數控車削輪轂的夾爪改進與工藝優化

陳彩英

（梅州市技師學院，廣東 梅州 514071）

數控車削輪轂的夾爪改進與工藝優化

陳彩英

（梅州市技師學院，廣東 梅州 514071）

闡述在輪轂的數控車削加工過程中，由于受到夾具的夾緊力和切削力的作用，致使工件在加工時產生變形，尺寸精度大大超差，嚴重時甚至工件會脫落于夾具，導致工件報廢。經過本人認真研究，通過改進夾爪、調整工件夾緊位置，適當改變夾頭夾緊力及優化加工工藝等，從而大大提高了加工精度和生產效率，降低了勞動強度，節約生產成本。希望以上的方法能對從事相關工作的人員有一定的借鑒作用。

輪轂；夾爪；夾緊位置；夾緊力

隨著科學技術的迅速發展，對于機械加工行業，在大批量輪轂加工生產過程中，無論是裝夾還是車削，如果夾具設計或工藝不合理，對輪轂生產線的生產周期和生產成本，都將造成較大的影響。因此，夾具的改進與工藝的優化對于提高生產效率和經濟效益有著重大的意義。

1 加工中原工藝與問題

我廠與外企合作加工輪轂。車削工藝原仿效國外工藝，其工藝流程如下：

工序1：粗精車小端。首先裝夾毛坯Ф380mm的外圓進行加工小端（圖1，粗線為加工部位），加工機床為CK516B數控立車。

工序2：粗精車大端。再裝夾已加工好的Ф280.5mm外圓，加工大端（圖2，粗線為加工部位），但在實際生產時，該工藝達不到國外工藝要求。

圖1 輪轂粗精車小端簡圖

圖2 輪轂粗精車大端簡圖

因為當時設備出廠時的夾頭壓力分別設為小端32 kgf/cm2，大端24 kgf/cm2。當零件加工完畢后，對輪轂進行三坐標檢測，所測量的結果是大端法蘭面的端面（Ф380至Ф290的端面）跳動嚴重超差，在0.1mm左右。

為此，夾頭的壓力分別調到22 kgf/cm2、20 kgf/cm2、18 kgf/cm2，然而加工出的輪轂法蘭面跳動仍然超出圖紙要求（圖2法蘭面跳動0.05mm），即使最小壓力為18 kgf/cm2，加工出的輪轂跳動仍為0.06mm。所以按正常輪轂毛坯的強度和硬度進行切削力與夾緊力的計算，認為降至14 kgf/cm2的夾緊力才是足夠的。在降低壓力試驗連續穩定地加工了多個輪轂，且全部合格，跳動均在0.04～0.05mm之間。

調試到了這個階段可以說是較為圓滿了，但始料不及的是，由于個別毛坯有夾渣及氣孔，及加工余量較多或不均勻，在粗車大端的加工工序中，當程序剛執行到粗車Ф176mm端面時，就將整個重達25千克的工件頂出夾爪，飛向刀架，造成10多萬元的意大利DUPLOMATIC八工位電動刀架嚴重損壞。造成該結果的原因的是，我們忽略生產設備和毛坯質量的不同，生搬硬套國外的工藝。進口毛坯外形尺寸比較準確，加工余量少，材質上也非常穩定，而國內毛坯則不能達到這種技術，除了加工余量大外，每一爐毛坯質量有一些差異，所以碰到毛坯質量稍差時問題就出現了。

至此，調試的進程又陷入了困境，具體表現為：輪轂大端壓力增大則變形，使之端面跳動不合格；壓力減小則夾緊力不夠，造成工件和機床的損壞，而進口毛坯則成本過高，供應也比較困難。最后，因多次調試失敗和刀架損毀嚴重，我們對原有工藝進行調整，增加一道工序，即工藝更改為：

工序1：粗車大外圓。用普通車床夾大端Ф176mm毛坯外圓粗加工大外圓尺寸至Ф384mm。

工序2：粗精車小端。將壓力調至20 kgf/cm2，裝夾毛坯Ф384mm的外圓進行加工小端（圖1，粗線為加工部位）。

工序3：粗精車大端。再裝夾已加工好的Ф280.5mm外圓，加工大端（圖2，粗線為加工部位）。

調整后的工藝一直生產了多年，符合現有的加工要求，達到了加工的目的。

2 問題的發現及分析

因增加一道工序，對輪轂的生產效率造成較大的影響，影響輪轂整條生產線的生產，為此我考慮應在耗時最長的工序上去提速，而最慢的則正好又是車削輪轂大端，尤其是輪轂大端工位。在加工時我發現，當夾爪夾緊輪轂時的瞬間，都存在著產品圓周方向局部區域抬起的現象。用百分表在車削好的法蘭面上去檢查同一點夾緊和放松的高度變化情況，在0.02mm以上。

