某型機車電機轉(zhuǎn)子去應(yīng)力圓弧槽修磨工藝優(yōu)化

彭海萍，毛曉軍，楊學(xué)軍，陳東彪，顏黎明

（中車株洲電機有限公司，株洲 412001）

引言

軌道交通機車電機是整個機車的動力源，是機車安全運行的關(guān)鍵命脈，驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性是影響走行部安全的關(guān)鍵因素。伴隨著機車朝著大功率、高速重載方向發(fā)展，驅(qū)動系統(tǒng)的加工工藝發(fā)展已成為走行部驅(qū)動系統(tǒng)可靠性的主導(dǎo)因素。

近年來，隨著大功率和諧型機車引進，牽引電機傳動端軸承廣泛采用與齒輪箱共油飛濺潤滑，驅(qū)動系統(tǒng)潤滑由傳統(tǒng)的“齒輪/軸承獨立潤滑”轉(zhuǎn)變?yōu)榧扔械摹褒X輪/軸承混合潤滑”。針對中國南北氣候差異復(fù)雜及沙塵、大坡道、重載高速等惡劣工況的運行環(huán)境，潤滑方式的改變給驅(qū)動系統(tǒng)中電機轉(zhuǎn)子內(nèi)錐孔對應(yīng)的小齒輪油槽位置處的設(shè)計和加工工藝可靠性帶來全新課題。

例如，某型大功率貨運機車電機在檢修過程中，發(fā)現(xiàn)在電機轉(zhuǎn)子內(nèi)錐孔對應(yīng)的小齒輪油槽位置處，出現(xiàn)整圈壓痕，部分壓痕已經(jīng)發(fā)展成為微裂紋，對電機的使用產(chǎn)生了嚴(yán)重的安全隱患。因此，如何有效的修復(fù)壓痕，保證電機驅(qū)動系統(tǒng)恢復(fù)正常運行，成為了一個亟待解決的課題。

1 壓痕修磨工藝優(yōu)化

某型機車驅(qū)動系統(tǒng)中小齒輪結(jié)構(gòu)如圖1所示，小齒輪裝配在牽引電機轉(zhuǎn)軸內(nèi)錐孔中，在牽引電機長期高速重載負荷運行過程中，小齒輪外表面的油槽（如圖1中I處）也長期與電機轉(zhuǎn)軸內(nèi)錐孔表面磨合，常常發(fā)現(xiàn)在電機轉(zhuǎn)軸內(nèi)錐面上會產(chǎn)生一條7~8 mm寬、深約0.1 mm的壓痕。

圖1 某型機車小齒輪結(jié)構(gòu)圖

1.1 基本要求

如圖2所示，為了消除電機轉(zhuǎn)軸內(nèi)錐面上的壓痕（圖2中Ⅱ處），通常都是采用仿形磨削的加工方式，基本要求如下：

1）為了最大限度消除應(yīng)力集中，轉(zhuǎn)子磨削后的輪廓應(yīng)光滑無尖棱，且應(yīng)完全包含壓痕；

2）考慮對刀、尺寸公差等影響，可將轉(zhuǎn)子壓痕處擬修磨的輪廓設(shè)計成有效寬約12，深約0.3，在兩側(cè)用R4的凹、凸圓角進行連續(xù)相切過渡的去應(yīng)力的圓弧槽；

3）粗糙度要求保證在Ra 1.6以上。

1.2 修磨工藝分析

本文中修磨工藝采用的設(shè)備是深孔內(nèi)圓磨床，用定制尺寸的長刀桿配合定制砂輪，伸入電機轉(zhuǎn)軸內(nèi)錐孔壓痕處進行磨削，加工示意圖如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子內(nèi)錐孔修磨示意圖

仿形磨削中的仿形板是根據(jù)圖2中，擬修磨去應(yīng)力圓弧槽的尺寸要求制作而成的，將仿形板固定在機床床身上，加裝在金剛筆一側(cè)，金剛筆通過一側(cè)的走形裝置帶動，走出仿形板的形狀，使得砂輪表面通過金剛筆的修磨達到需要的形狀要求[1]，如圖4所示。

圖2 電機軸與小齒輪軸配合處擬修磨的去應(yīng)力圓弧槽

圖4 仿形裝置示意圖

當(dāng)去應(yīng)力圓弧槽形狀設(shè)計要求有變化時，可以通過更換對應(yīng)形狀的仿形板，再次滿足砂輪外輪廓的成型修整。

1.3 存在的問題

通過分析發(fā)現(xiàn)，采用上述修磨工藝，在實際中遇到了以下幾個問題：

1）走形裝置在日常作業(yè)中，與仿形板來回接觸的尖棱會產(chǎn)生磨耗，逐漸成扁平狀，再進行走形時，金剛筆修磨出的砂輪上的R4圓角會產(chǎn)生失真，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子修磨后的去應(yīng)力圓弧槽圓角失真[2]。

