楊國峰?徐煒

摘 要：本文主要介紹了通用數(shù)控車床軸承加工技改項目的具體實施及成效。通用型數(shù)控車床在大批量加工軸承內(nèi)外圈時，采用三爪自定心手動卡盤和手動尾座時加工輔助時間長，加工效率低。針對這一問題，對數(shù)控機床的主軸夾緊部件、手動尾座進行氣動技術(shù)改造，實現(xiàn)零件快速裝夾、加工時尾座自動頂緊，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)控車床 軸承加工 氣動改造

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)勢資源進行深度校企合作，開展創(chuàng)新研發(fā)、技術(shù)改造等技術(shù)革新項目，同時部分高級工段學(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，車床在裝夾環(huán)節(jié)上耗時占比大，軸承精度也受到一定影響。為降低裝夾耗時，企業(yè)技術(shù)人員與筆者學(xué)校教師對學(xué)校部分通用型數(shù)控車床的主軸裝夾部件、尾座移動進行氣動技術(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)濟效益。

一、軸承加工效率問題

目前，通用型數(shù)控機床出廠標(biāo)準配置附件為三爪自定心手動卡盤、手動尾座。在生產(chǎn)過程中，工件裝夾、尾座套筒移動和頂緊零件都需要靠手動完成。據(jù)筆者測算，就目前的通用型數(shù)控機床來說，批量加工一個軸承零件內(nèi)外圈平均需要85秒，其中裝夾零件的輔助時間約為60秒。裝夾過程完全由手工完成，自動化程度低，加工者耗費大量的工作時間，用工成本大，無疑增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本，降低了市場競爭力。此外，機床在進行多次手工裝夾、定位時都會產(chǎn)生一定的誤差，軸承內(nèi)外圈加工精度會受到影響。因此，對于批量生產(chǎn)來講，隨著企業(yè)用工成本的增加，無論從生產(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、不合理的，較明顯地影響了軸承生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益。

二、機床改造項目實施目標(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`。團隊中大多數(shù)專業(yè)教師大學(xué)畢業(yè)后從教，本次技改項目涉及的軟件繪圖、氣動安裝與夾緊力計算、電氣控制改造等知識大多在大學(xué)里學(xué)過理論知識，但卻基本未涉及實踐。系統(tǒng)地以“工程師”的角度去設(shè)計、安裝一個技術(shù)項目，是對教師綜合能力的考量。

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

2.數(shù)控車床技改項目內(nèi)容

企業(yè)技術(shù)人員與筆者教師團隊選擇六臺數(shù)控車床對裝夾部分進行改造。

（1）主軸夾緊部件改造。對其中四臺CAK4085di數(shù)控車床進行了主軸尾端、前端兩部分改造，用于加工軸承內(nèi)孔的裝夾。機床主軸尾端主要是增加氣壓夾緊缸和氣動元件，將添加的法蘭盤和氣壓夾緊缸連接，為夾具的夾緊和張開提供動力。機床主軸前端主要是取下三爪自定心卡盤，將主軸前端的法蘭盤和整套夾具連接利用氣動夾緊缸和夾具之間的拉桿連接來實現(xiàn)夾具夾緊和松開的動作，整體改造圖如圖1所示。選擇四臺數(shù)控車床的目的是檢測對改造后的車床加工軸承內(nèi)孔的穩(wěn)定性。

（2）尾座的改造。對另外兩臺CAK6150數(shù)控車床的手動尾座加裝氣缸來推動尾座實現(xiàn)自動頂緊，用于加工軸承外圈外徑。同樣，選擇兩臺數(shù)控車床的目的也是檢測對改造后的車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)，為自動夾緊、頂緊提供動力。

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

每次工件裝夾后，氣動自定心夾緊夾具和氣壓夾緊缸之間的拉桿自動對工件夾緊，同時，氣壓尾座自動頂緊芯軸，整個過程完全由自動控制，提升了車床裝夾工件的效率。

三、機床改造措施

1.主軸夾緊部件改造

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

根據(jù)軸承加工零件以軸線、對稱中心為工序基準的特點，采用定心夾緊機構(gòu)。彈簧筒夾作為定心夾緊機構(gòu)，由以外圓柱面為定位基準線裝夾工件的彈簧夾頭構(gòu)成，其主要元件為彈性夾筒。將彈性夾筒設(shè)計成一個錐型套筒，表面開出4～6條軸向槽，在結(jié)構(gòu)上分成卡爪A、簧片B和導(dǎo)向部分三個部分。當(dāng)筒夾往后拉時，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并在圓孔中定位。為了簡化結(jié)構(gòu)，其定位元件和夾緊元件被加工成一個整體，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行共同作為定位基準面，將工件的端面作為主要定位基準面。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，以便更準確地定心。

