分體式軸箱體軸承孔加工工藝改進

■ 中車青島四方機車車輛股份有限公司 （山東 266111） 管益輝 陶有朋 安 迪

1. 軸箱體結(jié)構(gòu)及工藝要求

軸箱體是動車組轉(zhuǎn)向架的重要部件，是連接輪對和構(gòu)架的活動關(guān)節(jié)，可用來傳導動車組在行駛過程中的牽引力、制動力、橫向力和垂向力，并實現(xiàn)輪對與構(gòu)架的定向相對運動。傳統(tǒng)動車軸箱體多為轉(zhuǎn)臂式結(jié)構(gòu)。本文介紹的是一種新型軸箱體，如圖1所示，分上箱體、下箱體和壓蓋，通過螺栓聯(lián)接。

圖1 分體式軸箱體結(jié)構(gòu)

該分體式結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)臂式軸箱體具有如下優(yōu)點：①能為制動夾鉗的安裝留出足夠空間。②密封性更好，上、下箱體設(shè)置了排水槽，可避免液體直接進入軸箱體內(nèi)部。③極大地簡化了工序，更換輪對時不需抬車，僅拆卸下箱體便可實現(xiàn)快速更換。

輪對軸箱組裝前，用螺栓將上、下箱體組裝。尺寸要求為：測量距離箱體端面一定距離下任意十字交叉的4個點數(shù)值，最大值滿足φ230+0.067+0.011m m，平均值滿足φ230+0.047+0.011mm。

在現(xiàn)車試驗驗證過程中，發(fā)現(xiàn)70%左右的軸箱體均超出上差，16%直接報廢。

2. 超差原因分析

（1）試驗內(nèi)容。為解決上述問題，進一步提高軸箱體加工質(zhì)量，對現(xiàn)場6套分體式軸箱體進行如下試驗：①對鑄鐵材質(zhì)分體式軸箱體進行加工試驗，驗證材質(zhì)對軸承孔尺寸變化的影響。②增加退火工序，驗證是否有鑄造、粗加工及焊補應(yīng)力殘留，造成精加工后的軸承孔尺寸變化。③通過先噴漆后精加工試驗，驗證噴漆與精加工的先后順序?qū)S承孔尺寸變化的影響。④增加錐面新結(jié)構(gòu)，驗證結(jié)構(gòu)對軸承孔尺寸變化的影響。⑤采用錐度定位銷定位，驗證定位銷對軸承孔尺寸變化的影響。

（2）要因確定。通過對試驗結(jié)果的分析，確定軸承孔尺寸超差原因如下：①定位銷與定位孔間存在間隙，上、下箱體的定位孔中心距存在偏差，造成上、下箱體的重復定位精度不夠，此為主要原因。②上、下箱體薄壁厚度不均勻，存在剛度差。③加工及焊修應(yīng)力。

3. 優(yōu)化方案

分體式軸箱體組裝是通過下箱體2個定位圓銷與上箱體2個定位銷孔進行定位安裝的。因此，分體式軸箱體軸承孔精度主要取決于定位圓銷與定位銷孔的重復定位精度，可通過以下措施提高再定位精度：

（1）改變夾緊方式，提高上、下箱體組裝定位面平面度。改變夾緊方式消除夾緊變形，增加側(cè)面頂緊力。精加工定位平面及定位銷孔時取消壓緊力，只用側(cè)面4個螺栓頂緊（見圖2），提高定位面平面度及上箱體2個定位銷孔中心距的加工精度。

（2）提高定位銷孔的加工精度。定位銷孔尺寸要求為φ10+0.009+0mm，偏差范圍較小，需改進定位銷孔加工工藝來提高定位銷孔的加工精度：將鉆鉸工序改為鉆、擴、粗鉸和精鉸。精鉸孔時，使用花生油潤滑冷卻刀具，同時，在每次鉸孔前清除鉸刀殘留切屑，防止殘留切屑劃傷孔壁。

圖2 分體式軸箱體側(cè)面夾緊方式

（3）提高定位圓銷與定位銷孔的配合精度。用三坐標測量儀檢測上箱體定位銷孔、下箱體定位圓銷中心距，同時統(tǒng)計變化規(guī)律，對數(shù)控加工中心的程序進行改進，通過調(diào)整加工程序，使此兩種中心距一致。按上、下箱體中心距≤0.01mm進行選配組裝。

定位圓銷、定位銷孔加工精度高，對測量定位圓銷、定位銷孔的量具采用專尺專用的計量方式。測量選配定位圓銷與定位銷孔配合公差，將精確至0.001mm的結(jié)果分別記錄在上、下箱體上。上、下箱體組裝時，采用銷、孔直徑差值0.001mm的標準過渡配合以控制組裝精度。

（4）控制裝配過程精度。制造專用定位銷安裝工裝，專人裝配，提高裝配精度。

4. 殘余應(yīng)力分析

為進一步提高軸箱體加工質(zhì)量，降低上、下箱體剛度差異和焊修、加工應(yīng)力對軸承孔尺寸的影響，持續(xù)優(yōu)化分體式軸箱體加工工藝。先后對6件分體式軸箱體加工研究，得出以下結(jié)論：分體軸箱體精加工后，軸承孔表面殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力（約500MPa），且結(jié)構(gòu)上存在薄懸臂結(jié)構(gòu)，易引起軸承孔尺寸的變化。殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力狀態(tài)還是壓應(yīng)力狀態(tài)主要取決于切削參數(shù)。

