通用数控车床轴承加工技改项目的实践研究

杨国峰?徐炜

摘 要：本文主要介绍了通用数控车床轴承加工技改项目的具体实施及成效。通用型数控车床在大批量加工轴承内外圈时，采用三爪自定心手动卡盘和手动尾座时加工辅助时间长，加工效率低。针对这一问题，对数控机床的主轴夹紧部件、手动尾座进行气动技术改造，实现零件快速装夹、加工时尾座自动顶紧，显著提高了设备利用率和生产效率，降低了生产成本。

关键词：数控车床 轴承加工 气动改造

创新是永恒的主题。随着校企产学研合作的深入，一家轴承企业与笔者学校成立了合作订单办班，依托企业和学校的优势资源进行深度校企合作，开展创新研发、技术改造等技术革新项目，同时部分高级工段学生为企业从事轴承加工生产。由于轴承加工数量很大，车床在装夹环节上耗时占比大，轴承精度也受到一定影响。为降低装夹耗时，企业技术人员与笔者学校教师对学校部分通用型数控车床的主轴装夹部件、尾座移动进行气动技术改造，以提高轴承内外圈主要部件加工效率与精度，提高经济效益。

一、轴承加工效率问题

目前，通用型数控机床出厂标准配置附件为三爪自定心手动卡盘、手动尾座。在生产过程中，工件装夹、尾座套筒移动和顶紧零件都需要靠手动完成。据笔者测算，就目前的通用型数控机床来说，批量加工一个轴承零件内外圈平均需要85秒，其中装夹零件的辅助时间约为60秒。装夹过程完全由手工完成，自动化程度低，加工者耗费大量的工作时间，用工成本大，无疑增加了企业的生产成本，降低了市场竞争力。此外，机床在进行多次手工装夹、定位时都会产生一定的误差，轴承内外圈加工精度会受到影响。因此，对于批量生产来讲，随着企业用工成本的增加，无论从生产成本核算、加工工艺方面、还是设备利用率上考虑，都是不经济、不合理的，较明显地影响了轴承生产企业的经济效益。

二、机床改造项目实施目标

1.提升教师作为“工程师”能力和科研能力

（1）教师从理论走向实践。团队中大多数专业教师大学毕业后从教，本次技改项目涉及的软件绘图、气动安装与夹紧力计算、电气控制改造等知识大多在大学里学过理论知识，但却基本未涉及实践。系统地以“工程师”的角度去设计、安装一个技术项目，是对教师综合能力的考量。

（2）技改项目衍生“副产品”。大多数教师常年讲授2～3门课程，其他课程知识除了在大学学习外，工作中基本不涉及。这既是所学浪费，也使教师授课时只能“就事论事”，很少把有关课程知识和技能融会贯通并传授给学生。通过技改项目实践，上述问题能够较好地“补短板”，并衍生论文、课题、微视频等“副产品”。

2.数控车床技改项目内容

企业技术人员与笔者教师团队选择六台数控车床对装夹部分进行改造。

（1）主轴夹紧部件改造。对其中四台CAK4085di数控车床进行了主轴尾端、前端两部分改造，用于加工轴承内孔的装夹。机床主轴尾端主要是增加气压夹紧缸和气动元件，将添加的法兰盘和气压夹紧缸连接，为夹具的夹紧和张开提供动力。机床主轴前端主要是取下三爪自定心卡盘，将主轴前端的法兰盘和整套夹具连接利用气动夹紧缸和夹具之间的拉杆连接来实现夹具夹紧和松开的动作，整体改造图如图1所示。选择四台数控车床的目的是检测对改造后的车床加工轴承内孔的稳定性。

（2）尾座的改造。对另外两台CAK6150数控车床的手动尾座加装气缸来推动尾座实现自动顶紧，用于加工轴承外圈外径。同样，选择两台数控车床的目的也是检测对改造后的车床的加工轴承外径的稳定性。

（3）气压控制系统改造：增加夹紧回转缸、尾座的气压系统，为自动夹紧、顶紧提供动力。

（4）电气部分的改造：利用原有的数控系统控制电路来实现汽缸夹紧缸电磁阀和尾座汽缸电磁阀的动作。

每次工件装夹后，气动自定心夹紧夹具和气压夹紧缸之间的拉杆自动对工件夹紧，同时，气压尾座自动顶紧芯轴，整个过程完全由自动控制，提升了车床装夹工件的效率。

三、机床改造措施

1.主軸夹紧部件改造

（1）弹簧筒夹定心夹紧机构设计。弹簧筒夹定心夹紧机构设计主要包括夹筒和夹具体两部分，如上页图2所示。

根据轴承加工零件以轴线、对称中心为工序基准的特点，采用定心夹紧机构。弹簧筒夹作为定心夹紧机构，由以外圆柱面为定位基准线装夹工件的弹簧夹头构成，其主要元件为弹性夹筒。将弹性夹筒设计成一个锥型套筒，表面开出4～6条轴向槽，在结构上分成卡爪A、簧片B和导向部分三个部分。当筒夹往后拉时，夹具体的锥套将迫使夹筒沿径向收缩变形，从而使工件外圆定心被夹紧。

