高速機(jī)車輪鉆銑加工方案

穆偉

太原重工軌道交通設(shè)備有限公司 山西太原 030032

1 序言

φ1250mm車輪為我公司出口到歐洲某國的高端機(jī)車輪產(chǎn)品，在此之前我公司早已成功研制了時(shí)速160km客運(yùn)機(jī)車φ1250mm車輪，但此車輪在結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度及尺寸精度要求方面與φ1250mm高速機(jī)車輪相比有一定差距。該車輪之前一直由歐洲某國際知名車輪廠商壟斷生產(chǎn)，此次我公司能夠成功開發(fā)并批量生產(chǎn)該車輪，不僅打破了國內(nèi)外競爭對(duì)手在高端車輪產(chǎn)品制造領(lǐng)域的壟斷，也對(duì)我公司在開發(fā)高端機(jī)車輪市場以及技術(shù)創(chuàng)新方面有著重要的戰(zhàn)略意義。該車輪制造的最大難點(diǎn)和瓶頸基本都在加工環(huán)節(jié)，而加工最大的難點(diǎn)在鉆銑工序，如何能夠在保證產(chǎn)品加工質(zhì)量的前提下盡可能地提升加工效率以保證產(chǎn)品交期為本文研究的主要內(nèi)容。

2 車輪結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

車輪三維模型如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)為：滾動(dòng)圓直徑（1250±0.25）mm，材質(zhì)為ER9，表面硬度265~302HBW；輻板厚度（31±0.3）mm，且均布6×φ25+0.052+0mm（Ra=2.5μm）、18×φ（20±0.2）mm（Ra=3.2μm）共24個(gè)輻板孔，上下孔口倒角1mm×45°，位置度要求≤0.1mm。外側(cè)輪轂加工有注油孔，注油孔各階直徑分別為φ27mm、φ11.45 mm、φ6mm及φ3.5mm，各孔對(duì)應(yīng)的深度分別為2mm、19mm、65mm及85mm。第二階孔還需加工G1/4螺紋，螺紋深度16mm。此外該車輪外側(cè)輪轂環(huán)槽還需銑削加工呈180°對(duì)稱的凸臺(tái)，且車銑接刀位置處不允許存在明顯接刀痕跡。

圖1 車輪三維模型

3 原鉆銑加工方案

該車輪鉆銑加工分三道工序（見表1），加工設(shè)備為五軸數(shù)控加工中心，刀具分別為TP測量探頭、U鉆（24.5mm×3D、19.5mm×3D）、精鏜刀（φ25mm、φ20mm）、單邊45°內(nèi)外倒角刀（柄徑φ13mm、φ19.5mm）、鉆頭（φ11.45mm、φ6mm、φ3.5mm）、螺紋銑刀G1/4-19、φ16R2×100L圓鼻銑刀、BAP400R玉米銑刀。

表1 車輪鉆銑加工工序

上述工序中加工φ20mm與φ25mm輻板孔時(shí)采取了相同的方法：先用對(duì)應(yīng)U鉆開粗，然后用精鏜刀鏜至要求尺寸，最后使用倒角刀加工上下孔口倒角。此加工模式雖尺寸精度及表面粗糙度能夠滿足要求，但需使用6種刀具，加工效率低。

加工輪轂環(huán)槽凸臺(tái)時(shí)先用玉米銑刀沿車輪徑向分層粗銑側(cè)壁（由于刀具原因銑削方式只能為順銑），再用圓鼻銑刀精銑，圖2為加工輪轂環(huán)槽凸臺(tái)刀路，精銑時(shí)通過調(diào)整刀補(bǔ)實(shí)現(xiàn)銑削部位與車削部位平滑接刀。具體加工參數(shù)為：開粗吃刀量0.3mm，進(jìn)給速度1300mm/min，轉(zhuǎn)速2600r/min，粗銑后單邊余量0.5mm；精銑吃刀量0.2mm，進(jìn)給速度2000mm/min，轉(zhuǎn)速3200r/min。

