軸箱體加工工藝分析及質(zhì)量改進(jìn)

■ 南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 （山東 266111）

管益輝 劉 萬(wàn) 周國(guó)棟

250km動(dòng)車組軸箱體是轉(zhuǎn)向架的重要部件，其與軸承裝置是聯(lián)系構(gòu)架和輪對(duì)的活動(dòng)關(guān)節(jié)，使輪對(duì)的滾動(dòng)轉(zhuǎn)化為車體沿鋼軌的平動(dòng)，在承受列車重量的同時(shí)傳遞各方向的作用力。

200km動(dòng)車組軸箱體開始階段從日本川崎進(jìn)口，為進(jìn)一步使200km動(dòng)車組國(guó)產(chǎn)化，2013年公司開始開發(fā)研制250km統(tǒng)型軸箱體。

軸箱體屬于重要部件，其加工精度要求高，通過(guò)對(duì)加工試制過(guò)程的跟蹤分析，合理利用柔性生產(chǎn)線加工軸箱體，解決加工過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題，制定切實(shí)可行的加工工藝方案，既能保證軸箱體的加工精度符合設(shè)計(jì)要求，又能提高軸箱體的加工能力與質(zhì)量，質(zhì)量與效率得到很大提升，滿足了生產(chǎn)需要。

1. 加工設(shè)備

軸箱體柔性加工生產(chǎn)線由信息系統(tǒng)、加工系統(tǒng)和物料輸送系統(tǒng)組成（見(jiàn)圖1）。

圖 1

信息系統(tǒng)是生產(chǎn)線的總控制臺(tái)，主要進(jìn)行加工程序編輯、作業(yè)管理、刀具管理等。

加工系統(tǒng)由5 臺(tái)N H 6 3 0 0 0 DCGII主機(jī)設(shè)備組成。5臺(tái)設(shè)備分別按照1號(hào)機(jī)、2號(hào)機(jī)、3號(hào)機(jī)、4號(hào)機(jī)及5號(hào)機(jī)依次布置，在1號(hào)機(jī)帶有U軸刀具。每臺(tái)設(shè)備的刀具容量為100把，具有在線檢測(cè)、刀具破損檢測(cè)等功能。

物料輸送系統(tǒng)由上、下兩層托盤架共48個(gè)托盤位、3個(gè)裝卸工位及1條托盤自動(dòng)運(yùn)輸線組成。軸箱體生產(chǎn)線根據(jù)生產(chǎn)需求，配備了32個(gè)安裝工件工裝的托盤。物料輸送系統(tǒng)根據(jù)總控制臺(tái)的作業(yè)安排將托盤送至托盤位、裝卸工位及5臺(tái)設(shè)備待加工位。

2. 加工特點(diǎn)

軸箱體加工特點(diǎn)為：①軸箱體通過(guò)一、二工位兩次裝夾，完成全部尺寸加工。②根據(jù)生產(chǎn)要求，可進(jìn)行多個(gè)產(chǎn)品并行生產(chǎn)加工。③軸箱體生產(chǎn)線在各工序加工刀具滿足使用要求的情況下，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作、無(wú)人自動(dòng)作業(yè)。④在設(shè)定好加工計(jì)劃后，針對(duì)臨時(shí)加急生產(chǎn)計(jì)劃，在總控制臺(tái)進(jìn)行計(jì)劃優(yōu)先調(diào)整，可方便應(yīng)對(duì)生產(chǎn)突發(fā)狀況。

3. 產(chǎn)品情況

產(chǎn)品材質(zhì)為ZG25MnNi，屬于鑄造件，軸箱體抗沖擊性能、拉伸及延展性等力學(xué)性能高，但存在砂眼、硬點(diǎn)、夾砂及焊修硬點(diǎn)等鑄造缺陷，此類缺陷易損壞刀具，降低刀片的耐用度，影響工件加工精度。

4. 工藝特點(diǎn)

根據(jù)公司配套經(jīng)濟(jì)化要求，軸箱體外供來(lái)料毛坯粗加工后，單邊留量1.0～1.5mm，在軸箱體柔性加工生產(chǎn)線上加工時(shí)，根據(jù)工裝設(shè)計(jì)需要，部分粗加工留量定為工藝定位尺寸，規(guī)定了配合公差。

