長沙磁浮工程綜合檢測車拖車車軸車削工藝

■ 中車株洲電力機車有限公司 （湖南 412001） 葉 波

長沙磁浮工程綜合檢測車是對長沙磁懸浮運營線路進行檢測、維護的工程車輛。整個轉向架設計輕巧，其上的驅動配件車軸亦采用輕量化設計（見圖1），車軸質量僅62.59kg，為普通地鐵車軸的1/7；車軸總長與軸身直徑的數值比值為20.1，而普通地鐵車軸的長徑比為12，外形特征屬于細長軸，加工難度大。

1.加工工藝分析

細長軸在車削加工時，在切削力、重力和頂尖頂緊力的作用下，橫置的細長軸很容易彎曲甚至失穩。

（1）在車削過程中，產生的徑向切削力是垂直作用在車軸外圓面的，由于細長軸的剛性差，徑向切削力會將細長軸頂彎，使其在水平面內發生彎曲變形；一般情況下，產生的軸向切削力并不會使工件變形，但由于細長軸的剛性較差，其穩定性也較差，當軸向切削力超過一定數值時，將會把細長軸壓彎，而發生彎曲變形。

（2）車軸自身重力會加劇工件的振動，影響工件尺寸精度和表面質量。

（3）車軸高速旋轉時，離心力作用使得車軸甩動。對于該車軸，中間部位部分圓柱面的存在，會使得離心力造成的車軸彎曲和振動更加明顯。

（4）在加工過程中，切削熱也會導致車軸發生彎曲變形。

綜上，保證細長車軸的加工精度問題，實質上就是控制工藝系統的受力及受熱變形問題。

圖1 長沙磁浮工程車拖車車軸

2.方案確定

（1）選擇合適的裝夾方法。考慮到工件特點及設備狀況，確定長沙磁浮工程車拖車車軸車削采用雙頂尖夾持配以液壓卡爪夾緊車軸驅動的夾持方式，其中，尾座頂尖為彈性回轉頂尖。這樣，雙頂尖不但保證了車軸的定位精度，并且采用尾座彈性回轉頂尖，當車軸受切削熱膨脹伸長時，頂尖能夠軸向壓縮，減小車軸的彎曲變形。

（2）利用中心架控制變形。利用可移動式中心架在車軸加工時增加一支撐點，強化車軸剛性，同時通過程序控制中心架在車軸加工時的支撐位置，一方面能夠防止其阻礙刀具行進軌跡，另一方面可很大程度提高車軸實時定位靈活度，對車軸故有剛性進行補充。

（3）確定工藝路線。合理的工藝路線不僅可保證產品的加工質量，同時可減少空行程，提高加工效率，降低刀片磨損。

長沙磁浮工程車拖車車軸屬于細長軸，須采用多次抱中心架、分粗車與精車方式加工車軸。下面以加工車軸一端為例，說明加工工藝路線。

為保證第二次抱中心架時夾持外圓部位與車軸中心線的同心度，首先通過程序用中心架第一次抱住車軸φ90mm位置（見圖2），從軸端粗車圖中A區域部位；其次，用中心架第二次抱住車軸φ80mm位置（該位置第一次抱中心架時粗車過），粗車、精車圖中B區域部位（見圖3）；最后，用中心架再次抱住φ90mm位置，精車C區域部位，以去除中心架對車軸的夾印，消除車軸磨削工序的質量隱患。車軸調頭后另一端加工工藝路線與調頭前類似（見圖4）。

（4）刀具選型。從刀具幾何參數以及細長軸加工工藝特點角度講，可以從以下幾方面考慮選擇刀具。

圖2 第一次抱中心架

圖3 第二次抱中心架

圖4 第三次抱中心架

前角(γ)：車刀的前角大小直接影響著切削力、切削溫度和切削效率。增大前角，可以使被切削金屬層的塑性變形程度減小，切削力明顯減小。增大前角可以降低切削力，所以在細長軸車削中，在保證車刀有足夠強度前提下，盡量使刀具的前角增大，前角一般取γ＝13°～17°。

根據坑槽大小，結合實際情況選用人工夯實或小型機具壓實。坑槽壓實后應在表面均勻撒布一層細砂，使細砂填充表面孔隙，減少路表水的下滲，最后將修補完成的坑槽清潔干凈。坑槽修補完成后，修補表面應呈中間略高于四周的弧形，以避免修補表面在行車荷載的二次碾壓下形成凹槽。