如果產品法蘭面這邊某點誤差在0.02mm，那邊某點誤差在0.02mm，在多個誤差累積下，那么端面0.05mm的跳動就很難保證了。反過來，如果可以控制，那么普通車削這一工序則就可以省去。當然，這0.05mm的誤差應該是夾爪底部聯接件在受很大力后存在的間隙和夾爪與工件受力后的彈性變形所組成的。

3 問題的解決

綜合上面所出現的問題，我們分三步進行解決：

（1）重新調整夾爪、定位塊和工件之間的相對位置，使輪轂的變形量進一步減小

因輪轂的形狀和尺寸是固定的，所以只能從夾爪和定位塊來改變。接下來因夾爪需進行車削，所以先準備一工件作為夾爪的支承塊。另外，定位塊高出夾爪，所以必須先進行拆除。拆除好后，夾爪夾緊支承塊，進行車削改進。首先車削夾爪端面，取最低的一個夾爪高度，然后再降低0.3mm左右，將三個夾爪端面車成同一高度。其次車削夾爪的外邊，因為改進后夾爪端面與輪轂法蘭的間隙只有0.5mm，而正常加工輪轂過程中，容易車到或撞到夾爪外邊，所以將夾爪外邊車一小臺階，深度為5mm，直徑為Ф375mm。車削好后裝回定位塊，并調整定位塊高度，調至比夾爪端面高度高0.8～0.9mm左右，然后鎖緊固定好定位塊。最后用車刀在夾爪端面升高0.5mm，將定位塊端面車一刀，這時，輪轂的夾緊位置就得到了改變，如圖3所示。

圖3 （改進后的）工作臺

（2）解決夾緊輪轂產品圓周方向局部區域抬起的現象

夾爪受力后底部與夾爪夾緊面之間形成一力偶，導致各聯接件產生微量的彈性變形而引起夾頭向后仰。而夾緊輪轂的瞬間，夾爪面不是同時接觸工件的，所以產生了產品圓周方向局部區域抬起的現象。另外，在夾緊時的瞬間夾頭表面和輪轂的接觸面先是面接觸的，然后夾頭向后仰，轉變為線接觸，而導致工件向上升起極微小的高度。假如夾緊時先由線接觸，然后再轉變為面接觸，那么夾爪就會很牢地夾緊工件。

所以將夾爪車削一個錐度，使其夾緊由線到面；同時，面接觸時盡量消除夾爪向后仰和夾爪與毛坯之間的彈性變形量，而輪轂Ф280.5mm的變形計算較為復雜。所以本人利用紅丹在Ф280.5mm外圓涂色觀察夾頭夾緊時的接觸情況，最后定為夾頭下端為Ф280.58mm。另外，法蘭端面到Ф280.5mm外圓面有一刀尖圓弧R1.2mm，為了避開刀尖圓弧，所以倒一個1×45°的角。加工好后將夾爪和定位塊進行去銳倒棱，如圖4所示。

圖4 改進后的工作臺

（3）確定夾緊力

因每次產品脫出時都是在輪轂粗精大端工序，在加工Ф176mm端面時發生的，所以對加工該部位進行夾緊力計算。

1）切削力計算

加工該處的受力圖如圖5所示，輪轂粗精大端工序夾緊力計算：工件材料為球墨鑄鐵,工件轉速n=380轉/分鐘,進刀速度f=0.4毫米/轉,加工余量3mm，工件直徑176mm，車刀主偏角93°，前角10°，利用切削數據軟件計算得到如下數據:

