特殊產品數控加工工裝的研究及應用

許鎮海，劉禮婷

（1.中車株洲投資控股有限公司，湖南 株洲 412000；2.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000）

引言

在日常生產過程中，經常遇到空心細小、形狀特殊等產品，但缺乏高效的快速生產制造方法。在生產過程中，通常有加工質量差、固定難度大等問題。為保質保量且高效地實現此類產品的加工，迫切需求找到一種先進的加工方法。本論文將以幾個典型案例為例對工裝設計、制造、運用進行全面講解。

1 空心小件產品的加工

刮雨器安裝法蘭是160KM 客運機車的產品，厚度為10 mm，材質為Q345B。工藝流程為先激光下料且在四個孔的中心位置用激光劃十字架，再進行鉆孔、攻絲，銑反面三邊坡口、正面全周邊沉臺。在加工全周邊沉臺時，由于中間是空心的細小工件，使用普通壓鐵進行夾緊時產品容易變形，影響產品質量。加工全周邊沉臺需要兩次裝夾，兩次加工，工效無法滿足生產進程。

1.1 加工工藝問題

改進前工藝流程為先進行鉆孔、攻絲，再銑反面三邊坡口、正面全周邊沉臺（如圖1）。原工序順序有以下缺陷：洗沉臺時刀片擠壓導致M8 螺紋孔有毛刺，精整后會有鐵屑掉入螺紋孔內，需要清理。這不僅影響螺紋孔的質量，還增加工序及增大工人勞動強度。

圖1 產品加工圖（單位：mm）

加工難點是保證產品正面內腔周邊寬度為5 mm 凸臺的對稱，以及3 mm 沉臺和2 mm 坡口鈍邊尺寸。

1.2 改進前的質量工效問題

1）質量合格率低：最初采用的是傳統壓鐵進行裝夾（如圖2）。加工過程中，由于工件為內空心件，壓鐵壓緊時會有一定的變形，且需要兩次裝夾，導致沉臺平面度無法保證，接刀處有0.1～0.5 mm的接刀痕，一次性加工質量合格率僅為88%。

圖2 改進前裝夾

2）工效低：由于需要兩次裝夾，兩次加工，相對應的走刀路線也需要兩次，且產生的接刀痕需用拋光砂輪進行精整，因此每個班次只能加工8 件坡口和沉臺。

1.3 工裝設計制作

1.3.1 工裝設計

根據刮雨器法蘭形狀和加工工藝，以制作低成本、使用高效率為原則制作一套專用工裝。

工裝分為配套的下模定位塊與上模壓緊塊。下模用兩個錯位的Φ22 孔進行定位，上模用四個螺桿進行壓緊；預留與下模定位孔相對應的Φ36 工藝孔，保證與定位螺栓不干涉，孔寬度的位置與工作臺T型槽一致。外形尺寸根據工件內腔尺寸整體周邊放量3 mm，在上模下方與下模上方的周邊按工件外輪廓尺寸加工一個2 mm 沉臺（如圖3）。

圖3 工裝設計圖（單位：mm）

1.3.2 工裝制作

準備厚度為10 mm的板料，按照設計圖要求用激光下料上、下模外輪廓和所有孔；用數控銑在上模下方與下模上方的周邊按工件外輪廓尺寸加工一個2 mm 沉臺，沉臺長度尺寸為mm，寬度尺寸為mm，以保證與工件間隙配合。準備六個M20的T型螺母與對應長度的M20 螺栓。

1.4 改裝效果

新工裝制作并使用后，使產品一次性加工合格率從88%提升到96%，最終提升到99.9%。工效從每個班次8 件到12 件再到30 件，總計提升275%。

2 窗框蒙皮類產品的加工

2.1 存在的問題

以電力機車諧號HXD1 和神華八軸電力機車為例，各類窗框蒙皮存在數量多、種類多、產品尺寸不一致的現象，工件外觀整體為方形，工件均為3 mm板材，加工角度為3°，直邊不留鈍邊。

傳統方式機床加工效率低，費時又費力；如果采用速成方式（人工打磨），加工效率高，產品質量低。前期使用的兩種方式均不能高效、輕松地實現生產。為提高產品的質量，實現批量高效生產，讓刀具、刀片、機床被完全利用，需要進行攻關來提升加工效率。

2.1.1 攻關前加工方法

1）傳統方法：一般在生產任務不緊張的情況下，如果使用機床單件加工，需要2 個人配合完成，每班次只能加工40 件，費時費力。

2）速成方法：一般在生產任務緊張的情況下，安排1 人使用風動砂輪機來完成正常的生產打磨長直邊30°坡口，每班次也只能加工40 件，工作強度大。

2.1.2 攻關前存在的問題

1）產品質量無法保證：打磨的產品質量（坡口角度）全靠員工經驗來保障，且每件均要使用角度尺核對角度，產品質量不穩定，有坡口磨卷邊的風險。

2）現場環境條件差：打磨過程中灰塵四濺，對環境有污染，且影響員工身體健康。

2.2 工裝設計制作

2.2.1 制作靠模

按照圖紙要求，用30°可轉位成型刀具加工兩塊規格一樣、一面為30°的靠模（見圖4），利用平行四邊形原理使其能多塊錯位加工，保證錯位位移量為1.7 mm，既能保證加工角度，也能提高機床加工效率。

