轉向架焊接接頭無齒盤自動化精磨工藝

吳向陽，王心紅，李 陽，崔云龍，張衛華

（1.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031）

0 前言

轉向架是高速軌道車輛的最重要部件之一，起著支撐車體、保證車輛安全運行、減緩車輛和線路間的相互作用以及制動等作用，直接決定了車輛的舒適性、安全性和動力性能。轉向架由橫梁、側梁和構架組成，是轉向架的承載部件，主要通過焊接制造。轉向架的性能不但與焊接過程有關，焊接后打磨工藝也有很大的影響。轉向架焊縫通過打磨成圓滑過渡，可消除應力集中，防止從棱角處開裂，顯著降低應力水平，提高轉向架使用壽命和安全性能。目前，轉向架構件主要采用人工手動打磨，打磨效率低、一致性差、勞動強度大、作業環境惡劣。因此，本研究中采用先進的機器人技術結合自行設計的無齒盤動力打磨頭研究轉向架自動精磨工藝。

1 方法及設備

工業機器人是一種多軸聯動的、具有靈活的工作軌跡和姿態的機械裝置，它具有較強的通用性和較高的可靠性。本研究中使用ABB機器人，到達距離為2 900 mm，承重能力325 kg，重心360 mm，手腕最大轉矩2 680 N·m，位置重復精度0.1 mm。精磨采用動力打磨頭打磨，選用碳化鎢旋轉銼刀無齒盤打磨的線速度為60 m/s，機器人行進速度為2 mm/s，每次打磨進深為1 mm。配合專用工件夾、治具、變位機、周邊機械以及電氣系統，選用SMA490BW轉向架專用耐候鋼橫梁部件進行，完成轉向架焊縫的自動打磨技術研究。

圖1 打磨機器人及動力打磨頭模型

焊縫精磨后殘余應力測試使用的設備為加拿大PROTO公司生產的便攜式iXRD殘余應力儀，測試標準參考GB/T 7704-2008無損檢測：X射線應力測定方法；表面粗糙度采用符合國標GB/T 6062及ISO，DIN，ANSI和JIS四項標準的 Mitutoyo SJ-210型表面粗糙度測量儀進行測定；用蔡司金相顯微鏡分析精磨后的金相組織；表面形貌分析采用共聚焦軟件進行分析。

2 結果和分析

通過無齒盤機器人自動精磨后焊縫的表面如圖2a所示。圖2a中，焊縫經過精磨后，表面呈現光亮的金屬光澤，表面圓滑平整，焊縫和母材過渡圓滑區域未傷及母材。在打磨焊縫表面選取（x，y）的15個坐標點，使用Mitutoyo SJ-210型表面粗糙度測量儀貼在打磨后的焊縫表面，分別測試各個點的表面粗糙度，測試示意如圖2b所示。

將測試出的點進行整理，表面粗糙度最大值為點（3，5）的 0.767 μm，最小值為點（1，1）的 0.293 μm，計算其平均值為0.439 μm，可見，經過精磨后的焊縫表面粗糙度低于1 μm。圖3為焊縫精磨后表面粗糙度云圖。由圖3可知，整個區域基本呈現藍色和青色，除了個別邊角區域粗糙度稍高外，焊縫精磨后的表面粗糙度一致性較好，說明經過精磨后達到了較為理想的效果。

采用PROTO公司生產的便攜式iXRD殘余應力儀測試上面15個點的殘余應力，測試出的σx和σy如圖4所示。圖4a為打磨區域的σx殘余應力主要是壓應力，其值在-156～31 MPa，其最大值在點（1，2）和點（3，4）附近區域。圖 4b為打磨區域的σy殘余應力主要是壓應力，其值在-251～128 MPa，其最大值在點（3，4）附近區域。轉向架耐候鋼室溫屈服強度大于350 MPa，故精磨后的殘余應力滿足要求。

圖3 焊縫精磨后表面粗糙度云圖

圖4 焊縫精磨后殘余應力云圖

圖5為近打磨面的金相組織，由圖5可知，從表面到心部均為針狀鐵素體與針狀珠光體組織，部分區域有貝氏體組織出現。近打磨面的金相組織和內部相同，并未出現淬硬組織或回火組織，說明經過無齒盤高速精磨后，表層組織均勻并保持較好的組織性能，未因快速精磨而發生組織變化。

圖6a為無齒盤自動打磨后在200倍共聚焦激光電子顯微鏡下的形貌。由圖6可知，磨削表面的磨削紋路十分清晰且較為完整，基本沒有附著物，部分區域因為試樣放置較久出現少量的銹跡，打磨表面狀態良好，沒有發現打磨微裂紋。將所采集微區表面形貌通過VK analyzer軟件測量對角線上表面粗糙度分布情況，如圖6b所示。由于試樣表面整體往右下角傾斜，在三維圖中顯示成右下角較低；從線掃描分析結果來看，試驗表面粗糙度分布相對平整，未出現起伏面。

切取的金相樣品從接近打磨面往心部進行顯微硬度梯度測量，梯度間距為150μm、150μm、150μm、150 μm、200 μm、250 μm、300 μm、350 μm，實驗載荷500 g，保載時間10 s，測量結果如圖7所示。由圖7可知，顯微硬度測量結果在200 HV左右，與相關文獻所提供數據基本相當；從表層到心部硬度分布平穩，未呈現出遞增或遞減趨勢，說明打磨后表面未出現明顯的加工硬化。

圖5 焊縫精磨后截面金相組織

3 結論

（1）表面粗糙度最大值為0.767 μm，最小值為0.293 μm，平均值為 0.439 μm，可見經過精磨后的焊縫表面粗糙度低于1μm，表面粗糙度一致性較好。

（2）打磨區域的σx殘余應力主要是壓應力，σy殘余應力主要是壓應力，精磨后的殘余應力低于轉向架屈服強度。

（3）微觀組織結構表明精磨后未出現淬硬組織或回火組織，經過無齒盤高速精磨后，表層組織均勻。

圖6 局部微區表面形貌

圖7 近打磨面顯微硬度梯度分布

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