筒夾采用彈簧鋼65Mn材料，具有強度高、耐磨損、彈性好、受熱變形小的特點，熱處理后的頭部材料硬度達到HRC55～60，尾部的薄壁和導(dǎo)向部分硬度達到HRC40～45，適合本次技術(shù)改造要求。夾筒設(shè)計完成后，為了保證夾筒與主軸的同軸程度，經(jīng)過表面精磨后，夾持表面裝配后在數(shù)控車床上精車一刀。夾具體設(shè)計時采用主軸端面和花盤連接的設(shè)計方案，將尾部和車床的主軸法蘭連接，在材料上采用了軸承鋼GCr15，其硬度高達HRC55～60。

（2）夾緊回轉(zhuǎn)缸的選用。工件在夾緊后會出現(xiàn)一定的變形，受壓表面會出現(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、定位的準確性以及加工精度。因此，在選用夾緊回轉(zhuǎn)缸時首先需要確定夾緊力的大小。夾緊機構(gòu)夾具夾緊力的作用主要在于保證工件的定位基準面與定位元件保持良好接觸，使工件在加工時不因受切削力、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）再乘一個系數(shù)來計算實際夾緊力FJ0，將基本安全因數(shù)、加工性質(zhì)因數(shù)、刀具鈍化因數(shù)、切削特點因數(shù)作為安全因數(shù)K。

本次機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，切削特點因數(shù)取1.0，即K=1.5×1.0×1.2×1.0=1.8。

車削時主切削力為：FZ=Papf=1962×3×0.5 =2943N

實際的夾緊力為FJO=KFZ=1.8×2943=5297.4N

CAK4085di數(shù)控車床在進行精加工時，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，夾緊機構(gòu)的行程只要取大于2mm就可以滿足要求了。

綜合考慮，選用清潔無污染、工作迅速、使用安全、維護簡單的氣壓傳動裝置，為了方便與機床主軸連接，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，大于實際夾緊力，可以保證正常使用。

2.尾座改造設(shè)計

在軸承外圈外徑加工中，以軸承內(nèi)孔為定位基準面，采用芯軸作為定位元件，把多個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)控機床的尾座套筒移動采用手動方式，自動化程度低，裝夾工件輔助時間較長。本次軸承外圈外徑加工在數(shù)控車床改造過程中，通過在尾座上安裝汽缸將原來手動改為氣動方式，設(shè)計時主要考慮在實際生產(chǎn)中刀具對工件產(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)尾座套筒移動工作行程來選擇汽缸型號。

（1）軸向切削力計算。根據(jù)金屬切削原理與刀具公式，切削時產(chǎn)生的軸向分力F=（0.1～0.6）FZ，為了安全起見，將切削時軸向分力的系數(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計算。根據(jù)工件（芯軸）設(shè)計時按最大長度和外徑計算：取直徑400mm，長度為350mm。通過公式計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長度計算，得到重量為345.24kg。尾座頂尖的角度標(biāo)準為60°，由于主軸卡盤和尾座頂尖都承受重力，因此頂尖只受到1/2的重力。通過公式：F1=（W/2）/tan30°×9.8=（345.24/2）/tan30°×9.8=2930N，計算得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)準汽缸，在壓縮空氣壓力0.4MPa～0.8MPa的情況下取0.4MPa，計算得汽缸壓力為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，型號為SE60X200。

3.氣壓控制系統(tǒng)的設(shè)計

夾緊回轉(zhuǎn)缸、尾座的氣壓系統(tǒng)經(jīng)過統(tǒng)一設(shè)計，其原理圖，如圖3所示。壓縮空氣通過輸送管道從空氣壓縮機儲氣罐輸送到機床工作位置，通過截止閥1來手動控制總進氣的通斷，由調(diào)壓閥2控制其壓力，同時由油霧過濾器三件套3將管道中的水分過濾掉，并注入潤滑油，使后面的工作元件得到潤滑。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)缸運動，運動速度分別由調(diào)速閥6和7控制。電磁閥8控制尾座頂緊汽缸運動，運動速度分別由調(diào)速閥9和10控制。