主偏角(Kr)：車刀主偏角的大小影響著3個切削分力的大小和比例關系。隨著主偏角的增大，徑向切削力明顯減小，切向切削力在60°～90°時卻有所增大。在60°～75°范圍內，3個切削分力的比例關系比較合理。在車削細長軸時，一般采用大于60°的主偏角。

刃傾角(λs)：車刀的刃傾角影響著車削過程中切屑的流向、刀尖的強度及3個切削分力的比例關系。隨著刃傾角的增大，徑向切削力明顯減小，但軸向切削力和切向切削力卻有所增大。刃傾角在－10°～＋10°范圍內，3個切削分力的比例關系比較合理。在車削細長軸時，常采用正刃傾0°～＋10°，以使切屑流向待加工表面。

刀片斷屑槽形：斷屑槽的形狀對加工效率以及工件表面質量有較大影響。

根據以上分析，確定使用如下刀具：型號為PDJNR3232P15 93°的外圓車刀刀桿，半精車使用DNMG 150612-PM型刀片，精車使用DNMG 150608-PM型刀片。

圖5 長沙磁浮工程車拖車車軸尺寸標注

3.長沙磁浮工程車拖車車軸產品試制

通過加工工藝分析，在產品試制中，有針對性地根據上述分析進行了控制，以保證產品試制順利進行。

（1）程序編制。使用AUTOCAD繪制出的車軸半精車、精車工序加工工藝附圖（見圖5），采用先車削一端，再調頭車削另一端的方式加工。

比較半精車工藝與成軸半成品，車軸圓弧部位徑向的加工量不均勻，因此，先須多刀粗加工各圓弧部位，一刀或兩刀粗車外圓柱面，最后圓弧與圓柱面部位一并加工，這樣可較好地保證產品尺寸精度及表面粗糙度。

（2）產品試制調試。手動輸入程序后進行校核、模擬及調試。首先空車試車，單段執行程序，確認無誤后吊上車軸開始試加工，同樣走單段程序。

刀具品牌選用刀具頂尖供應商山特維克可樂滿品牌，半精車時選用圓角半徑為R1.2mm的刀片，精車時為提高表面質量，選用圓角半徑R0.8mm的刀片，經試用，產品加工表面質量合格。

切削參數對切削過程中產生切削力的大小、切削熱的多少有很大影響，從而車削時引起的變形也不同。

背吃刀量（ap）：一般情況下，背吃刀量越大，加工時被切削金屬層處產生的切削力、切削熱也越大，從而引起細長軸較大程度的受力、受熱變形。所以，在車削細長軸時，取較小背吃刀量，走刀次數相應增加。

進給量（f）：一方面，進給量越大，工件所受切削力越大；另一方面，增大進給量可以提高加工效率。同時，根據被加工表面質量要求與粗、精加工不同情況下來選取合適的進給量。

切削速度（v）：通常，大的切削速度有利于降低切削力。但對細長軸來說，過高的切削速度更容易使其在離心力作用下發生彎曲變形，從以上兩方面考慮，切削速度應控制在一定范圍內。

試制中對半精車切削參數進行了多次調試選定：

半精車圓柱面切削參數：ap＝1.2mm，f＝0.3mm/r，v＝110～125m/min，走一刀，加工表面質量比較理想。

半精車圓弧面切削參數：起初，切削深度ap=2mm，進給量f=0.35mm/r，切削速度v=80～100m/min，走兩刀，發現車削部分大圓弧處部位振刀十分嚴重，圓弧表面有明顯振刀紋存在，使得產品存有比較大的質量隱患，對設備也造成了比較大的負擔，留有安全隱患。通過對半成品圖樣進行分析發現，部分圓弧部位加工余量比較大。因此，綜合分析后對各圓弧半精車參數作了修改：ap=1mm，f=0.23mm/r，v=110～125m/min，走三刀，整體效果比較理想。

精車圓柱面及圓弧面的切削三要素為：ap=0.3～0.5mm，f=0.21mm/r，v=120～130m/min，可以保證產品尺寸要求。

4.結語

細長軸剛性比較差，車削時產生的受力、受熱變形比較大，一般情況下很難保證細長軸的加工質量要求。本次長沙磁浮工程車拖車車軸的試制通過采取多次抱中心架增加車軸剛性、尾座浮動頂尖抵消軸向受熱變形影響的加工方法，選用合理的切削三要素及工刀具等措施，保證了車軸的加工質量要求。