可加工不同制動倍率用夾具的設計與應用

吳鐵志

（資陽中車電氣科技有限公司，四川資陽 641301）

0 引言

我公司生產(chǎn)的ZYZD型踏面機車單元制動器，其制動倍率n可根據(jù)用戶采購技術條件在1.8～5.4范圍任意變動。行車緩解鞲鞴是ZYZD型機車踏面單元制動器的重要零件，制動倍率的變動只需改變行車緩解鞲鞴的鉛錘面與制動楔角面的夾角。如圖1所示，行車緩解鞲鞴是一典型的異形件。異形件通常指結構形狀復雜而不規(guī)則的零件[1]，其上下表面不是相同或者相似圖形，沒有規(guī)則的支撐和受力面，采用通用夾具難以可靠安裝、夾緊。

圖1 行車緩解鞲鞴示意圖

行車緩解鞲鞴主要結構為“叉形”，其皮碗安裝外圓柱面及端面需進行機械加工，軸向凸出布置2個支臂，支臂上下兩端由鉛錘面與制動楔角面組成。機車制動時向制動缸輸入壓縮空氣，推動行車緩解鞲鞴使其沿軸向移動，鉛錘面為保證行車緩解鞲鞴運動始終與制動缸軸線同軸（或平行），并通過制動楔角面放大輸出壓力，作用到閘瓦托和閘瓦，與車輪踏面產(chǎn)生摩擦力，對機車進行制動。排氣后在緩解彈簧、復位彈簧的作用下，行車緩解鞲鞴反向運動，實現(xiàn)機車制動緩解。行車緩解鞲鞴設計工藝要求較高，鉛錘面、制動楔角面工藝方法、加工質量等將直接影響機車踏面單元制動器的性能和可靠性。本文針對行車緩解鞲鞴的加工工藝分析、加工工藝方法合理選用、夾具結構設計和具體實施，解決行車緩解鞲鞴鉛錘面、制動楔角面精加工和可靠裝夾難題，確保其加工質量，且通過更換夾具的制動倍率調整墊，可實現(xiàn)對不同制動倍率的行車緩解鞲鞴的加工。

1 行車緩解鞲鞴加工工藝分析

制訂零件機械加工工藝過程，需根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)條件、毛坯類型、生產(chǎn)綱領、技術要求等方面要求，進行零件結構、加工工藝分析，合理選擇定位基準，確定各加工表面的加工方案和加工工序順序。

1.1 主要結構分析

行車緩解鞲鞴毛坯為鑄件，材料為ZG310-570，生產(chǎn)綱領600 件/a（不同制動倍率），生產(chǎn)類型為小批量生產(chǎn)。

該零件結構特征為“叉形”，盤形一端軸向凸出布置2個支臂，支臂間無連接，結構較復雜，無可靠的支撐和受力面，剛度差、易變形，給定位、夾緊、機械加工帶來較大困難。

1.2 主要技術要求及機械加工主要內容

圖2 行車緩解鞲鞴零件圖

1.3 定位基準的選擇

1.4 加工工序安排

4）支臂上鉛錘面F、制動楔角面E高頻表面淬火，深度為1.0～1.5 mm，硬度為40～45 HRC。

5）支臂表面探傷。

6）精加工支臂上鉛錘面F、制動楔角面E。

7）其他輔助工序，如鉗工處理、表面氧化處理等。

2 加工鉛錘面F、制動楔角面E工藝難點分析

針對鉛錘面F、制動楔角面E的精加工存在如下問題和工藝難點：

1）加工工藝方法的確定。鉛錘面F、制動楔角面E進行高頻表面淬火，硬度為40～45 HRC，采用一般切削刀具（銑削）難以加工，刀具損耗大。

2）受行車緩解鞲鞴結構限制，加工中易產(chǎn)生振動，不易保證加工表面粗糙度Ra0.8 μm。

3）技術要求為2個鉛錘面F共面、2個制動楔角面E共面，平面度為0.05 mm，難以保證形位公差。

4）行車緩解鞲鞴結構屬于“異形件”，解決可靠定位、裝夾難題。

5）加工精度控制與檢測。

2.1 加工工藝方法確定

零件加工工藝方法選用，應根據(jù)加工表面技術要求、加工材料性質、加工類型、企業(yè)現(xiàn)有設備和技術條件等確定加工工藝方法。根據(jù)以上加工工藝難點分析和加工工藝過程安排，需先對鉛錘面F、制動楔角面E進行粗加工，并留精加工余量0.4～0.5 mm，再進行高頻表面淬火，深度為1.0～1.5 mm，硬度為40～45 HRC，最后進行精加工。從形位公差要求上分析，2個鉛錘面F共面、2個制動楔角面E共面，平面度為0.05 mm。加工表面粗糙度要求均為Ra0.8 μm。

