了教師的自信心。這既是作為學(xué)生的指導(dǎo)教師的機(jī)電專(zhuān)業(yè)老師的需要，也是技師培養(yǎng)層次學(xué)生的需要。

3.創(chuàng)新校企合作方式

本次技術(shù)改造在企業(yè)技術(shù)人員與學(xué)校師生共同參與下完成，改造后的通用型數(shù)控車(chē)床工件裝夾過(guò)程由氣動(dòng)完成，提高了機(jī)床的性能，大大減少了人工成本，為企業(yè)帶來(lái)了較大的經(jīng)濟(jì)效益，提升了企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)能力。改造后的機(jī)床由學(xué)生在校內(nèi)為企業(yè)直接生產(chǎn)產(chǎn)品，提供了現(xiàn)代企業(yè)人才需求的嶄新平臺(tái)，創(chuàng)新了“現(xiàn)代學(xué)徒制”培養(yǎng)模式，實(shí)現(xiàn)學(xué)校與企業(yè)的優(yōu)勢(shì)資源互利共贏。

實(shí)踐需要思維先行，方法重于內(nèi)容。本項(xiàng)目原先只是一個(gè)技改項(xiàng)目，但教師對(duì)過(guò)程愿意去思考，能改進(jìn)，有反思并加以進(jìn)一步研究乃至擴(kuò)展到其他技改或創(chuàng)新項(xiàng)目，其意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本項(xiàng)目成果的本身。

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（作者單位：海寧市高級(jí)技工學(xué)校）