工件以外圆柱面做定位基准并在圆孔中定位。为了简化结构，其定位元件和夹紧元件被加工成一个整体，装于夹具体内。为保证工件轴向定位精度，工件的外圆与端面实行共同作为定位基准面，将工件的端面作为主要定位基准面。筒夹的外锥角取29°，与筒夹配合的夹具体内锥角取30°，用于增大锥面接触面积，以便更准确地定心。

筒夹采用弹簧钢65Mn材料，具有强度高、耐磨损、弹性好、受热变形小的特点，热处理后的头部材料硬度达到HRC55～60，尾部的薄壁和导向部分硬度达到HRC40～45，适合本次技术改造要求。夹筒设计完成后，为了保证夹筒与主轴的同轴程度，经过表面精磨后，夹持表面装配后在数控车床上精车一刀。夹具体设计时采用主轴端面和花盘连接的设计方案，将尾部和车床的主轴法兰连接，在材料上采用了轴承钢GCr15，其硬度高达HRC55～60。

（2）夹紧回转缸的选用。工件在夹紧后会出现一定的变形，受压表面会出现损伤，夹紧力的大小直接影响工件安装的可靠性、夹紧变形程度、定位的准确性以及加工精度。因此，在选用夹紧回转缸时首先需要确定夹紧力的大小。夹紧机构夹具夹紧力的作用主要在于保证工件的定位基准面与定位元件保持良好接触，使工件在加工时不因受切削力、离心力、惯性力和工件自重等作用力而发生移位。通常情况下采用将理论夹紧力（主要考虑主切削力FZ）再乘一个系数来计算实际夹紧力FJ0，将基本安全因数、加工性质因数、刀具钝化因数、切削特点因数作为安全因数K。

本次机床改造基本安全因数取1.5，加工性质因数取1.0，刀具钝化因数取1.2，切削特点因数取1.0，即K=1.5×1.0×1.2×1.0=1.8。

車削时主切削力为：FZ=Papf=1962×3×0.5 =2943N

实际的夹紧力为FJO=KFZ=1.8×2943=5297.4N

CAK4085di数控车床在进行精加工时，将夹具和工件的间隙控制在1mm内，夹筒的锥角采用30°，则

筒夹的轴向位移为0.866mm，径向缩小为0.5mm，夹紧机构的行程只要取大于2mm就可以满足要求了。

综合考虑，选用清洁无污染、工作迅速、使用安全、维护简单的气压传动装置，为了方便与机床主轴连接，夹紧回旋缸采用KQ-130型中空回转汽缸。在0.8MPa气压、4mm行程的条件下，它的最大推拉力为8104.6N，大于实际夹紧力，可以保证正常使用。

2.尾座改造设计

在轴承外圈外径加工中，以轴承内孔为定位基准面，采用芯轴作为定位元件，把多个轴承外圈套装在芯轴上，采用一夹一顶装夹。由于通用型数控机床的尾座套筒移动采用手动方式，自动化程度低，装夹工件辅助时间较长。本次轴承外圈外径加工在数控车床改造过程中，通过在尾座上安装汽缸将原来手动改为气动方式，设计时主要考虑在实际生产中刀具对工件产生的切削力轴向分力F、工件自重产生的轴向分力F1，再根据尾座套筒移动工作行程来选择汽缸型号。

（1）轴向切削力计算。根据金属切削原理与刀具公式，切削时产生的轴向分力F=（0.1～0.6）FZ，为了安全起见，将切削时轴向分力的系数取为0.6，那么F=0.6×FZ =0.6×2943=1765.8N。

（2）工件（芯轴）自身重力产生的轴向分力F1计算。根据工件（芯轴）设计时按最大长度和外径计算：取直径400mm，长度为350mm。通过公式计算每米钢材的重量为：W=0.006165×d2=0.006165