平面磨床功能特點是相對一基準平面進行磨削，以保證加工面與基準平面的平行度、加工表面的平面度、表面粗糙度要求。因此，采用磨削加工工藝方法進行鉛錘面F、制動楔角面E的精加工，可避免加工表面硬度較高、使用一般機床切削刀具（銑削）不易加工、刀具磨損消耗大、刀具使用成本高等不利影響；磨削加工工藝方法可獲得高的表面質量和平面度，解決加工表面粗糙度、形位公差不易保證的工藝難題；磨削加工工藝方法切削力較小，可控制或降低工件受力振動對加工表面的不利影響。

2.2 加工設備確定

行車緩解鞲鞴外形尺寸為φ172 mm×144 mm，鉛錘面F、制動楔角面E磨削加工部位尺寸為133 mm×98 mm。根據(jù)我公司現(xiàn)有加工設備，選用M7130平面磨床進行鉛錘面F、制動楔角面E的精加工。M7130平面磨床主要技術規(guī)格參數(shù)為：工作臺面尺寸為320 mm×1000 mm，電磁吸盤尺寸為300 mm×680 mm，加工范圍（長×寬×高）為1000 mm×320 mm×400 mm，加工面對基面平行度為0.015 mm/1000 mm，表面粗糙度為Ra0.32～6.3 μm，磨削砂輪垂直移動精度為0.01 mm。M7130平面磨床加工范圍、設備精度、移動精度、加工表面粗糙度等能滿足對行車緩解鞲鞴鉛錘面F、制動楔角面E的精加工。

2.3 加工夾具設計原理

行車緩解鞲鞴為“叉形”結構，采用通用夾具或電磁吸盤無法可靠裝夾，需設計、制作一套磨削加工用夾具。夾具結構設計需解決如下問題和工藝難點：

圖3 磨削夾具原理圖

2）夾具結構設計應實現(xiàn)在一套夾具上對鉛錘面F、制動楔角面E磨削加工；

3）夾具與加工設備的連接；

4）工件的正確定位，滿足工件被加工表面的工序尺寸和位置精度要求；

5）裝夾位置合理選擇，保證其可靠性；

6）使用、調整的便利性，能實現(xiàn)對不同制動倍率行車緩解鞲鞴鉛錘面F、制動楔角面E的加工。

以下介紹一種可加工不同制動倍率用磨削夾具，解決行車緩解鞲鞴鉛錘面F、制動楔角面E形位公差、表面粗糙度要求高、不易裝夾的難題，通過更換制動倍率調整墊，實現(xiàn)加工不同制動倍率的行車緩解鞲鞴。

3 可加工不同制動倍率用夾具設計

3.1 磨削夾具設計方案

3.2 磨削夾具結構設計

如圖4所示，磨削夾具主要由夾具體、制動楔角調整墊、鉤形壓板組件等組成。夾具體2下平面用于加工行車緩解鞲鞴1鉛錘面F；上平面加工2個鍵槽，與平鍵3、制動楔角調整墊4鍵槽配合安裝，控制2個制動楔角調整墊4 的自由度，保證制動楔角調整墊斜角α平面共面，用于加工行車緩解鞲鞴1制動楔角面E；利用鉤形壓板8、內六角圓柱頭螺釘7裝夾工件，松開內六角圓柱頭螺釘7，壓縮彈簧6頂開鉤形壓板8[3]，轉動鉤形壓板8約90°，取出行車緩解鞲鞴1。

