通用數控車床軸承加工技改項目的實踐研究

楊國峰?徐煒

摘 要：本文主要介紹了通用數控車床軸承加工技改項目的具體實施及成效。通用型數控車床在大批量加工軸承內外圈時，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，對數控機床的主軸夾緊部件、手動尾座進行氣動技術改造，實現零件快速裝夾、加工時尾座自動頂緊，顯著提高了設備利用率和生產效率，降低了生產成本。

關鍵詞：數控車床 軸承加工 氣動改造

創新是永恒的主題。隨著校企產學研合作的深入，一家軸承企業與筆者學校成立了合作訂單辦班，依托企業和學校的優勢資源進行深度校企合作，開展創新研發、技術改造等技術革新項目，同時部分高級工段學生為企業從事軸承加工生產。由于軸承加工數量很大，車床在裝夾環節上耗時占比大，軸承精度也受到一定影響。為降低裝夾耗時，企業技術人員與筆者學校教師對學校部分通用型數控車床的主軸裝夾部件、尾座移動進行氣動技術改造，以提高軸承內外圈主要部件加工效率與精度，提高經濟效益。

一、軸承加工效率問題

目前，通用型數控機床出廠標準配置附件為三爪自定心手動卡盤、手動尾座。在生產過程中，工件裝夾、尾座套筒移動和頂緊零件都需要靠手動完成。據筆者測算，就目前的通用型數控機床來說，批量加工一個軸承零件內外圈平均需要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，無疑增加了企業的生產成本，降低了市場競爭力。此外，機床在進行多次手工裝夾、定位時都會產生一定的誤差，軸承內外圈加工精度會受到影響。因此，對于批量生產來講，隨著企業用工成本的增加，無論從生產成本核算、加工工藝方面、還是設備利用率上考慮，都是不經濟、不合理的，較明顯地影響了軸承生產企業的經濟效益。

二、機床改造項目實施目標

1.提升教師作為“工程師”能力和科研能力

（1）教師從理論走向實踐。團隊中大多數專業教師大學畢業后從教，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里學過理論知識，但卻基本未涉及實踐。系統地以“工程師”的角度去設計、安裝一個技術項目，是對教師綜合能力的考量。

（2）技改項目衍生“副產品”。大多數教師常年講授2～3門課程，其他課程知識除了在大學學習外，工作中基本不涉及。這既是所學浪費，也使教師授課時只能“就事論事”，很少把有關課程知識和技能融會貫通并傳授給學生。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“副產品”。

2.數控車床技改項目內容

企業技術人員與筆者教師團隊選擇六臺數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數控車床進行了主軸尾端、前端兩部分改造，用于加工軸承內孔的裝夾。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。選擇四臺數控車床的目的是檢測對改造后的車床加工軸承內孔的穩定性。

（2）尾座的改造。對另外兩臺CAK6150數控車床的手動尾座加裝氣缸來推動尾座實現自動頂緊，用于加工軸承外圈外徑。同樣，選擇兩臺數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定性。

（3）氣壓控制系統改造：增加夾緊回轉缸、尾座的氣壓系統，為自動夾緊、頂緊提供動力。

（4）電氣部分的改造：利用原有的數控系統控制電路來實現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設計。彈簧筒夾定心夾緊機構設計主要包括夾筒和夾具體兩部分，如上頁圖2所示。

根據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。彈簧筒夾作為定心夾緊機構，由以外圓柱面為定位基準線裝夾工件的彈簧夾頭構成，其主要元件為彈性夾筒。將彈性夾筒設計成一個錐型套筒，表面開出4～6條軸向槽，在結構上分成卡爪A、簧片B和導向部分三個部分。當筒夾往后拉時，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。為了簡化結構，其定位元件和夾緊元件被加工成一個整體，裝于夾具體內。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，尾部的薄壁和導向部分硬度達到HRC40～45，適合本次技術改造要求。夾筒設計完成后，為了保證夾筒與主軸的同軸程度，經過表面精磨后，夾持表面裝配后在數控車床上精車一刀。夾具體設計時采用主軸端面和花盤連接的設計方案，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）夾緊回轉缸的選用。工件在夾緊后會出現一定的變形，受壓表面會出現損傷，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，在選用夾緊回轉缸時首先需要確定夾緊力的大小。夾緊機構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）再乘一個系數來計算實際夾緊力FJ0，將基本安全因數、加工性質因數、刀具鈍化因數、切削特點因數作為安全因數K。

本次機床改造基本安全因數取1.5，加工性質因數取1.0，刀具鈍化因數取1.2，切削特點因數取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數控車床在進行精加工時，將夾具和工件的間隙控制在1mm內，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.尾座改造設計

在軸承外圈外徑加工中，以軸承內孔為定位基準面，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，設計時主要考慮在實際生產中刀具對工件產生的切削力軸向分力F、工件自重產生的軸向分力F1，再根據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。根據金屬切削原理與刀具公式，切削時產生的軸向分力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）自身重力產生的軸向分力F1計算。根據工件（芯軸）設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.氣壓控制系統的設計

夾緊回轉缸、尾座的氣壓系統經過統一設計，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控制夾緊回轉缸運動，運動速度分別由調速閥6和7控制。電磁閥8控制尾座頂緊汽缸運動，運動速度分別由調速閥9和10控制。

4.電氣控制線路改造

由于CAK4085di數控車床的數控系統自帶卡盤控制和尾座控制功能，因此可以通過直接調用車床數控系統輔助功能模塊中的M08指令代碼來控制電磁閥5，進而控制夾緊回轉缸運動，調用車床數控系統輔助功能模塊中的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控系統的輸出點相連接，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。學校教學用的數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，將變頻器的參數重新設定，降低主軸電動機的加減速時間，設定為2.5秒。

四、技改項目成效

1.成本節約

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

上表顯示，在進行技術改造前，通用型數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10200個。進行技術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。如果成批生產的話用時更短，僅需30秒左右，生產效率提高了3倍。在近年來，用工緊張的局勢下對企業來說減小了企業不小的人力成本和招工壓力。通過改造，扣除技改成本，預計每臺改造后的數控車床為企業節約生產成本約2萬元。因此，本次的通用型數控機床改造提高了生產的自動化程度、使用率和工作效率，大大減少了人工成本，為企業帶來了較大的經濟效益。

2.提升教師創新能力

（1）教師專業知識的一次“大電流”充電。本次技術改造由校企共同完成，多數教師重拾大學教材，將涉及的多門課程重新學習，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，對機電專業教師的知識結構要求理解更全面，有助于日常教學的開展。

（2）教師圍繞項目開展課題設計與研修。不少教師專業的專一技能水平較高，但是針對項目開發（技改）卻往往無從下手。經過本次項目，從設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果，消除了教師對技改、創新的畏懼，提升了教師的自信心。這既是作為學生的指導教師的機電專業老師的需要，也是技師培養層次學生的需要。

3.創新校企合作方式

本次技術改造在企業技術人員與學校師生共同參與下完成，改造后的通用型數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，為企業帶來了較大的經濟效益，提升了企業的綜合競爭能力。改造后的機床由學生在校內為企業直接生產產品，提供了現代企業人才需求的嶄新平臺，創新了“現代學徒制”培養模式，實現學校與企業的優勢資源互利共贏。

實踐需要思維先行，方法重于內容。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新項目，其意義遠遠大于本項目成果的本身。

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（作者單位：海寧市高級技工學校）