轴类产品两端孔加工方法改进

孙焕丽

（宁夏天地奔牛实业集团有限公司，宁夏石嘴山 753000）

轴是宁夏天地奔牛实业集团有限公司（以下简称“天地奔牛”）生产的煤炭刮板输送机、转载机及破碎机轴组的核心零件，它的加工效率及质量直接影响整套综采设备的生产周期及质量品牌。天地奔牛生产的轴品种繁多，规格多样，长度规格800～3000mm，直径规格Φ100～500mm，重量800～3000kg。天地奔牛每年生产约4000件轴，轴两端各有8×M30均布的螺纹孔，该螺纹孔的加工一直制约着轴的加工效率及质量，同时还存在着安全隐患，目前该螺纹孔的加工工艺如下。

（1）划线（划线平台）：划出两端螺纹孔加工线。

（2）钻孔（摇臂钻床）：立起工件，按线找正，钻攻成一端8×M30螺纹。

（3）翻个，按线找正，钻攻成另一端8×M30螺纹孔。

以上工艺执行过程存在以下问题。

（1）轴立起加工，立起过程存在安全隐患。轴立起时，吊具要起吊外圆，而外圆没有通孔，只能依靠外圆的台阶。若是台阶尺寸差距小，工件比较重，起吊和翻转过程中很容易发生吊具脱落事故，因此工序执行过程存在安全隐患。

（2）螺纹孔的位置精度靠人工划线及摇臂钻工找正保证，受人为因素影响大，加工质量不稳定。在进行组装时，经常会发生孔距错位无法组装的问题，每月平均有10次以上返修。

（3）生产效率低，辅助时间长。工件加工完一端后，需要翻转工件，加工另一端，上下工件及压紧工件占总加工时间1/3。如果孔深或工件太高，操作人员需要爬在辅助梯上加工，加工两端16个螺纹孔需要约3h。

1 设备选型方案

1.1 设备选型

首先，要解决安全隐患问题，摇臂钻床是一种立式的加工方式，使用摇臂钻床就需要将工件立起来才能实现加工，工件立起的过程必然存在安全隐患，因此需选用卧式的加工方式；其次，提升产品质量，需要减少人为参与，提高设备的数控化；最后，要提高生产效率，就要减少辅助时间，如果工件无需翻转及重新找正，能加工成轴两端的螺纹孔，就能达到提效的目的。

综合以上因素及市场上成熟的设备类型，数控卧式镗铣床是最适合加工轴类产品两端孔的设备，但是轴类属于细长型，长度800～3000mm，Φ100～500mm，要想一次装夹完成，工件必须放置在工作台中心，兼顾长度800～3000mm的全部工件，主轴镗杆的伸出长度≥1200mm才能实现。这类数控卧式镗铣床的价格均在300万元以上，若是用该类高精度的设备只加工轴两端的螺纹孔，使用10年成本都无法收回，经济收益较差。同时设备标配的高精度、高加工能力无法发挥，对设备资源也造成浪费。因此，需要设计及定制经济又实用的专用设备，才能够满足产品的加工需求。

1.2 设备设计方案

借鉴数控卧式镗铣床的结构特点，将钻杆箱侧挂在立柱上，钻杆箱在立柱上可以上下移动。为了实现工件两端孔同时加工，将两套钻杆箱分别侧挂在左右立柱上，置于工件两端，一端的立柱固定，另一端的立柱可移动，适应不同长度的工件加工，同时使用专用可调节工装夹具，支撑及压紧工件。设备设计方案，如图1所示。

图1 设备设计方案

1.3 设备结构及工作原理

机床具有两套钻杆箱，对称分布于工件两端面处，每个钻杆箱各有一套独立的刀具进给系统。工件两端钻杆箱均为三坐标结构，可加工具有坐标孔分布的工件，工件固定，刀具旋转进给。钻杆箱可在各自的立柱上垂直移动，伺服控制，右立柱固定，左立柱整体可在床体上靠近或远离工件，适应不同长度工件的加工。

1.4 工件加工过程描述

（1）将工件装到工作台上的夹具上，及时进行找正。

（2）各伺服轴移动到合适的位置。

（3）开启钻杆箱，驱动刀具旋转。

（4）事先开启冷却系统。

（5）Z轴进给系统驱动刀具进给，可实现刀具工进及快进。

（6）钻到设定位置，冷却之后暂停，刀具退回，可实现刀具快退。

（7）数控系统驱动刀具系统移动至下一个钻孔位置，重复（5）,（6）步骤，完成之后，再加工下一个孔。

（8）利用双通道数控系统，两端孔可以同时进行加工。

方案可能存在以下隐患。

（1）轴端面均为螺纹孔，最大的螺纹孔为中心处的M42×2，使用丝锥加工，受到的扭矩大，所以采用侧挂的方式可能存在刚性不足的问题。

（2）一侧立柱固定，一侧立柱移动，移动端立柱行程太长，由于需要加工的工件长度为800～3000mm，所以移动端的立柱行程至少为2200mm，才能满足产品加工要求，而且长时间一侧移动，设备容易出现故障。

因此对设计方案进行优化，形成以下最终方案。

（1）主轴由侧挂式更改为框式（与卧式加工中心相似）。

（2）两端立柱同时移动，实现长轴及短轴均能兼容，如图2所示。

图2 设备最终设计方案

2 工装夹具设计方案

2.1 夹具方案

夹具方案如图3所示。

图3 夹具方案设计图

2.2 夹具的通用性和工作原理

首先，本套夹具可以满足工件直径在Φ100～500mm、 长度为800～3000mm2件的装夹；工件轴向和径向均可依据工件的直径和长度进行调整；调整机构均采用“T型丝杆+丝母+燕尾硬轨”及手轮调整的移动结构形式。其次，用手轮调整径向移动定位块，可适应不同直径的工件装夹；通常情况下，用手轮调整工件轴向定位位置调整座，可适用不同长度的工件加工。最后，设置相应的定程挡块，防止调整位置的误差，在加工同一种工件过程中不需要调整，只有在工件换型时调整夹具的装夹范围。

2.3 夹具装夹的刚性保证及特性

装夹范围调整机构均采用燕尾硬轨和镶条相结合的移动结构，可确保夹具的动态刚性和静态刚性，从而保证工件的加工刚性；工件的径向定位采用V形块的定位形式，V形块为分体式，一侧固定，另一侧可调整位置（以满足不同直径工件径向定位）；工件的轴向定位通过“工件的轴肩端面”和“2个轴向移动机构”来实现，一个位置不动，另一个做轴向夹紧，来保证同一种工件轴向定位的一致性；夹具的上部有2个推拉式压板用于压紧工件。

3 项目实施后效果

采用改进后的设备和夹具后，轴类产品两端实现了卧式加工，消除了立轴的安全隐患；孔的位置精度及尺寸精度由设备保证，减少了人为影响，解决了质量不稳定的问题。经过反复实验与数据对比得知：如果两端螺纹孔不同步加工，工件加工效率可提升约3倍；如果两端螺纹孔同步加工，加工效率可提升5倍左右。项目改进效果如图4所示。

图4 项目效果

4 结语

轴类工件加工是一项严谨精密、操作技术要求高的技术工作，随着现代技术的不断发展，加工也在朝着高速、高精度、自动化、系统化的方向发展。通过对加工轴类产品两端孔的设备改进，不但保证了生产过程的安全可靠，同时极大地提高了加工效率，而且还能够确保产品质量的稳定性，达到了预期效果。