圖4 磨削夾具結構圖

1）夾具體。

圖5 夾具體

2）制動楔角調整墊。

預先制作完成一定數(shù)量的制動楔角調整墊（基礎件），斜角θ不加工至尺寸，后期根據(jù)緩解鞲鞴制動倍率加工至要求的斜角θ，如圖6所示。

圖6 制動楔角調整墊

4 磨削加工具體實施

4.1 行車緩解調整墊斜角θ

ZYZD型踏面機車單元制動器閘瓦托輸出壓力（制動力）由于采用楔角放大原理，只需通過改變行車緩解鞲鞴制動楔角α值，就可以獲得不同的制動倍率，如圖7所示。

圖7 制動結構和楔角放大原理圖

該型制動器制動倍率只與行車緩解鞲鞴制動楔角α有關，由K=P×1/tan α=P×n，得n=K/P=1/tan α。式中：n為制動倍率；P為制動鞲鞴所受作用力；K為制動單元輸出力；α為楔角角度。

根據(jù)制動倍率計算行車緩解鞲鞴制動楔角α值，行車緩解調整墊斜角θ與制動楔角α值一致，就可對行車緩解鞲鞴制動楔角面E進行加工。在夾具體、制動楔角調整墊制作過程中，應合理安排工藝路線，應力求滿足（或達到）設計和工藝技術要求，有利于保證加工質量。制動楔角調整墊為成對使用，不但需保證其形位公差，還需確保斜角θ一端（大端或小端）高度的一致性。

4.2 具體實施

按制動倍率要求安裝制動楔角調整墊（2件），將平面磨床工作臺清理干凈，進行行車緩解鞲鞴鉛錘面F、制動楔角面E的精加工，如圖8所示。

圖8 加工示意圖

1）工件安裝。磨削夾具基準面A朝下，放置在機床工作臺上，將待加工工件裝入φ150+0.057+0.014mm定位孔內，2個支臂距基準面A尺寸L1、L2調整至一致（相差≤0.10 mm），擰緊鉤形壓板2顆內六角圓柱頭螺釘，完成工件的安裝。主要工量具為無磁百分表座、杠桿百分表。

2）精加工鉛錘面F。將磨削夾具定位端面與工作臺平行（X軸方向）擺放，電磁吸盤通電吸緊夾具，分多次進行鉛錘面F的磨削加工，測量基準面A與鉛錘面F距離140 mm，間接保證工序尺寸48 mm±0.05 mm，保證平面度0.05 mm。主要工量具為無磁百分表座、杠桿百分表、塊規(guī)（尺寸140 mm）。

3）精加工制動楔角面E。電磁吸盤斷電松開夾具，掉頭以基準面B為基準面，磨削加工制動楔角面E，因上工序留有0.4～0.5 mm磨削余量，該面精加工磨削至2個支臂制動楔角面E全部見光，保證制動楔角α值、平面度0.05 mm。

4）工件拆卸、退磁操作。

4.3 實施效果

采用磨削加工工藝方法對經(jīng)表面高頻淬火鉛錘面F、制動楔角面E進行精加工，加工表面質量好，平面度、共面等形位精度能得到保證；磨削夾具定位基準與上工序加工基準統(tǒng)一，能更好地確保加工表面間相互位置精度，減少和避免基準轉換的誤差；一次裝夾完成鉛錘面F、制動楔角面E精加工，實現(xiàn)工序集中，避免分步裝夾加工鉛錘面F、制動楔角面E帶來的重復定位誤差，提高加工效率；磨削加工鉛錘面F利用塊規(guī)檢測尺寸140 mm±0.05 mm，間接實現(xiàn)對工序尺寸48 mm±0.05 mm進行檢測。

5 結語

通過更換不同斜角θ的制動倍率調整墊，實現(xiàn)對不同制動倍率行車緩解鞲鞴鉛錘面F、制動楔角面E的精加工。磨削夾具結構簡單，通用性好；制作一套磨削夾具，制作不同斜角θ制動倍率調整墊，可重復安裝使用，減少工藝裝備投入；安裝、調整方便快捷。該磨削夾具的應用，解決了行車緩解鞲鞴鉛錘面、制動楔角面精加工和可靠裝夾的難題，確保了加工質量，進一步提高了ZYZD型制動器結構動作靈活性和可靠性。