5. 驗證方案

根據(jù)上述結(jié)論進行現(xiàn)場加工測量驗證。主要驗證對精鏜孔影響最大的切削參數(shù)，包括主軸轉(zhuǎn)速S及進給速度F。背吃刀量對精鏜孔影響最小，忽略不計，粗鏜留量不變，繼續(xù)按0.11～0.20mm控制。

前期生產(chǎn)時軸承孔的鏜削順序為粗鏜→半精鏜→精鏜，加工鏜削參數(shù)為S=430r/min、F=63mm/min，在此基礎(chǔ)上對工藝流程及切削參數(shù)進行了優(yōu)化，設(shè)計了方案驗證，具體試驗情況如下：

（1）方案A：軸承孔的鏜削順序為粗鏜→半精鏜→精鏜，鏜削參數(shù)為S=140r/min、F=10mm/min。

（2）方案B：軸承孔的鏜削順序為粗鏜→半精鏜→拆箱4h→合箱→精鏜，鏜削參數(shù)為S=140r/min、F=10mm/min。精鏜時，須用電子尋邊器重新找正X、Y、Z、B軸等坐標系原點。不同工件找正時間長短不同，從試驗件的找正過程看，找正時間10～20min。

（3）方案C：軸承孔的鏜削順序為粗鏜→半精鏜→噴漆→拆箱4h→合箱→精鏜，鏜削參數(shù)為S=140r/min、F=10mm/min。在合箱后精鏜前，使用電子尋邊器進行重新找正，耗時10～20min。由于半精鏜后進行噴漆處理，排障器安裝面及垂向減振器座的φ17.5mm孔內(nèi)存有多余油漆，導致二次裝夾擰緊過程不順暢，裝夾作用力影響軸承孔精度。

（4）方案D：軸承孔的鏜削順序為粗鏜→半精鏜→拆箱4h→合箱→精鏜，鏜削參數(shù)為S=200r/min、F=20mm/min。精鏜時，重新找正時間10～20min。

（5）方案E：軸承孔的鏜削順序為粗鏜→半精鏜→低溫回火→拆箱4h→合箱→精鏜，鏜削參數(shù)為S=200r/min、F=20mm/min。精鏜時，重新找正時間10～20min。

（6）方案F：軸承孔的鏜削順序為粗鏜→半精鏜→低溫回火→精鏜，鏜削參數(shù)為S=200r/min、F=20mm/min。精鏜時，重新找正時間10～20min。

6. 各方案對比

統(tǒng)計6種方案尺寸（見附表），其中開、合箱測量結(jié)果是按圖樣要求的φ230+0.047+0.011mm尺寸進行評價處理，優(yōu)于制造技術(shù)條件要求的φ230+0.067+0.011mm尺寸。

由附表可以看出，方案E、F開、合箱測量結(jié)果最好，但已加工表面微黃且工序流轉(zhuǎn)時間長，增加2次車輛運輸，已精加工面存在磕碰危險。綜合考慮后，選用方案D作為批量車生產(chǎn)工藝流程。

方案D對分體軸箱體二工序加工進行了優(yōu)化，具體操作流程為：裝夾找正（不變）→銑后蓋面（不變）→粗鏜孔（不變）→半精鏜孔（不變）→鉆攻螺紋孔（不變）→銑溝槽倒角（不變）→角度頭鉆注油孔（工序提前）→回裝卸臺位卸工件（增加）→拆開上下箱體（增加）→存放4h及清理上、下箱體（增加）→重新合箱（增加）→重新裝夾找正（增加）→精鏜軸承孔、后蓋孔，銑止推面（增加），精鏜參數(shù)為S=200r/min、F=20mm/min→檢測各部尺寸，流入下一工序。

7. 工藝改進效果

如圖3所示，測量1、2、3、4四個截面，每個截面上測量a、b、c、d、e五處直徑，記錄20個直徑數(shù)值，比較拆卸前后相同點的數(shù)值變化及所有點中的最大偏差。

拆卸前后比較相同點數(shù)值：工藝改進前最大變化量為0.030mm，而改進后最大變化量為0.015mm。

6種方案尺寸驗證情況

圖3 檢測部位示意圖

拆卸前后20處直徑最大偏差比較：設(shè)計制造條件要求的最大偏差為0.056mm，工藝改進前拆卸后最大偏差為0.069mm，而改進后為0.030mm，提高了0.039mm。

通過工藝驗證、改進，工藝改進后軸承孔加工質(zhì)量得到提升，有效保證了分體式軸箱體的加工質(zhì)量。

8. 后期打算

分體式軸箱體的加工質(zhì)量得到保證后，后期重點工作是進行效率提升。①工裝優(yōu)化：分析新工藝精鏜找正增加找正時間的原因，通過優(yōu)化工裝定位件，減少找正時間。②刀具優(yōu)化：分析軸承孔加工刀片切削參數(shù)，驗證新刀片，增加每個刀尖加工軸承孔數(shù)量，同時繼續(xù)優(yōu)化新刀片切削參數(shù)。

[1] 王先逵. 機械制造工藝學[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2006.

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

[3] 彭林中，張宏. 簡明金屬機械加工工藝手冊[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2012.