主切削力Fc=2 158.37N，進給力Ff=840.92N，背向力Fp=539.59 N。

圖5 輪轂切削加工受力圖

2）切削平面的力矩計算

輪轂粗精大端工序夾緊工件后，防止工件打滑的力矩=2 158.37×0.176/2=189.94 N·m。所需的夾緊力FN=(189.94/(0.280 05/2))/0.3=4 521.57N。其中，0.3為輪轂與夾爪的靜磨擦系數，查液壓油缸及液壓夾頭說明書；當液壓夾緊壓力大于12 kgf/cm2時，液壓夾頭可產生 4 525 N的夾緊力，又根據試驗液壓夾緊壓力大于20 kgf/cm2時，加工的產品變形量超出工藝要求，故選用18 kgf/cm2的夾緊力，液壓夾頭可產生6 787.50N的夾緊力。

3）傾覆力矩計算

根據圖6及上述計算數據，刀具對輪轂的傾覆力矩為：

夾爪對輪轂的作用力矩，如圖6所示，A、B、C三點為夾爪中心點，假設A點為支承點，三爪夾緊力為FN，B、C兩夾緊點對 A點的力矩 Mf=（2/3）×FN×0.3×(210.38/1 000)=0.042×FN（N·m），其中 0.3為輪轂與夾爪的靜磨擦系數。

圖6 A、B、C為夾爪中心點

要保證足夠夾緊力，必須保證Mf＞M，即0.042×FN＞209.63。經計算得FN＞4 982.29N。

當液壓壓力為18 kgf/cm2時，液壓夾頭可產生6 787.50 N的夾緊力,足以保證輪轂加工過程中不會脫出。

當這三步解決以后，接下來就是重新對刀、修改程序和試加工，修改后的程序如下：

在程序和刀補都準確無誤后，就拿粗精小端已加工好的輪轂（Ф380mm外圓未加工）進行試加工。加工情況非常穩定，待加工好后送三坐標進行全面測量，結果與圖紙要求完全一致，并且最難解決的法蘭面跳動在0.04mm，完全達到了加工的要求。接下來連續加工了10多件，其跳動都在0.035～0.045mm之間。

4 重新更改工藝后的生產情況

重新更改后的工藝為：

工序1：粗精車小端；

工序2：粗精車大端。再裝夾已加工好的Ф280.5mm外圓，加工大端（圖2，粗線為加工部位）。

在更改工藝后，省去了普通車削這一工序，全部由數控機床完成。而所擔心的工件飛出事情從未發生過。并且有幾次加工到非常硬的毛坯時，竟將刀架的位置頂變位，且系統都停機報警了，而毛坯仍然夾持得非常牢固。另外，法蘭面跳動，也一直保持在0.035～0.045mm之間。

5 結束語

經生產實踐證明，這次夾爪的改進，將原先難解決的問題處理好，省去了普通車這一工序,從而優化了工藝。同時，為下一步優化加工程序，提高加工速度奠定了基礎，使輪轂加工重新走回了較為科學、合理的工藝。并且，本次更改工藝，重點在于觀察和發現問題，沒有更換任何零件和浪費資金，為公司降低生產成本，提高效率和保證質量做出了一定的貢獻。在改進后，省了兩臺普通車床，四個車工，另節省了刀具消耗、工人工資、車床電費等，一年可節省10萬元左右。同時節省了加工時間、縮短了加工周期，經濟效益十分明顯。

致謝：歷時半載，從論文選題到搜集資料，期間都離不開我們伍小健科長的精心指導和不懈的支持，在此謹向伍科長和所有培訓老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。

[1]本社合著.數控車工[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

[2]勞動部培訓司.工程力學[M].第二版.濟南：中國勞動出版社，1990.

[3]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工學出版社，2009.

[4]陸劍中，孫家寧，等.金屬切削原理與刀具[M].第4版.北京：機械工業出版社，1984.

China Labour and SocialSecurity Publishing House

CHENCai-ying
（Meizhou Technician College，Meizhou Guangdong 514071，China）

In the numerical control turning wheel,due to clamping fixture and cutting force,to make the workpiece deformation inmachining,precision greatly ultra poor,seriouswhen even theworkpiecewillbe offon the fixture,leads to the scrap.Aftermy careful study,through the improvement of the jaws,adjust the clamping position,changing the chuck clamping force and the optimization process,which greatly improves the machining accuracy and production efficiency,reduces the labor intensity,saving the cost of production.Hope that the above method can be used for reference for the related personnel.

hub；jaw；the clamping position and clamping force

TH162

B

1672-545X（2014）04-0158-04

2014-01-06

陳彩英（1975—），女，廣東梅州人，二級實習指導老師，大專，研究方向：機械專業一體化教師。