高速機車輪鉆銑加工方案

穆偉

太原重工軌道交通設備有限公司 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車輪產品，在此之前我公司早已成功研制了時速160km客運機車φ1250mm車輪，但此車輪在結構復雜程度及尺寸精度要求方面與φ1250mm高速機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，此次我公司能夠成功開發并批量生產該車輪，不僅打破了國內外競爭對手在高端車輪產品制造領域的壟斷，也對我公司在開發高端機車輪市場以及技術創新方面有著重要的戰略意義。該車輪制造的最大難點和瓶頸基本都在加工環節，而加工最大的難點在鉆銑工序，如何能夠在保證產品加工質量的前提下盡可能地提升加工效率以保證產品交期為本文研究的主要內容。

2 車輪結構及技術參數

車輪三維模型如圖1所示，主要技術參數為：滾動圓直徑（1250±0.25）mm，材質為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個輻板孔，上下孔口倒角1mm×45°，位置度要求≤0.1mm。外側輪轂加工有注油孔，注油孔各階直徑分別為φ27mm、φ11.45 mm、φ6mm及φ3.5mm，各孔對應的深度分別為2mm、19mm、65mm及85mm。第二階孔還需加工G1/4螺紋，螺紋深度16mm。此外該車輪外側輪轂環槽還需銑削加工呈180°對稱的凸臺，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），加工設備為五軸數控加工中心，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輻板孔時采取了相同的方法：先用對應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。

加工輪轂環槽凸臺時先用玉米銑刀沿車輪徑向分層粗銑側壁（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為加工輪轂環槽凸臺刀路，精銑時通過調整刀補實現銑削部位與車削部位平滑接刀。具體加工參數為：開粗吃刀量0.3mm，進給速度1300mm/min，轉速2600r/min，粗銑后單邊余量0.5mm；精銑吃刀量0.2mm，進給速度2000mm/min，轉速3200r/min。

圖2 銑削加工刀路

經上機試切，玉米銑刀粗銑時機床振動非常大，而且若采用逆銑方式機床振動更大，同時刀片磨損非常嚴重，加工效率極低，粗銑耗時約55min。圓鼻銑刀精銑時機床振動相對較小，精銑耗時約35min，整個銑削過程共計耗時約90min。圖3為機床銑削加工過程及加工后車輪實物照片，從圖中可以看出銑削后，零件表面質量很差，有明顯的刀紋和臺階。

圖3 改進前機床加工過程及加工后實物

4 改進后的鉆銑加工方案

在原加工方案試切過程中，發現使用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到Ra3.2μm以下。因此改進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。經測試，改進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槽凸臺時普通圓鼻銑刀較玉米銑刀加工振動較小，加工后表面質量較高。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為改進后的銑削加工刀路。修改加工參數為：開粗吃刀量0.5mm，進給速度3800mm/min，轉速2000r/m i n；精銑吃刀量0.2mm，進給速度2500mm/min，轉速3200r/min。

圖4 改進后的銑削加工刀路

經上機試驗，改進后的加工方案粗銑耗時約23min，精銑耗時約35min，共計耗時約58min，較原方案效率提高1.5倍以上。而且加工時機床振動相對較小，加工后表面質量明顯提高。圖5為改進后的方案機床銑削加工過程及加工后的車輪實物照片，從圖中可以看出加工后零件表面質量非常好，沒有任何刀紋和臺階。

圖5 改進后的方案機床加工過程及加工后的實物

5 結束語

1）改進后的加工方案經優化刀具選型及刀路設計，成功提升了加工效率，同時提高了加工后的零件表面質量。

2）加工時應根據切削材料及機床特性選用合適的刀具，并依據刀具性能設定合適的切削參數，才能保證加工效率和表面質量。

3）銑削時應在刀具允許的范圍內盡可能采取高轉速和大進給量切削，否則轉速和進給量太低不僅會影響加工效率和表面質量，也會降低刀具使用壽命。