降本增效驅(qū)動(dòng)的軸承座類零件工藝改進(jìn)及夾具設(shè)計(jì)

劉 妍

（沈陽優(yōu)尼斯智能裝備有限公司，遼寧 沈陽 110142）

隨著傳統(tǒng)機(jī)械行業(yè)內(nèi)的橫向競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇，國(guó)內(nèi)機(jī)械產(chǎn)品加工產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，機(jī)械制造行業(yè)訂單明顯減少，導(dǎo)致企業(yè)利潤(rùn)降低[1]。在此背景下，企業(yè)應(yīng)適時(shí)地結(jié)合企業(yè)發(fā)展形式和行業(yè)內(nèi)的技術(shù)背景開展生產(chǎn)技術(shù)線的創(chuàng)新，積極采取有效的措施降低生產(chǎn)成本。降本增效是實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)的重要手段，能夠?yàn)樯a(chǎn)企業(yè)的深加工提供技術(shù)支持和保障。軸承座是基礎(chǔ)性的零部件，其廣泛應(yīng)用在各類機(jī)床、汽車、農(nóng)機(jī)和船舶等多個(gè)行業(yè)產(chǎn)品當(dāng)中，并且均有專業(yè)化的應(yīng)用場(chǎng)景。由于其應(yīng)用廣泛并且具有大批量生產(chǎn)的特性，所以有效降低軸承座類零件的生產(chǎn)成本、提高加工效率是一個(gè)重大研究課題。

1 降本增效的過程及設(shè)計(jì)要素

首先在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)需要有合適零件設(shè)備使用的場(chǎng)景，最大限度地滿足設(shè)備的使用功能。在整機(jī)的參數(shù)和性能設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)于參數(shù)的零部件強(qiáng)度、剛度以及計(jì)算其壽命時(shí),需要結(jié)合各類設(shè)備的使用工況進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。同時(shí)對(duì)于載荷類的參數(shù)選取，需要選取最合適的的安全系數(shù)，保證零件在安全的運(yùn)行區(qū)間內(nèi)運(yùn)行[2]。同時(shí)還要綜合考慮零件的功能性能、使用性以及安全性能，結(jié)合初投資和運(yùn)行成本進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型分析和計(jì)算[3]。

其次要在已有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)形式上進(jìn)行修改設(shè)計(jì)，防止由于重復(fù)設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的成本增加，對(duì)于相似的零部件要盡可能地統(tǒng)一成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，不斷探索和優(yōu)化設(shè)計(jì)材料和設(shè)計(jì)形式[4]。技術(shù)負(fù)責(zé)人要積極參與到項(xiàng)目的前期談判過程當(dāng)中，進(jìn)而掌握降低成本的相關(guān)信息，尤其是在審圖的進(jìn)程中，熟悉并消化項(xiàng)目的技術(shù)協(xié)議及相關(guān)合同，明確零部件的供貨情況和供貨條件，避免在工作時(shí)出現(xiàn)重復(fù)采購(gòu)或遺漏的情況。在技術(shù)審圖的進(jìn)程中要充分了解設(shè)備的使用情況和設(shè)計(jì)的基本原理[5]。

最后，創(chuàng)新型的設(shè)計(jì)還要結(jié)合已有的加工工具及設(shè)備，通過合理的加工順序來有效地指導(dǎo)生產(chǎn)工序和內(nèi)容[6]。充分注重冷、熱工藝之間的交叉應(yīng)用和相互關(guān)系。同時(shí)在生產(chǎn)的過程中要兼顧生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)成本。在批量生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)，及時(shí)跟進(jìn)工藝的實(shí)際執(zhí)行情況，積極聽取相關(guān)人員的意見及建議，對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行不斷的修整和整合，最終完成性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的降本增效。