5. 加工過(guò)程

所要加工的軸箱體如圖2所示。采用兩工位裝夾，完成全部尺寸加工要求。

圖2 軸箱體立體圖

（1）一工位平裝。軸箱體平放，使用來(lái)料粗加工后的內(nèi)孔，利用一面兩銷定位夾緊方式（見(jiàn)圖3），加工完成彈簧圓柱及底面、清障面、軸溫檢測(cè)器、時(shí)時(shí)軸溫傳感器安裝座各部尺寸、減振器座、注油孔各部尺寸，并鉆攻此工位各部螺紋孔。

（2）二工位立裝。采用彈簧面的50mm圓柱及底平面與節(jié)點(diǎn)端得活動(dòng)定位來(lái)裝夾工件（見(jiàn)圖4）。加工完成軸承孔孔徑及兩端面、節(jié)點(diǎn)孔及兩端面各部尺寸、鉆注油孔內(nèi)側(cè)倒角，并鉆攻此工位各部螺紋孔。

6. 加工工藝難點(diǎn)

（1）時(shí)時(shí)軸溫傳感器安裝座加工：為保證高速動(dòng)車組行車安全，隨時(shí)檢測(cè)軸箱軸承裝置在運(yùn)行過(guò)程中的溫度變化，避免軸箱軸承裝置溫度過(guò)高而造成行車安全隱患，250km動(dòng)車組軸箱體在200km動(dòng)車組軸箱體的基礎(chǔ)上增加了時(shí)時(shí)軸溫傳感器裝置，設(shè)計(jì)了時(shí)時(shí)軸溫傳感器安裝座。

時(shí)時(shí)軸溫傳感器安裝座與軸箱體軸承孔與節(jié)點(diǎn)孔中心線夾角為35°，安裝座2個(gè)M16－6H螺紋孔深48mm，螺紋有效長(zhǎng)度43mm，與之配合的傳感器螺栓精度為6g，配合間隙小于0.02mm（見(jiàn)圖5）。因中心夾角為35°，造成加工空間較窄，數(shù)控設(shè)備加工過(guò)程中主軸與節(jié)點(diǎn)孔外壁產(chǎn)生干涉，因此需采用加長(zhǎng)刀具解決。但刀具加長(zhǎng)，銑面過(guò)程中刀具振動(dòng)，加工面表面粗糙度值超差。螺紋旋合長(zhǎng)度大，較難保證配合精度，面銑刀、絲錐刀體的選用為此工序的難點(diǎn)。

圖3 平裝夾具示意圖

圖4 夾具示意圖

（2）軸承孔各部加工：軸承的孔端面以及孔內(nèi)各尺寸（φ235+0.046+0mm、φ230+0.044+0.015mm）、形狀和位置精度要求高，圓度0.02mm，圓柱度0.02mm，垂直度0.02mm，節(jié)點(diǎn)端面對(duì)軸承端面垂直度0.05mm，節(jié)點(diǎn)孔對(duì)端面垂直度0.05mm。軸承孔的設(shè)計(jì)尺寸要求如圖6所示。

要滿足軸箱體的加工精度要求，既需要先進(jìn)的加工設(shè)備、合理的工裝，又要由正確的工藝方法保證。在滿足各項(xiàng)加工要求的情況下，同時(shí)要兼顧生產(chǎn)效率、保證生產(chǎn)進(jìn)度，滿足生產(chǎn)需求。

7. 安裝座加工工藝分析及問(wèn)題的解決

時(shí)時(shí)軸溫傳感器安裝座加工工藝為：銑安裝面→鉆螺紋孔底孔→倒角→攻2個(gè)M16－6H螺紋孔。加工過(guò)程中，因主軸和軸箱體易產(chǎn)生干涉，通過(guò)刀具選用及編輯程序時(shí)使用合理的切削參數(shù)來(lái)解決。

（ 1 ） 銑 安 裝 面： 選 用φ 63mm加長(zhǎng)面銑刀粗精加工，φ 63mm面銑刀半徑小，可提高主軸轉(zhuǎn)速，減少每齒進(jìn)給量，降低刀具振動(dòng)，提高減振器表面質(zhì)量。

