降本增效驅動的軸承座類零件工藝改進及夾具設計

劉 妍

（沈陽優尼斯智能裝備有限公司，遼寧 沈陽 110142）

隨著傳統機械行業內的橫向競爭不斷加劇，國內機械產品加工產能嚴重過剩，機械制造行業訂單明顯減少，導致企業利潤降低[1]。在此背景下，企業應適時地結合企業發展形式和行業內的技術背景開展生產技術線的創新，積極采取有效的措施降低生產成本。降本增效是實現技術升級的重要手段，能夠為生產企業的深加工提供技術支持和保障。軸承座是基礎性的零部件，其廣泛應用在各類機床、汽車、農機和船舶等多個行業產品當中，并且均有專業化的應用場景。由于其應用廣泛并且具有大批量生產的特性，所以有效降低軸承座類零件的生產成本、提高加工效率是一個重大研究課題。

1 降本增效的過程及設計要素

首先在進行方案設計時需要有合適零件設備使用的場景，最大限度地滿足設備的使用功能。在整機的參數和性能設計當中，對于參數的零部件強度、剛度以及計算其壽命時,需要結合各類設備的使用工況進行深化設計。同時對于載荷類的參數選取，需要選取最合適的的安全系數，保證零件在安全的運行區間內運行[2]。同時還要綜合考慮零件的功能性能、使用性以及安全性能，結合初投資和運行成本進行經濟型分析和計算[3]。

其次要在已有產品的設計形式上進行修改設計，防止由于重復設計所導致的成本增加，對于相似的零部件要盡可能地統一成一個標準，不斷探索和優化設計材料和設計形式[4]。技術負責人要積極參與到項目的前期談判過程當中，進而掌握降低成本的相關信息，尤其是在審圖的進程中，熟悉并消化項目的技術協議及相關合同，明確零部件的供貨情況和供貨條件，避免在工作時出現重復采購或遺漏的情況。在技術審圖的進程中要充分了解設備的使用情況和設計的基本原理[5]。

最后，創新型的設計還要結合已有的加工工具及設備，通過合理的加工順序來有效地指導生產工序和內容[6]。充分注重冷、熱工藝之間的交叉應用和相互關系。同時在生產的過程中要兼顧生產質量和生產成本。在批量生產產品時，及時跟進工藝的實際執行情況，積極聽取相關人員的意見及建議，對生產工藝進行不斷的修整和整合，最終完成性能穩定的產品，實現產品的降本增效。

2 軸承座類零件加工工藝分析

工藝改進方法的措施主要有3 點：1）在熱處理完成后要立刻進行水壓試驗，保證水道焊接之后能夠進行熱處理，其目的主要是要消除管道之間的內應力，保證其尺寸不變形。同時在焊縫進行熱處理之后，立即檢查是否存在漏水以及滲水的現象。2）為了有效地解決進出水孔在加工后出現的缺陷暴露以及滲水等問題。增加了半精加工的工序。在各個加工面上留有加工的余量，避免由于暴露出現的鑄造缺陷。3）在進行半精加工后精加工之前，增加水壓的實驗供需。通過水壓測試判斷出水口是否存在問題，保證軸承座的密封性。

軸承座是機械產品當中最為常見的典型零部件，其主要功能是在機械設備中起到支撐齒輪以及皮帶輪或連桿等傳動部件的作用[7]。從結構形式的區分來看，可以區分為梯形軸、錐形軸以及光軸等形式[8]。在應用的場景當中，以梯形傳動軸的應用最為廣泛，其加工技術充分體現了軸件加工的規律與共性。該文通過應用已有的加工經驗，結合常用的應用場景設計了T3系列的軸承座。其軸承座類零件的外觀形狀及對精度的要求基本類似，同時為了方便日后的運維管理和更換，該文對一款T3 系列智能數控車床X軸軸承座進行了工藝分析。設計效果圖如圖1 所示。軸承座的設計材料選用的是鑄鐵件，其中大部份表面均為加工面，這為實際的加工制作帶來了一定的挑戰和難度。其中在正向精度面、側向精度、底部精度面以及軸承安裝孔處加工難度最高，精度要求最大。均需要有較高的尺寸精度以及形位公差。

