加工中心的端盖零件生产工艺改进与夹具设计

前言
现承接了一批企业订单，该批订单要求在一个月时间内，交付二位五通双电控电磁阀的端盖零件五万件。根据原有的工艺条件，该零件的钻削工序使用普通钻床处理，利用预制的定位模定位装夹，进行钻削加工。该工序加工处理时间短、辅助准备时间长，工人劳动强度大，生产效率低。基于生产经验进行工时间核定，熟练工人处理一个零件需时 15 分钟，平均每班只能生产 32 个零件。生产系统现有 12
台钻床，开设三班的情况下，月产量约为 34500 件。订单交期紧迫、生产批量大、设备资源限制及工艺条件较为落后等因素，使得生产部门不能实现如期交货。
对该批零件进行工艺分析后发现：因生产模式较为落后，工人在加工过程中需要对零件进行频繁的定位和装夹，辅助工时占额定工时的比例极大；此外，钻模、钻套的磨损影响加工精度及生产稳定性。基于上述分析，充分利用处理效率高的 VMC850 加工中心资源推行批量生产模式，既能集约使用刀具减少换刀次数以缩短设备停机准备时间，对于优化效率起到立竿见影的作用；又能降低劳动力需求，大幅度降低生产成本。与此同时，应对生产系统进行工艺改良，基于加工中心生产开发新的夹具系统，改善定位和装夹的效率以压缩辅助工时，从而满足该批订单的生产需要。

图-1 端盖零件图
一、端盖零件的加工工序
这批订单的端盖零件是二位五通电磁换向阀的主要元件，其材质为铝合金，如图-1 所示。由零件图可见，钻削工序的前道工序为车削工序，端盖毛坯先经车床车削端盖的顶面及底面，两平面有较高的平行度要求。端盖底面的?22H7 台阶孔与阀体装配，其尺寸精度要求较高。端盖顶面的?10H7/?12 台阶孔，亦经车削加工完成，其中
?10H7 沉头孔处安装阀芯。
经车床设备加工后的坯件需完成钻削工序，?4.5/?9 台阶孔及M3 螺纹孔皆为安装孔，?3 通孔则为气道孔，该工序的主要工步内容见表-1。其中：为保证端盖顶面安装孔的位置精度，在钻削前使用中心钻打孔定位；?4.5 通孔及?9 台阶孔使用台阶钻加工，市面上能买到合适尺寸的标准型号台阶钻头；M3 螺纹精度等级较高，且铝合金坯料的塑性较强，可使用挤压丝锥攻丝处理，既能解决工作工程中排屑困难问题，又能获得较高的螺纹精度和表面粗糙度。
综合分析端盖零件工步内容、形位和尺寸要求，结合所选用VMC850 加工中心性能和关键技术指标，制定钻削方案并编写数控加工工艺卡表（表-1）如下：

二、夹具设计原理分析
为改善定位和装夹的效率，充分发挥加工中心的效率优势，现因应端盖零件钻削工步多，尺寸及形位精度较高的特点，着手改善其工装夹具系统。要求新开发的夹具系统反应速度块、操作简易，定位精度高且有助于提高生产效率。
生产车间已经进行集中供气系统改造，能不间断地提供压力稳定的高纯度气体，这为采用气动夹具设计方案提供了必要的前提条件。
通过对零件图（图-1）进行工艺分析可知，先经车床车削的两端面平行度要求高，针对该批零件而设计制作的气动夹具，其底板作为支承板，能保证零件钻削加工后各孔轴线与上基面的垂直度。车床加工的?22 H7/?24 台阶孔，可考虑与镶嵌在底板上的?22g6 定位柱作间隙配合，以便于零件的安装。为简化夹具的设计制作过程，在设计气缸时可因材制宜，利用气缸元件端面限制零件的一个轴向转动自由度。
传统的加工工艺，定位装夹的过程繁琐复杂、生产效率低。进行气动夹具设计时，优先考虑刀具集约加工原则，尽可能减少换刀次数，一次换刀完成多个零件的同一加工工步，即采用多工位设计思路。针对生产流程规划和前道工序的产能状况，结合钻削工序处理设备
VMC850 加工中心的技术性能和参数，确定本夹具经一次装夹，可加工 60 个端盖零件。
综上所述，在进行气压传动夹具设计时，以保证零件的尺寸精度和形位精度为前提，采用多工位结构充分发挥加工中心的效率优势，以“一面一芯一点”定位为核心设计思想。

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总结
采用传统工装夹具的生产方式，钻削不同规格的安装孔和气道孔，需要频繁更换钻套和刃具。既需要大量的劳动力，而且生产效率低、工作强度大、加工尺寸精度差。熟练工人每处理一个端盖零件平均耗时 15 分钟，一名熟练工人每班只能生产 32 个零件。本案选用VMC850 加工中心，并配套多工位气动夹具进行批量生产，经一次装夹能加工 60 件端盖零件。在提高装定位精度和装夹稳定性的同时，充分发挥加工中心设备加工效率高的特点，集约使用不同规格的刀具，极大地节省了辅助工时。在应用实践阶段进行工时测定，加工60 件端盖零件仅需一小时，生产效率较以往提高了 10 多倍。
更为重要的是，根据原工艺条件制定生产计划，12 台普通钻床安排三班，需 36 名工人轮班生产。生产 50000 件零件需耗时 44 天，高昂的劳动力成本削减了原本已显微薄的利润。而使用加工中心进行排产，6 名加工中心操作工安排三班，完成订单任务仅需 18 天，人力成本仅为工艺改善前的 7%，节省了大量的劳动力。
综上所述，利用 VMC850 加工中心资源推行批量生产模式，并在此基础上进行装夹工艺的改良，使生产效率得到大幅度的提升，既能保证按时交付订单产品，又节省了大量的劳动力资源，并取得了良好的经济效益。

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