2）因制作的仿形板寬度就是去應(yīng)力圓弧槽的寬度，在磨削過程中，砂輪只需徑向進刀，無需軸向走刀，就能得到所需的圓弧槽輪廓，使得去應(yīng)力圓弧槽槽底的粗糙度無法得到很大的提升。

3）砂輪在仿形磨削過程中，由于本身砂粒不斷被擠壓脫落，砂輪整體表面輪廓與理論不符，導(dǎo)致最終修磨的輪廓與理想曲線有區(qū)別。

4）修磨后，采用滴蠟的方式進行最后輪廓檢測，蠟塊冷卻成型后取出，去除左右兩側(cè)不規(guī)格輪廓，利用對刀儀進行投影，得到具體的輪廓信息。一方面由于滴蠟本身存在不穩(wěn)定性，員工個體的手工操作、周圍環(huán)境等導(dǎo)致取樣的差異較大，另一方面采用對刀儀進行投影時，只能分段擬合圓弧，整個輪廓較抽象，導(dǎo)致投影結(jié)果出現(xiàn)的不確定性增大。

1.4 解決方案

針對修磨工藝中存在的問題，可以采取以下的方案進行優(yōu)化解決：

1.4.1 方案1：圓角失真優(yōu)化

1）因尖角容易磨平，可將走形裝置上的尖棱更改為R1.5圓角，仿形板上相應(yīng)的凹圓弧與凸圓弧，分別更改為R2.5與R5.5，如圖5所示，使金剛筆最終擬合出凹、凸圓弧均為R4的目標(biāo)輪廓[2]。

圖5 圓角更改后的配合走形示意圖

2）優(yōu)化后，磨削完的去應(yīng)力圓弧槽底出現(xiàn)了平緩的圓弧連接。用輪廓儀檢查圓角優(yōu)化前后圓弧槽輪廓，槽底的圓角變化見表1。

表1 圓角優(yōu)化前后的油槽圓弧

1.4.2 方案2：粗糙度改善優(yōu)化

為得到更低的表面粗糙度數(shù)值，將仿形板的有效寬度從12 mm修改為8 mm，如圖6所示，增加4 mm的軸向走刀。走刀方式的改變，使最后得到的粗糙度由Ra1.6提升至Ra1.0以下。

圖6 有效長更改后的仿形板

1.4.3 方案3：工序優(yōu)化

為解決磨削過程中砂粒不斷脫落，導(dǎo)致修磨輪廓出現(xiàn)偏差的問題，增加精磨工序，留精磨余量0.02~0.04 mm，重新用金剛筆修整砂輪成型后，再進行精磨，直至修復(fù)成型，優(yōu)化前后的工藝流程見表2，最后得到的去應(yīng)力圓弧槽的輪廓更加貼近理論值。

表2 修磨工藝優(yōu)化前后對比

1.4.4 方案4：檢測方式優(yōu)化

因滴蠟投影結(jié)果的輪廓不清晰，擬合分析時產(chǎn)生的不確定性較大（見圖7），為了提高檢測結(jié)果的可靠性與重復(fù)精度，根據(jù)轉(zhuǎn)子內(nèi)錐孔修磨后的油槽位置與轉(zhuǎn)子±0.1內(nèi)，凹、凸圓角分別與兩側(cè)槽底、內(nèi)錐孔的的連接光滑連續(xù)。

圖7 滴蠟后采用對刀儀分段取樣的模糊輪廓

4）單個轉(zhuǎn)子去應(yīng)力圓弧槽的檢測時間從之前的25 min/臺降低至7 min/臺，效率提升70 %。檢測結(jié)果的可靠性大大增加，使員工更全面的認識到實際加工的應(yīng)力圓弧槽輪廓，并不斷進行優(yōu)化。的形狀特征，非標(biāo)定制轉(zhuǎn)子內(nèi)錐孔表面輪廓檢測儀，輪廓檢測儀采用探針直接檢測被測物體輪廓的方式，測量過程簡單快速，測量結(jié)果精確明了，具體可見圖8。

圖8 輪廓儀檢測應(yīng)力圓弧槽結(jié)果

2 結(jié)論

經(jīng)過上述優(yōu)化措施后，電機轉(zhuǎn)軸內(nèi)錐孔去應(yīng)力圓弧槽的加工質(zhì)量的穩(wěn)定性與檢測效率得到了顯著的提升：

1）應(yīng)力變化較大的兩側(cè)R4圓角更貼近加工要求，消除了小圓角或尖棱過渡的情況，應(yīng)力變化得到了有效的控制，使電機轉(zhuǎn)軸的使用壽命大幅增加。

2）槽底粗糙度得到了有效提升，通過增加軸向走刀的磨削方式，粗糙度達到了Ra1.0以下，有效的降低了磨削的表面應(yīng)力。

3）檢測出的應(yīng)力槽輪廓與理想輪廓基本一致，圓角偏差在