（2）鉆螺紋孔底孔：因使用加長(zhǎng)夾持鉆頭刀桿，鉆孔過(guò)程中易造成底孔偏大，鉆孔攻螺紋后，雖塞規(guī)檢測(cè)合格，但螺紋孔中徑超差，出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，導(dǎo)致工件報(bào)廢，因此螺紋孔底孔采用φ13.8mm內(nèi)冷鉆頭啄鉆鉆孔指令加工。φ13.8mm鉆頭直徑稍小于螺紋孔中徑要求，可以避免中徑超差問(wèn)題；內(nèi)冷方式切削液充分冷卻，降低鉆頭磨耗；啄鉆鉆孔指令G83及時(shí)排屑，防止切屑纏繞造成孔徑超差，Q 參數(shù)變化可控制鉆屑大小及加工效率。

（3）倒角：此加工程序中應(yīng)用了破損檢測(cè)指令M103，破損檢測(cè)指令作用是檢測(cè)鉆頭的長(zhǎng)度，防止因鉆頭破損，鉆孔深度無(wú)法滿足攻螺紋要求而造成質(zhì)量問(wèn)題。

（4）攻螺紋：采用剛性?shī)A頭夾緊絲錐，中間增加彈性?shī)A套。此方法避免了攻螺紋過(guò)程中因異常情況造成螺紋孔質(zhì)量問(wèn)題，提高了螺紋孔的加工精度。

通過(guò)分析研究，選用合理的刀具、編輯正確程序及使用合理的切削參數(shù)，解決了時(shí)時(shí)軸溫傳感器安裝座加工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，滿足了該部位全部尺寸的加工設(shè)計(jì)要求。

8. 軸承孔加工工藝分析及改進(jìn)

此工位將一工位加工的彈簧圓柱及底面為定位銷、面，節(jié)點(diǎn)面活動(dòng)銷定位，而工件定位夾緊后，需將活動(dòng)定位銷取走，此定位方式能保證完全定位（見(jiàn)圖3）。

（1）原因分析。軸承孔加工后檢測(cè)尺寸合格，加工全部尺寸后，送三坐標(biāo)檢測(cè)軸承孔，發(fā)現(xiàn)孔尺寸、圓度和圓柱度超差。分析其主要原因?yàn)椋孩佥S承孔外壁形狀不相同，切削參數(shù)不合理造成。②裝夾方式錯(cuò)誤造成。

（ 2 ） 工 藝 改 進(jìn)。 通過(guò)選用T C G T 1 1 0 2 0 8 E L、TCGT110204EL、TCMT090204－24、T C M T110208－P F4、T C G T 1 1 0 2 0 8 E L 帶涂層和TCMT110208－24共6種精鏜刀片，轉(zhuǎn)速n=200～300r/min，進(jìn)給量f=0.14～0.20mm/r，背吃刀量ap=0.14～0.20mm（直徑方向0.28～0.40m m）。經(jīng)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)TCMT110208－24刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，硬度較高，該刀片使用切削參數(shù)為：轉(zhuǎn)速n=250r/min，進(jìn)給量f=0.16m m/r，背吃刀量ap=0.15mm。1個(gè)刀片角可以加工達(dá)到尺寸、表面粗糙度值要求的5個(gè)軸箱體，但加工后去除夾緊力，軸箱體內(nèi)孔仍然變形。

圖5 軸溫傳感器座示意圖

圖 6

進(jìn)一步分析裝夾方式，發(fā)現(xiàn)加工采用壓板壓緊軸承孔外側(cè)，加工后去除夾緊力，軸箱體內(nèi)孔變形，因此其裝夾定位方式存在不合理性，造成軸承孔尺寸、圓度和圓柱度超差。

重新改進(jìn)二工位裝夾定位方式（見(jiàn)圖7），利用工件減震器安裝孔短銷定位，清障面4×M20螺紋孔夾緊，增加軸箱小端工藝定位面。采用此定位裝夾方式，軸箱體軸承孔無(wú)壓緊力，加工后無(wú)變形現(xiàn)象，加工尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

9. 止推面加工工藝分析及改進(jìn)