圖1 T3 系列車床X 軸軸承座示意圖

同時為了保證上述的尺寸精度、形位公差的要求，軸承座類零件的傳統機加工方式是在臥式加工中心全序完成的。采用了HMC63e 數控臥式加工中心結合成熟的工裝夾具進行多件并聯加工。通過實際的現場加工和核算，使用該工藝的單件理論實動工時為41.2 min，單件成本合計為75.5 元，同時零件的工廢率控制能夠控制在2%左右。

2.1 首次工藝改進

為了有效降低軸承座的生產成本并且提升產品的生產效率，需要對生產工藝進行創新的改造。首先，在之前的加工工作中由于生產設備的原因造成了較高的單件成本，所以該加工進程中將臥式加工中心全序改為立式加工中心全序進行加工測試。該加工采用了i5M 4.2 型智能立式加工中心，在已有的加工工裝夾具的基礎上經過簡單改造后繼續使用。立式加工中心的轉數和實際的進給速度遠遠高于臥式加工中心，同時i5M 4.2 型作為中型立式數控加工中心，該設備小時單價運行費用僅為HMC63e 數控臥式加工中心的1/2。所以在加工流程當中替換加工中心的工藝改進方案理論可行。經過50 件小批量測試后，軸承座工廢率達14%，經檢驗核查后發現是由于底部精度面、正向精度面以及安裝孔中軸線尺寸精度超差、形位公差不能得到保證導致的。同時合格件的檢測結果也多在極限偏差位置附近，且精度離散嚴重，這是制約產品件性能的主要因素。

對此該文采取唯一變量法進行逐一排查，通過更換加工過程中的刀具來提高工裝卡壓工件力度，同時不斷地優化加工程序等多番實驗進程，來提升產品的工廢率。最后經研判為機床自身的問題。i5M4.2作為中型立式加工中心，由于其結構限制，主軸扭矩和主軸箱整體剛度遠遠小于臥式加工中心的正掛式主軸箱。特別是在鏜削較大孔時，背吃刀量較大，機床也會出現大幅振動，嚴重影響后序精加工。如果減小背吃刀量或采用銑削方式開粗，則加工時間直線上升。如果放棄使用中型立式加工中心，選用大型立式加工中心，生產成本與效率與臥式加工中心基本一致，失去了降本增效的原有意義。為此，選擇工藝方案時，采用i5M4.2 立式加工中心四周開粗、半精，但是在成孔的進程當中仍舊采用的是HMC63e 臥式加工中心精銑各向精度面及鏜削軸承安裝孔，分序以及分步驟加工完成。最后經過批量測試后再進行核算，使用該工藝的單件理論實動工時為26.9 min，單件成本61.3 元，工廢率仍控制在2%左右。采用新工藝后生產效率提升約35%，成本降低19%，達到了降本增效的目的。

2.2 二次工藝改進

在首次工藝改進后，采用新工藝生產的軸承座初步實現了降本增效的目的，但仍未達到最優解決方案，還有進一步提升空間。在該工藝運行一段時間后，重新提出新工藝改進方案：例如調整切削參數，嘗試減少鑄件毛坯余量，測試新型刀具等，在經多次實驗后，均沒有得到明顯的改善。因此，工藝改進的方向仍是改變加工設備，徹底放棄使用臥式加工中心。

同時在首次工藝改進時，工藝方案選擇了妥協退讓的辦法，精銑精度面及鏜孔還是由臥式加工中心完成。為此，將原工藝更改為軸承座四周開粗及半精銑、精銑側向精度面、底部精度面均在i5M4.2 立式加工中心上完成。精車正向精度面、粗精車軸承安裝孔則在數控車床上（這里選用i5T5.2 數控車床）加工，用“以車代鏜”的方式再次進行降本增效。顯而易見，臥式加工中心與數控車床是2 種完全不同的機加工設備。臥式加工中心是采用工件靜止、刀具旋轉的工作方式去除工件余量，而數控車床正相反，工件旋轉、刀具相對靜止。因此，生產設備的改變導致工步順序、工裝夾具、程序、刀具等也隨之改變。在實際的加工進程當中，工裝夾具是重中之重，其可以迅速更換工步順序、程序、刀具等。而原有的臥式加工中心所使用的工裝夾具不能僅做簡單的改進便繼續在車床上使用。所以，必須重新設計一套車削軸承座新型專用夾具以適應改進后的工藝，達到進一步降本增效的目的。