圖4 成型刀具加工出來的標準靠模

2.2.2 產品的定位加工過程及效果

定位是以30°坡口邊為定位基準，一次性可碼垛3 件（電磁吸力足夠），錯位擺放之后加工出來的產品完全符合產品要求，極大提高了加工效率。通過結合畫圖測量，以及利用三角函數計算得出每層錯位數值為1.7 mm，在允許的偏差內，產品質量穩定。

2.3 工裝使用效果

1）效率提升。攻關后相較于攻關前每班次加工效率提升100%。

2）人工成本得到節約。按照80 臺車計算，每臺車14 件，總數有1 120 件。攻關前每班加工40 件坡口，需要28 個班次；攻關后后每班可加工80 件坡口，需要14 個班次。攻關前后共節約人工成本2 661.12 元（詳見表1）。

表1 攻關前后節約人工成本

3）耗材成本得到節省：攻關前按照80 臺車1 120件計算，每個班次加工80 件，以前每個班次會耗費10 片左右砂輪片，因此每班次消耗砂輪片的成本約31.75×10=317.5 元，1 120 件需要28 個班次，80 臺車的蒙皮需要花費的成本是28×317.5=8 890 元。攻關后按照80 臺車1 120 件計算，去除毛刺五個班次需要1 片，總共需要28 個班次，大概6 片左右，80臺車的蒙皮需要花費的成本是6×31.5=189 元。節約耗材成本8 890-189=8 701 元。

總節約成本=節約人工成本+節約耗材成本=8 701+2 661.12=11 362.12 元。

3 小產品鉆孔攻絲

3.1 存在的問題

以電力機車車體底架組件為例（如圖5），該產品定位尺寸較高，為異形塊狀焊接件，按照圖紙要求需要在三處焊接塊上鉆孔、攻絲。然而鉆孔、攻絲均存在不變裝夾的問題。同時產品本身是焊接件，內部組成由于受熱，可能會導致部分金屬相性變化，且焊接后打磨平整度不高；在批量生產中，還是只能按“上壓下固定”的方法加工，雖然對鉆孔沒有多大的影響，攻絲卻存在很大困難，攻絲前需要松開夾具，將產品雙面倒角（方便絲錐排屑）完后，再重新固定后攻絲。這種工藝方法不僅生產效率低下，而且對于絲錐的消耗也很大，操作者的勞動強度高。

圖5 車體底架組件

現階段生產該底架組件，在鉆孔、攻絲過程中，脫絲問題時有發生（基本上集中在螺紋的第8—13扣），雖可以滿足生產進程，但支架螺紋孔攻絲合格率只能達到70%。產品質量的不穩定致使生產成本、加工成本難以控制。

現階段鐵八/神華項目中的底架組件在加工過程中如繼續使用前期鉆孔的工裝（如圖6），無法完成攻絲工序，原因一是該鉆孔工裝只能適應鉆孔工序，攻絲會撞鉆夾頭；二是由于產品較小（20 mm×36 mm），會造成夾具干涉。

圖6 自制的鉆孔工裝和裝夾方式

3.2 工裝設計制作

1）根據存在的加工問題，設計一套裝夾方便、能保質保量的工裝；

2）編制加工工藝：鉆孔（底孔，俗稱落刀孔，也是后面的攻絲出刀孔）、銑孔（螺旋式加工，按產品外觀尺寸加工）、銑沉臺孔（方便拿出、放置）、攻絲（詳見圖7）；

圖7 工裝制作流程

3）固定和安裝新工裝，試驗加工產品。

3.3 工裝使用效果

原采用鉆床先鉆后換工裝再攻絲時，每人每班次能加工40 件。運用“創新攻絲機+自制專用工裝（單頂多件式）”后，工效提高到每人每班次加工120件，相較于在傳統法上提升了200%。數據對比見表2。

表2 創新攻絲機+自制專用工裝與傳統加工人工成本對比分析計算

原采用鉆床先鉆后換工裝再攻絲時，每攻絲完40 件需消耗15 根絲錐（含板料不平導致斷裂）。改為用“創新攻絲機+自制專用工裝（新操作法）”后，一個班120 件產品，絲錐消耗降至15 根。數據對比見表3。

表3 創新攻絲機+自制專用工裝（新操作法）與傳統加工成本對比分析

總節約成本=節約人工成本+節約耗材成本=3 991.2+10 358.6=14 349.8 元。

4 結論

本文主要從3 個不同案例進行分析對比、總結，分析了特殊產品的加工工效提升方法及創新工裝的制作思路，通過制作專用工裝，解決特殊產品無法快速優質批量生產的問題。

該方法已固化到多種小型產品的機械加工工藝中，且嚴格按照機械加工工藝卡片執行，此方法推廣范圍廣，后續所有機車車型中小型產品的加工都可以運用此方法。