軸承止推面與軸承孔中心線垂直度為0.02mm，常規(guī)加工方法是選用同一把三面刃銑刀（見(jiàn)圖8a）分兩刀粗、精加工完成。三面刃銑刀刀片材質(zhì)為WKP35，屬鍍層硬質(zhì)合金類材質(zhì)，刀片型號(hào)為L(zhǎng)NMU100508－F57T ，根據(jù)ISO 1832－2004 切削刀具用可轉(zhuǎn)位刀片——名稱與符號(hào)，分析三面刃銑刀刀片參數(shù)（見(jiàn)附表），三面刃銑刀刀片呈正方形，無(wú)后角和主偏角，刀片偏差大，屬于粗加工類刀具，因此無(wú)法有效地滿足止推面的加工要求。

而三面刃銑刀分粗、精加工時(shí)，還有以下缺點(diǎn)：

（1）深度加工尺寸基準(zhǔn)不統(tǒng)一。三面刃銑刀刀桿有效長(zhǎng)度為150mm，只能從軸箱蓋側(cè)加工軸承孔深度， 與軸承孔深度 198－0－0.2mm基準(zhǔn)不統(tǒng)一，對(duì)于工件坐標(biāo)系的建立，相關(guān)刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償?shù)纫蠓浅＞埽辉试S存在誤差。

（2）加工效率低。銑刀直徑為φ125mm，根據(jù)公式計(jì)算進(jìn)給量為160mm/min。

刀片分析表

圖7 改進(jìn)后的二工位裝夾定位示意圖

圖 8

（3）刀片利用率低。精加工時(shí)只有一側(cè)刃參與切削，刀片壽命低，為滿足垂直度及表面粗糙度要求，需及時(shí)更換刀片，容易造成浪費(fèi)。

（4）輔助時(shí)間長(zhǎng)。為保證更換后的刀片在同一平面內(nèi)，需要大量時(shí)間更換刀片。

由于三面刃銑刀存在缺點(diǎn)，為滿足軸承止推面加工精度要求，需要重新進(jìn)行刀具設(shè)計(jì)。根據(jù)加工要求及刀具加工原理，設(shè)計(jì)選用φ 50mm面銑刀（見(jiàn)圖8b），刀桿有效長(zhǎng)度為250mm。刀片材質(zhì)為WKP25，屬鍍層硬質(zhì)合金。刀片型號(hào)為ADKT10T3PER－F56，分析面銑刀刀片參數(shù)，面銑刀刀片呈棱形，15°后角、90°主偏角，刀片偏差小，排屑好，切削和夾緊特征合理，是快換精加工刀片，可滿足止推面加工要求。

面銑刀具有以下優(yōu)點(diǎn)：

一是深度加工尺寸基準(zhǔn)統(tǒng)一。面銑刀從軸承側(cè)加工軸承孔深度，因此基準(zhǔn)統(tǒng)一。

二是加工效率高。銑刀直徑為φ 50mm，根據(jù)切削參數(shù)公式計(jì)算進(jìn)給量為400mm/min。

三是刀片角度參數(shù)合理。刀片利用率高，加工性能高。

四是輔助時(shí)間短。因選用快換刀片，更換刀片時(shí)間可忽略不計(jì)。

工藝改進(jìn)后，三坐標(biāo)檢測(cè)主要形位公差數(shù)據(jù)如圖9所示。數(shù)據(jù)表明，新工藝保證了產(chǎn)品的質(zhì)量要求。

10.結(jié)語(yǔ)

在后期的軸箱體批量生產(chǎn)中，改進(jìn)后的裝夾定位及新刀具使用滿足了產(chǎn)品的加工質(zhì)量要求，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率，進(jìn)一步提高了轉(zhuǎn)向架的制造水平，同時(shí)為軸箱體裝夾定位及深槽端面加工積累了經(jīng)驗(yàn)。

圖 9

[1] 彭林中，張宏. 簡(jiǎn)明金屬機(jī)械加工工藝手冊(cè) [M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2] 李新勇，趙志平. 機(jī)械制造檢測(cè)技術(shù)手冊(cè) [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3] 李昌年. 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)與制造 [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[4] 陳為國(guó). 數(shù)控加工編程技術(shù) [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.