降本增效驱动的轴承座类零件工艺改进及夹具设计

刘 妍

（沈阳优尼斯智能装备有限公司，辽宁 沈阳 110142）

随着传统机械行业内的横向竞争不断加剧，国内机械产品加工产能严重过剩，机械制造行业订单明显减少，导致企业利润降低[1]。在此背景下，企业应适时地结合企业发展形式和行业内的技术背景开展生产技术线的创新，积极采取有效的措施降低生产成本。降本增效是实现技术升级的重要手段，能够为生产企业的深加工提供技术支持和保障。轴承座是基础性的零部件，其广泛应用在各类机床、汽车、农机和船舶等多个行业产品当中，并且均有专业化的应用场景。由于其应用广泛并且具有大批量生产的特性，所以有效降低轴承座类零件的生产成本、提高加工效率是一个重大研究课题。

1 降本增效的过程及设计要素

首先在进行方案设计时需要有合适零件设备使用的场景，最大限度地满足设备的使用功能。在整机的参数和性能设计当中，对于参数的零部件强度、刚度以及计算其寿命时,需要结合各类设备的使用工况进行深化设计。同时对于载荷类的参数选取，需要选取最合适的的安全系数，保证零件在安全的运行区间内运行[2]。同时还要综合考虑零件的功能性能、使用性以及安全性能，结合初投资和运行成本进行经济型分析和计算[3]。

其次要在已有产品的设计形式上进行修改设计，防止由于重复设计所导致的成本增加，对于相似的零部件要尽可能地统一成一个标准，不断探索和优化设计材料和设计形式[4]。技术负责人要积极参与到项目的前期谈判过程当中，进而掌握降低成本的相关信息，尤其是在审图的进程中，熟悉并消化项目的技术协议及相关合同，明确零部件的供货情况和供货条件，避免在工作时出现重复采购或遗漏的情况。在技术审图的进程中要充分了解设备的使用情况和设计的基本原理[5]。

最后，创新型的设计还要结合已有的加工工具及设备，通过合理的加工顺序来有效地指导生产工序和内容[6]。充分注重冷、热工艺之间的交叉应用和相互关系。同时在生产的过程中要兼顾生产质量和生产成本。在批量生产产品时，及时跟进工艺的实际执行情况，积极听取相关人员的意见及建议，对生产工艺进行不断的修整和整合，最终完成性能稳定的产品，实现产品的降本增效。

2 轴承座类零件加工工艺分析

工艺改进方法的措施主要有3 点：1）在热处理完成后要立刻进行水压试验，保证水道焊接之后能够进行热处理，其目的主要是要消除管道之间的内应力，保证其尺寸不变形。同时在焊缝进行热处理之后，立即检查是否存在漏水以及渗水的现象。2）为了有效地解决进出水孔在加工后出现的缺陷暴露以及渗水等问题。增加了半精加工的工序。在各个加工面上留有加工的余量，避免由于暴露出现的铸造缺陷。3）在进行半精加工后精加工之前，增加水压的实验供需。通过水压测试判断出水口是否存在问题，保证轴承座的密封性。

轴承座是机械产品当中最为常见的典型零部件，其主要功能是在机械设备中起到支撑齿轮以及皮带轮或连杆等传动部件的作用[7]。从结构形式的区分来看，可以区分为梯形轴、锥形轴以及光轴等形式[8]。在应用的场景当中，以梯形传动轴的应用最为广泛，其加工技术充分体现了轴件加工的规律与共性。该文通过应用已有的加工经验，结合常用的应用场景设计了T3系列的轴承座。其轴承座类零件的外观形状及对精度的要求基本类似，同时为了方便日后的运维管理和更换，该文对一款T3 系列智能数控车床X轴轴承座进行了工艺分析。设计效果图如图1 所示。轴承座的设计材料选用的是铸铁件，其中大部份表面均为加工面，这为实际的加工制作带来了一定的挑战和难度。其中在正向精度面、侧向精度、底部精度面以及轴承安装孔处加工难度最高，精度要求最大。均需要有较高的尺寸精度以及形位公差。