2 軸承座類零件加工工藝分析

工藝改進(jìn)方法的措施主要有3 點(diǎn)：1）在熱處理完成后要立刻進(jìn)行水壓試驗(yàn)，保證水道焊接之后能夠進(jìn)行熱處理，其目的主要是要消除管道之間的內(nèi)應(yīng)力，保證其尺寸不變形。同時(shí)在焊縫進(jìn)行熱處理之后，立即檢查是否存在漏水以及滲水的現(xiàn)象。2）為了有效地解決進(jìn)出水孔在加工后出現(xiàn)的缺陷暴露以及滲水等問題。增加了半精加工的工序。在各個(gè)加工面上留有加工的余量，避免由于暴露出現(xiàn)的鑄造缺陷。3）在進(jìn)行半精加工后精加工之前，增加水壓的實(shí)驗(yàn)供需。通過水壓測(cè)試判斷出水口是否存在問題，保證軸承座的密封性。

軸承座是機(jī)械產(chǎn)品當(dāng)中最為常見的典型零部件，其主要功能是在機(jī)械設(shè)備中起到支撐齒輪以及皮帶輪或連桿等傳動(dòng)部件的作用[7]。從結(jié)構(gòu)形式的區(qū)分來看，可以區(qū)分為梯形軸、錐形軸以及光軸等形式[8]。在應(yīng)用的場(chǎng)景當(dāng)中，以梯形傳動(dòng)軸的應(yīng)用最為廣泛，其加工技術(shù)充分體現(xiàn)了軸件加工的規(guī)律與共性。該文通過應(yīng)用已有的加工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合常用的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)了T3系列的軸承座。其軸承座類零件的外觀形狀及對(duì)精度的要求基本類似，同時(shí)為了方便日后的運(yùn)維管理和更換，該文對(duì)一款T3 系列智能數(shù)控車床X軸軸承座進(jìn)行了工藝分析。設(shè)計(jì)效果圖如圖1 所示。軸承座的設(shè)計(jì)材料選用的是鑄鐵件，其中大部份表面均為加工面，這為實(shí)際的加工制作帶來了一定的挑戰(zhàn)和難度。其中在正向精度面、側(cè)向精度、底部精度面以及軸承安裝孔處加工難度最高，精度要求最大。均需要有較高的尺寸精度以及形位公差。

圖1 T3 系列車床X 軸軸承座示意圖

同時(shí)為了保證上述的尺寸精度、形位公差的要求，軸承座類零件的傳統(tǒng)機(jī)加工方式是在臥式加工中心全序完成的。采用了HMC63e 數(shù)控臥式加工中心結(jié)合成熟的工裝夾具進(jìn)行多件并聯(lián)加工。通過實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)加工和核算，使用該工藝的單件理論實(shí)動(dòng)工時(shí)為41.2 min，單件成本合計(jì)為75.5 元，同時(shí)零件的工廢率控制能夠控制在2%左右。

2.1 首次工藝改進(jìn)

為了有效降低軸承座的生產(chǎn)成本并且提升產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，需要對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行創(chuàng)新的改造。首先，在之前的加工工作中由于生產(chǎn)設(shè)備的原因造成了較高的單件成本，所以該加工進(jìn)程中將臥式加工中心全序改為立式加工中心全序進(jìn)行加工測(cè)試。該加工采用了i5M 4.2 型智能立式加工中心，在已有的加工工裝夾具的基礎(chǔ)上經(jīng)過簡(jiǎn)單改造后繼續(xù)使用。立式加工中心的轉(zhuǎn)數(shù)和實(shí)際的進(jìn)給速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于臥式加工中心，同時(shí)i5M 4.2 型作為中型立式數(shù)控加工中心，該設(shè)備小時(shí)單價(jià)運(yùn)行費(fèi)用僅為HMC63e 數(shù)控臥式加工中心的1/2。所以在加工流程當(dāng)中替換加工中心的工藝改進(jìn)方案理論可行。經(jīng)過50 件小批量測(cè)試后，軸承座工廢率達(dá)14%，經(jīng)檢驗(yàn)核查后發(fā)現(xiàn)是由于底部精度面、正向精度面以及安裝孔中軸線尺寸精度超差、形位公差不能得到保證導(dǎo)致的。同時(shí)合格件的檢測(cè)結(jié)果也多在極限偏差位置附近，且精度離散嚴(yán)重，這是制約產(chǎn)品件性能的主要因素。