圖2 銑削加工刀路

經(jīng)上機(jī)試切，玉米銑刀粗銑時(shí)機(jī)床振動(dòng)非常大，而且若采用逆銑方式機(jī)床振動(dòng)更大，同時(shí)刀片磨損非常嚴(yán)重，加工效率極低，粗銑耗時(shí)約55min。圓鼻銑刀精銑時(shí)機(jī)床振動(dòng)相對(duì)較小，精銑耗時(shí)約35min，整個(gè)銑削過程共計(jì)耗時(shí)約90min。圖3為機(jī)床銑削加工過程及加工后車輪實(shí)物照片，從圖中可以看出銑削后，零件表面質(zhì)量很差，有明顯的刀紋和臺(tái)階。

圖3 改進(jìn)前機(jī)床加工過程及加工后實(shí)物

4 改進(jìn)后的鉆銑加工方案

在原加工方案試切過程中，發(fā)現(xiàn)使用U鉆19mm×3D加工輻板孔后，其尺寸精度完全能夠滿足±0.2mm的要求，且表面粗糙度值也能達(dá)到Ra3.2μm以下。因此改進(jìn)后的加工方案中使用U鉆20 mm×3D直接加工φ20mm輻板孔，不再使用精鏜刀二次加工。經(jīng)測試，改進(jìn)后的加工方案較原加工方案效率可提高1.25倍左右。

另外原加工方案試切過程中在銑削輪轂環(huán)槽凸臺(tái)時(shí)普通圓鼻銑刀較玉米銑刀加工振動(dòng)較小，加工后表面質(zhì)量較高。因此決定粗銑使用φ32mm平底銑刀、精銑使用φ16mmR0.8mm圓鼻銑刀，且走刀路徑改為：粗銑時(shí)沿車輪軸向分層銑削，銑削方式為順銑，粗銑后單邊余量為0.8mm；精銑時(shí)沿車輪徑向分層銑削，銑削方式改為順銑＋逆銑，最后一刀為順銑，圖4為改進(jìn)后的銑削加工刀路。修改加工參數(shù)為：開粗吃刀量0.5mm，進(jìn)給速度3800mm/min，轉(zhuǎn)速2000r/m i n；精銑吃刀量0.2mm，進(jìn)給速度2500mm/min，轉(zhuǎn)速3200r/min。

圖4 改進(jìn)后的銑削加工刀路

經(jīng)上機(jī)試驗(yàn)，改進(jìn)后的加工方案粗銑耗時(shí)約23min，精銑耗時(shí)約35min，共計(jì)耗時(shí)約58min，較原方案效率提高1.5倍以上。而且加工時(shí)機(jī)床振動(dòng)相對(duì)較小，加工后表面質(zhì)量明顯提高。圖5為改進(jìn)后的方案機(jī)床銑削加工過程及加工后的車輪實(shí)物照片，從圖中可以看出加工后零件表面質(zhì)量非常好，沒有任何刀紋和臺(tái)階。

圖5 改進(jìn)后的方案機(jī)床加工過程及加工后的實(shí)物

5 結(jié)束語

1）改進(jìn)后的加工方案經(jīng)優(yōu)化刀具選型及刀路設(shè)計(jì)，成功提升了加工效率，同時(shí)提高了加工后的零件表面質(zhì)量。

2）加工時(shí)應(yīng)根據(jù)切削材料及機(jī)床特性選用合適的刀具，并依據(jù)刀具性能設(shè)定合適的切削參數(shù)，才能保證加工效率和表面質(zhì)量。

3）銑削時(shí)應(yīng)在刀具允許的范圍內(nèi)盡可能采取高轉(zhuǎn)速和大進(jìn)給量切削，否則轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量太低不僅會(huì)影響加工效率和表面質(zhì)量，也會(huì)降低刀具使用壽命。