图1 T3 系列车床X 轴轴承座示意图

同时为了保证上述的尺寸精度、形位公差的要求，轴承座类零件的传统机加工方式是在卧式加工中心全序完成的。采用了HMC63e 数控卧式加工中心结合成熟的工装夹具进行多件并联加工。通过实际的现场加工和核算，使用该工艺的单件理论实动工时为41.2 min，单件成本合计为75.5 元，同时零件的工废率控制能够控制在2%左右。

2.1 首次工艺改进

为了有效降低轴承座的生产成本并且提升产品的生产效率，需要对生产工艺进行创新的改造。首先，在之前的加工工作中由于生产设备的原因造成了较高的单件成本，所以该加工进程中将卧式加工中心全序改为立式加工中心全序进行加工测试。该加工采用了i5M 4.2 型智能立式加工中心，在已有的加工工装夹具的基础上经过简单改造后继续使用。立式加工中心的转数和实际的进给速度远远高于卧式加工中心，同时i5M 4.2 型作为中型立式数控加工中心，该设备小时单价运行费用仅为HMC63e 数控卧式加工中心的1/2。所以在加工流程当中替换加工中心的工艺改进方案理论可行。经过50 件小批量测试后，轴承座工废率达14%，经检验核查后发现是由于底部精度面、正向精度面以及安装孔中轴线尺寸精度超差、形位公差不能得到保证导致的。同时合格件的检测结果也多在极限偏差位置附近，且精度离散严重，这是制约产品件性能的主要因素。

对此该文采取唯一变量法进行逐一排查，通过更换加工过程中的刀具来提高工装卡压工件力度，同时不断地优化加工程序等多番实验进程，来提升产品的工废率。最后经研判为机床自身的问题。i5M4.2作为中型立式加工中心，由于其结构限制，主轴扭矩和主轴箱整体刚度远远小于卧式加工中心的正挂式主轴箱。特别是在镗削较大孔时，背吃刀量较大，机床也会出现大幅振动，严重影响后序精加工。如果减小背吃刀量或采用铣削方式开粗，则加工时间直线上升。如果放弃使用中型立式加工中心，选用大型立式加工中心，生产成本与效率与卧式加工中心基本一致，失去了降本增效的原有意义。为此，选择工艺方案时，采用i5M4.2 立式加工中心四周开粗、半精，但是在成孔的进程当中仍旧采用的是HMC63e 卧式加工中心精铣各向精度面及镗削轴承安装孔，分序以及分步骤加工完成。最后经过批量测试后再进行核算，使用该工艺的单件理论实动工时为26.9 min，单件成本61.3 元，工废率仍控制在2%左右。采用新工艺后生产效率提升约35%，成本降低19%，达到了降本增效的目的。

2.2 二次工艺改进

在首次工艺改进后，采用新工艺生产的轴承座初步实现了降本增效的目的，但仍未达到最优解决方案，还有进一步提升空间。在该工艺运行一段时间后，重新提出新工艺改进方案：例如调整切削参数，尝试减少铸件毛坯余量，测试新型刀具等，在经多次实验后，均没有得到明显的改善。因此，工艺改进的方向仍是改变加工设备，彻底放弃使用卧式加工中心。