4.電氣控制線路改造

由于CAK4085di數(shù)控車床的數(shù)控系統(tǒng)自帶卡盤控制和尾座控制功能，因此可以通過直接調(diào)用車床數(shù)控系統(tǒng)輔助功能模塊中的M08指令代碼來控制電磁閥5，進而控制夾緊回轉(zhuǎn)缸運動，調(diào)用車床數(shù)控系統(tǒng)輔助功能模塊中的M09指令代碼來控制電磁閥8控制尾座頂緊氣缸運動。實際接線時，僅需新增四個繼電器與車床數(shù)控系統(tǒng)的輸出點相連接，用于控制卡盤的夾緊和松開，尾座的前進和后退，如圖4所示。學(xué)校教學(xué)用的數(shù)控車床主軸在啟動過程中，主軸電動機的加減速時間長，為提高加工效率，將變頻器的參數(shù)重新設(shè)定，降低主軸電動機的加減速時間，設(shè)定為2.5秒。

四、技改項目成效

1.成本節(jié)約

通過對數(shù)控車床的技術(shù)改造，無論是從單件和成批來看，明顯提高了軸承生產(chǎn)效率，見下表。

上表顯示，在進行技術(shù)改造前，通用型數(shù)控車床加工單個軸承需要90秒左右的時間，按一個工作日8小時工作時間，一個月30天算僅能加工9600個左右，就算是成批加工一個軸承也需要85秒左右，一個月生產(chǎn)10200個。進行技術(shù)改造后單個軸承的加工時間縮短了65%，僅用40秒左右，其中裝夾等輔助時間僅15秒左右。如果成批生產(chǎn)的話用時更短，僅需30秒左右，生產(chǎn)效率提高了3倍。在近年來，用工緊張的局勢下對企業(yè)來說減小了企業(yè)不小的人力成本和招工壓力。通過改造，扣除技改成本，預(yù)計每臺改造后的數(shù)控車床為企業(yè)節(jié)約生產(chǎn)成本約2萬元。因此，本次的通用型數(shù)控機床改造提高了生產(chǎn)的自動化程度、使用率和工作效率，大大減少了人工成本，為企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟效益。

2.提升教師創(chuàng)新能力

（1）教師專業(yè)知識的一次“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，將涉及的多門課程重新學(xué)習(xí)，融會貫通，尤其是機械教師在電氣控制知識等方面補了短板，對機電專業(yè)教師的知識結(jié)構(gòu)要求理解更全面，有助于日常教學(xué)的開展。

（2）教師圍繞項目開展課題設(shè)計與研修。不少教師專業(yè)的專一技能水平較高，但是針對項目開發(fā)（技改）卻往往無從下手。經(jīng)過本次項目，從設(shè)計圖樣開始到制訂改造方案再到計算受力，最后實施并加以改進，這是教師的一次實實在在的研修，拓寬了教師的思路，過程與方法效果并不亞于技改結(jié)果，消除了教師對技改、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)教師的機電專業(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)控車床工件裝夾過程由氣動完成，提高了機床的性能，大大減少了人工成本，為企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟效益，提升了企業(yè)的綜合競爭能力。改造后的機床由學(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，創(chuàng)新了“現(xiàn)代學(xué)徒制”培養(yǎng)模式，實現(xiàn)學(xué)校與企業(yè)的優(yōu)勢資源互利共贏。

實踐需要思維先行，方法重于內(nèi)容。本項目原先只是一個技改項目，但教師對過程愿意去思考，能改進，有反思并加以進一步研究乃至擴展到其他技改或創(chuàng)新項目，其意義遠遠大于本項目成果的本身。

參考文獻：

[1]李家峰.某TC6鈦合金活塞缸簡體加工工藝研究[D].大連理工大學(xué)，2014.

[2]蔣立正，潘松柏，蔡正力等.軸承套圈專用主軸數(shù)控車床的研發(fā)[J].組合機床與自動化加工技術(shù)， 2015（9）.

[3]朱福敏.數(shù)控車床的技術(shù)改造[J].中國設(shè)備工程，2003（9）.

[4]楊雪玲，李曉靜.金屬切削原理與刀具[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2012.

（作者單位：海寧市高級技工學(xué)校）