對(duì)此該文采取唯一變量法進(jìn)行逐一排查，通過更換加工過程中的刀具來提高工裝卡壓工件力度，同時(shí)不斷地優(yōu)化加工程序等多番實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，來提升產(chǎn)品的工廢率。最后經(jīng)研判為機(jī)床自身的問題。i5M4.2作為中型立式加工中心，由于其結(jié)構(gòu)限制，主軸扭矩和主軸箱整體剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于臥式加工中心的正掛式主軸箱。特別是在鏜削較大孔時(shí)，背吃刀量較大，機(jī)床也會(huì)出現(xiàn)大幅振動(dòng)，嚴(yán)重影響后序精加工。如果減小背吃刀量或采用銑削方式開粗，則加工時(shí)間直線上升。如果放棄使用中型立式加工中心，選用大型立式加工中心，生產(chǎn)成本與效率與臥式加工中心基本一致，失去了降本增效的原有意義。為此，選擇工藝方案時(shí)，采用i5M4.2 立式加工中心四周開粗、半精，但是在成孔的進(jìn)程當(dāng)中仍舊采用的是HMC63e 臥式加工中心精銑各向精度面及鏜削軸承安裝孔，分序以及分步驟加工完成。最后經(jīng)過批量測(cè)試后再進(jìn)行核算，使用該工藝的單件理論實(shí)動(dòng)工時(shí)為26.9 min，單件成本61.3 元，工廢率仍控制在2%左右。采用新工藝后生產(chǎn)效率提升約35%，成本降低19%，達(dá)到了降本增效的目的。

2.2 二次工藝改進(jìn)

在首次工藝改進(jìn)后，采用新工藝生產(chǎn)的軸承座初步實(shí)現(xiàn)了降本增效的目的，但仍未達(dá)到最優(yōu)解決方案，還有進(jìn)一步提升空間。在該工藝運(yùn)行一段時(shí)間后，重新提出新工藝改進(jìn)方案：例如調(diào)整切削參數(shù)，嘗試減少鑄件毛坯余量，測(cè)試新型刀具等，在經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)后，均沒有得到明顯的改善。因此，工藝改進(jìn)的方向仍是改變加工設(shè)備，徹底放棄使用臥式加工中心。

同時(shí)在首次工藝改進(jìn)時(shí)，工藝方案選擇了妥協(xié)退讓的辦法，精銑精度面及鏜孔還是由臥式加工中心完成。為此，將原工藝更改為軸承座四周開粗及半精銑、精銑側(cè)向精度面、底部精度面均在i5M4.2 立式加工中心上完成。精車正向精度面、粗精車軸承安裝孔則在數(shù)控車床上（這里選用i5T5.2 數(shù)控車床）加工，用“以車代鏜”的方式再次進(jìn)行降本增效。顯而易見，臥式加工中心與數(shù)控車床是2 種完全不同的機(jī)加工設(shè)備。臥式加工中心是采用工件靜止、刀具旋轉(zhuǎn)的工作方式去除工件余量，而數(shù)控車床正相反，工件旋轉(zhuǎn)、刀具相對(duì)靜止。因此，生產(chǎn)設(shè)備的改變導(dǎo)致工步順序、工裝夾具、程序、刀具等也隨之改變。在實(shí)際的加工進(jìn)程當(dāng)中，工裝夾具是重中之重，其可以迅速更換工步順序、程序、刀具等。而原有的臥式加工中心所使用的工裝夾具不能僅做簡(jiǎn)單的改進(jìn)便繼續(xù)在車床上使用。所以，必須重新設(shè)計(jì)一套車削軸承座新型專用夾具以適應(yīng)改進(jìn)后的工藝，達(dá)到進(jìn)一步降本增效的目的。

3 軸承座車削夾具總體設(shè)計(jì)方案

軸承座類零件外形較為復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)形式并非對(duì)稱回轉(zhuǎn)體，所以該文需要重點(diǎn)解決其車削工藝性問題，并且在設(shè)計(jì)車削夾具過程中應(yīng)充分考慮軸承座在夾具的裝夾穩(wěn)定性，另外軸承安裝孔與側(cè)向精度面，底部精度面均有較高尺寸精度、形位公差要求，如何定位工件在夾具中的準(zhǔn)確位置同時(shí)也是該文探究的重點(diǎn)。