×400×400=986.4kg，工件（芯轴）按350mm长度计算，得到重量为345.24kg。尾座顶尖的角度标准为60°，由于主轴卡盘和尾座顶尖都承受重力，因此顶尖只受到1/2的重力。通过公式：F1=（W/2）/tan30°×9.8=（345.24/2）/tan30°×9.8=2930N，计算得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。汽缸选择缸径60mm的标准汽缸，在压缩空气压力0.4MPa～0.8MPa的情况下取0.4MPa，计算得汽缸压力为5652N，大于尾座需要克服的最大反作用力，因此可以保证安全。尾座最大行程为200mm，因此，选用行程为200 mm的汽缸，型号为SE60X200。

3.气压控制系统的设计

夹紧回转缸、尾座的气压系统经过统一设计，其原理图，如图3所示。压缩空气通过输送管道从空气压缩机储气罐输送到机床工作位置，通过截止阀1来手动控制总进气的通断，由调压阀2控制其压力，同时由油雾过滤器三件套3将管道中的水分过滤掉，并注入润滑油，使后面的工作元件得到润滑。使用单向阀控制其流向，防止压缩空气回流，保证使用安全。电磁阀5控制夹紧回转缸运动，运动速度分别由调速阀6和7控制。电磁阀8控制尾座顶紧汽缸运动，运动速度分别由调速阀9和10控制。

4.电气控制线路改造

由于CAK4085di数控车床的数控系统自带卡盘控制和尾座控制功能，因此可以通过直接调用车床数控系统辅助功能模块中的M08指令代码来控制电磁阀5，进而控制夹紧回转缸运动，调用车床数控系统辅助功能模块中的M09指令代码来控制电磁阀8控制尾座顶紧气缸运动。实际接线时，仅需新增四个继电器与车床数控系统的输出点相连接，用于控制卡盘的夹紧和松开，尾座的前进和后退，如图4所示。学校教学用的数控车床主轴在启动过程中，主轴电动机的加减速时间长，为提高加工效率，将变频器的参数重新设定，降低主轴电动机的加减速时间，设定为2.5秒。

四、技改项目成效

1.成本节约

通过对数控车床的技术改造，无论是从单件和成批来看，明显提高了轴承生产效率，见下表。

上表显示，在进行技术改造前，通用型数控车床加工单个轴承需要90秒左右的时间，按一个工作日8小时工作时间，一个月30天算仅能加工9600个左右，就算是成批加工一个轴承也需要85秒左右，一个月生产10200个。进行技术改造后单个轴承的加工时间缩短了65%，仅用40秒左右，其中装夹等辅助时间仅15秒左右。如果成批生产的话用时更短，仅需30秒左右，生产效率提高了3倍。在近年来，用工紧张的局势下对企业来说减小了企业不小的人力成本和招工压力。通过改造，扣除技改成本，预计每台改造后的数控车床为企业节约生产成本约2万元。因此，本次的通用型数控机床改造提高了生产的自动化程度、使用率和工作效率，大大减少了人工成本，为企业带来了较大的经济效益。

2.提升教师创新能力

（1）教师专业知识的一次“大电流”充电。本次技术改造由校企共同完成，多数教师重拾大学教材，将涉及的多门课程重新学习，融会贯通，尤其是机械教师在电气控制知识等方面补了短板，对机电专业教师的知识结构要求理解更全面，有助于日常教学的开展。

（2）教师围绕项目开展课题设计与研修。不少教师专业的专一技能水平较高，但是针对项目开发（技改）却往往无从下手。经过本次项目，从设计图样开始到制订改造方案再到计算受力，最后实施并加以改进，这是教师的一次实实在在的研修，拓宽了教师的思路，过程与方法效果并不亚于技改结果，消除了教师对技改、创新的畏惧，提升了教师的自信心。这既是作为学生的指导教师的机电专业老师的需要，也是技师培养层次学生的需要。

3.创新校企合作方式

本次技术改造在企业技术人员与学校师生共同参与下完成，改造后的通用型数控车床工件装夹过程由气动完成，提高了机床的性能，大大减少了人工成本，为企业带来了较大的经济效益，提升了企业的综合竞争能力。改造后的机床由学生在校内为企业直接生产产品，提供了现代企业人才需求的崭新平台，创新了“现代学徒制”培养模式，实现学校与企业的优势资源互利共赢。

实践需要思维先行，方法重于内容。本项目原先只是一个技改项目，但教师对过程愿意去思考，能改进，有反思并加以进一步研究乃至扩展到其他技改或创新项目，其意义远远大于本项目成果的本身。

参考文献：

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[4]杨雪玲，李晓静.金属切削原理与刀具[M].西安：西北工业大学出版社，2012.

（作者单位：海宁市高级技工学校）