3 軸承座車削夾具總體設計方案

軸承座類零件外形較為復雜，其結構形式并非對稱回轉體，所以該文需要重點解決其車削工藝性問題，并且在設計車削夾具過程中應充分考慮軸承座在夾具的裝夾穩定性，另外軸承安裝孔與側向精度面，底部精度面均有較高尺寸精度、形位公差要求，如何定位工件在夾具中的準確位置同時也是該文探究的重點。

3.1 車削工藝分析及偏心夾具設計

對該型軸承座車削工藝性分析。軸承座外觀形狀較為對稱，需車削的孔軸心位置并未在工件的質心附近，夾具設計時，要考慮到在車床加工過程中工件與夾具旋轉的靜平衡和動平衡問題。偏心夾具可以解決靜平衡的問題，利用Solidworks 軟件對夾具和工件三維建模并模擬裝配，計算整體質心與工件質心理論偏移量并加以適當的配重塊及配重孔，當夾具實物制造完成后再運用平衡機校正平衡，從而使工件與夾具整體靜平衡。

同時由于工件材質為鑄鐵件，在鑄造時材料密度分布不均勻，實際上并不能使每個待加工件的理論質心與實際質心一致。另外，上序制造精度的微小差異也會造成一定的不平衡問題，所以靜平衡在實際的運行中只是發生著相對位置的變換。軸承座作為中小型零件車床加工時轉速相對較低（一般在200 r/min 以內），振動較小，可忽略上述問題。

軸承座車削專用夾具整體設計方案。工件直接利用上序加工完成的螺栓孔固定。為了解決工件在夾具中的定位問題，該文采用“L”形定位塊，定位塊兩基準面有嚴格的公差要求，作為工件加工過程中的定位面。裝夾工件時直接利用上序已加工好的工件兩精度面，靠實定位即可。夾具結構示意圖如圖2 所示。

圖2 夾具結構示意圖

3.2 夾具回轉精度校正方案

根據二次工藝改進方案可知，軸承座安裝孔在數控車床上車削完成，所以裝夾時孔面為毛坯面，無法通過壓表找正的方式校正孔中心與車床卡盤回轉中心同軸度。因此，該文在設計夾具的基礎上進行了改進，其效果圖如圖3 所示。

在圖3 所示的夾具示意圖中，可通過其2 處外圓面（半徑值為軸承座兩精度面到孔中心線的尺寸理論中間值）與“L”形定位塊的兩基準面靠實定位，并利用調整塊及調整螺釘微調“L”形定位塊在夾具中的相對位置達到軸承安裝孔與車床三爪卡盤孔中心同軸。精度校正的方案和專用檢具不僅試用于該型軸承座的產前精度校正，還可用于生產過程中的周期性檢驗環節，從而進一步保證批量工件的精度穩定性和加工精度一致性。

圖3 夾具校正示意圖

4 結論

經100 件批量測試驗證，通過設計使用一種新型軸承座專用夾具從而改進的新加工工藝進一步實現了降本增效的目的。經效費核算，使用該工藝的單件理論實動工時為21.5 min，單件成本為41.6 元，工廢率控制在3%以內，符合公司標準.采用的新工藝與第一次工藝改進結果相比較而言，生產效率再次提升約20%，成本降低32%。綜上所述，通過2 次工藝改進，設計了專用夾具以及軸承座，有效地提高了生產效率、降低了生產成本。同時，作為典型的軸承座類零件，對其他同類零件的降本增效工作有著積極顯著的借鑒意義。