3.1 車削工藝分析及偏心夾具設(shè)計(jì)

對(duì)該型軸承座車削工藝性分析。軸承座外觀形狀較為對(duì)稱，需車削的孔軸心位置并未在工件的質(zhì)心附近，夾具設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到在車床加工過程中工件與夾具旋轉(zhuǎn)的靜平衡和動(dòng)平衡問題。偏心夾具可以解決靜平衡的問題，利用Solidworks 軟件對(duì)夾具和工件三維建模并模擬裝配，計(jì)算整體質(zhì)心與工件質(zhì)心理論偏移量并加以適當(dāng)?shù)呐渲貕K及配重孔，當(dāng)夾具實(shí)物制造完成后再運(yùn)用平衡機(jī)校正平衡，從而使工件與夾具整體靜平衡。

同時(shí)由于工件材質(zhì)為鑄鐵件，在鑄造時(shí)材料密度分布不均勻，實(shí)際上并不能使每個(gè)待加工件的理論質(zhì)心與實(shí)際質(zhì)心一致。另外，上序制造精度的微小差異也會(huì)造成一定的不平衡問題，所以靜平衡在實(shí)際的運(yùn)行中只是發(fā)生著相對(duì)位置的變換。軸承座作為中小型零件車床加工時(shí)轉(zhuǎn)速相對(duì)較低（一般在200 r/min 以內(nèi)），振動(dòng)較小，可忽略上述問題。

軸承座車削專用夾具整體設(shè)計(jì)方案。工件直接利用上序加工完成的螺栓孔固定。為了解決工件在夾具中的定位問題，該文采用“L”形定位塊，定位塊兩基準(zhǔn)面有嚴(yán)格的公差要求，作為工件加工過程中的定位面。裝夾工件時(shí)直接利用上序已加工好的工件兩精度面，靠實(shí)定位即可。夾具結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 夾具結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 夾具回轉(zhuǎn)精度校正方案

根據(jù)二次工藝改進(jìn)方案可知，軸承座安裝孔在數(shù)控車床上車削完成，所以裝夾時(shí)孔面為毛坯面，無法通過壓表找正的方式校正孔中心與車床卡盤回轉(zhuǎn)中心同軸度。因此，該文在設(shè)計(jì)夾具的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，其效果圖如圖3 所示。

在圖3 所示的夾具示意圖中，可通過其2 處外圓面（半徑值為軸承座兩精度面到孔中心線的尺寸理論中間值）與“L”形定位塊的兩基準(zhǔn)面靠實(shí)定位，并利用調(diào)整塊及調(diào)整螺釘微調(diào)“L”形定位塊在夾具中的相對(duì)位置達(dá)到軸承安裝孔與車床三爪卡盤孔中心同軸。精度校正的方案和專用檢具不僅試用于該型軸承座的產(chǎn)前精度校正，還可用于生產(chǎn)過程中的周期性檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，從而進(jìn)一步保證批量工件的精度穩(wěn)定性和加工精度一致性。

圖3 夾具校正示意圖

4 結(jié)論

經(jīng)100 件批量測(cè)試驗(yàn)證，通過設(shè)計(jì)使用一種新型軸承座專用夾具從而改進(jìn)的新加工工藝進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了降本增效的目的。經(jīng)效費(fèi)核算，使用該工藝的單件理論實(shí)動(dòng)工時(shí)為21.5 min，單件成本為41.6 元，工廢率控制在3%以內(nèi)，符合公司標(biāo)準(zhǔn).采用的新工藝與第一次工藝改進(jìn)結(jié)果相比較而言，生產(chǎn)效率再次提升約20%，成本降低32%。綜上所述，通過2 次工藝改進(jìn)，設(shè)計(jì)了專用夾具以及軸承座，有效地提高了生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本。同時(shí)，作為典型的軸承座類零件，對(duì)其他同類零件的降本增效工作有著積極顯著的借鑒意義。