同时在首次工艺改进时，工艺方案选择了妥协退让的办法，精铣精度面及镗孔还是由卧式加工中心完成。为此，将原工艺更改为轴承座四周开粗及半精铣、精铣侧向精度面、底部精度面均在i5M4.2 立式加工中心上完成。精车正向精度面、粗精车轴承安装孔则在数控车床上（这里选用i5T5.2 数控车床）加工，用“以车代镗”的方式再次进行降本增效。显而易见，卧式加工中心与数控车床是2 种完全不同的机加工设备。卧式加工中心是采用工件静止、刀具旋转的工作方式去除工件余量，而数控车床正相反，工件旋转、刀具相对静止。因此，生产设备的改变导致工步顺序、工装夹具、程序、刀具等也随之改变。在实际的加工进程当中，工装夹具是重中之重，其可以迅速更换工步顺序、程序、刀具等。而原有的卧式加工中心所使用的工装夹具不能仅做简单的改进便继续在车床上使用。所以，必须重新设计一套车削轴承座新型专用夹具以适应改进后的工艺，达到进一步降本增效的目的。

3 轴承座车削夹具总体设计方案

轴承座类零件外形较为复杂，其结构形式并非对称回转体，所以该文需要重点解决其车削工艺性问题，并且在设计车削夹具过程中应充分考虑轴承座在夹具的装夹稳定性，另外轴承安装孔与侧向精度面，底部精度面均有较高尺寸精度、形位公差要求，如何定位工件在夹具中的准确位置同时也是该文探究的重点。

3.1 车削工艺分析及偏心夹具设计

对该型轴承座车削工艺性分析。轴承座外观形状较为对称，需车削的孔轴心位置并未在工件的质心附近，夹具设计时，要考虑到在车床加工过程中工件与夹具旋转的静平衡和动平衡问题。偏心夹具可以解决静平衡的问题，利用Solidworks 软件对夹具和工件三维建模并模拟装配，计算整体质心与工件质心理论偏移量并加以适当的配重块及配重孔，当夹具实物制造完成后再运用平衡机校正平衡，从而使工件与夹具整体静平衡。

同时由于工件材质为铸铁件，在铸造时材料密度分布不均匀，实际上并不能使每个待加工件的理论质心与实际质心一致。另外，上序制造精度的微小差异也会造成一定的不平衡问题，所以静平衡在实际的运行中只是发生着相对位置的变换。轴承座作为中小型零件车床加工时转速相对较低（一般在200 r/min 以内），振动较小，可忽略上述问题。

轴承座车削专用夹具整体设计方案。工件直接利用上序加工完成的螺栓孔固定。为了解决工件在夹具中的定位问题，该文采用“L”形定位块，定位块两基准面有严格的公差要求，作为工件加工过程中的定位面。装夹工件时直接利用上序已加工好的工件两精度面，靠实定位即可。夹具结构示意图如图2 所示。

图2 夹具结构示意图

3.2 夹具回转精度校正方案

根据二次工艺改进方案可知，轴承座安装孔在数控车床上车削完成，所以装夹时孔面为毛坯面，无法通过压表找正的方式校正孔中心与车床卡盘回转中心同轴度。因此，该文在设计夹具的基础上进行了改进，其效果图如图3 所示。

在图3 所示的夹具示意图中，可通过其2 处外圆面（半径值为轴承座两精度面到孔中心线的尺寸理论中间值）与“L”形定位块的两基准面靠实定位，并利用调整块及调整螺钉微调“L”形定位块在夹具中的相对位置达到轴承安装孔与车床三爪卡盘孔中心同轴。精度校正的方案和专用检具不仅试用于该型轴承座的产前精度校正，还可用于生产过程中的周期性检验环节，从而进一步保证批量工件的精度稳定性和加工精度一致性。

图3 夹具校正示意图

4 结论

经100 件批量测试验证，通过设计使用一种新型轴承座专用夹具从而改进的新加工工艺进一步实现了降本增效的目的。经效费核算，使用该工艺的单件理论实动工时为21.5 min，单件成本为41.6 元，工废率控制在3%以内，符合公司标准.采用的新工艺与第一次工艺改进结果相比较而言，生产效率再次提升约20%，成本降低32%。综上所述，通过2 次工艺改进，设计了专用夹具以及轴承座，有效地提高了生产效率、降低了生产成本。同时，作为典型的轴承座类零件，对其他同类零件的降本增效工作有着积极显著的借鉴意义。