搖枕組合加工機床的研制

彭彥虎，東偉，劉濤，王春雷

中車石家莊車輛有限公司 河北石家莊 050000

1 序言

搖枕（見圖1）是鐵路貨車轉向架的主要構成部件之一，鑄造完成后需要對相應的心盤面440mm×490mm銑削加工；心盤螺栓孔8×φ23mm和安全鏈吊座孔4×φ17mm鉆加工。由于工件原始定位面均為毛面，心盤面為鑄造冒口位置，使用通用機床加工存在定位難度高、切削余量大（一般在7～15mm）和加工效率低等困難，所以無法經濟地實現大批量加工，有必要設計專用機床進行生產。在充分調研論證的基礎上，我們結合公司當時年產4000輛份（8000件）搖枕的需要，設計制作了搖枕組合加工機床。

圖1 搖枕

2 主要技術參數

搖枕組合加工機床主要技術參數見表1。

表1 搖枕組合加工機床主要技術參數

3 主要結構及特點

搖枕組合加工機床由機體、銑削動力系統、銑削進給系統、12孔鉆鉆削系統、上料與夾緊裝置等組成，如圖2所示。機體為多個焊接箱體通過連接板、鋼管支撐、螺栓組裝而成的框架結構；銑削動力系統主要包括1T X50銑削頭和X217-520-2銑刀盤，銑削進給系統采用H Y63液壓滑臺，共同完成銑削動作；12孔鉆鉆削系統主要包括動力箱、12孔鉆箱、12孔鉆模及鉆頭、配重組成、1H J B50機械滑臺組成，共同完成12孔鉆削動作；上料與夾緊裝置由2個上（下）料工位、2個上（下）料定位小車和1套夾緊工裝組成。

圖2 搖枕組合加工機床

3.1 機體

機體主要由基座組成、銑頭立柱組成、12孔鉆立柱組成及連接板通過螺栓聯接組成一個整體框架結構，以保證足夠剛性，用于承載工件，抵消銑削加工、鉆削加工抗力。各構件均采用20mm厚碳素結構鋼鋼板焊接而成，內部合理布置隔板，保證結構剛性；焊后進行了整體時效處理，消除焊接殘余應力，以減小后續可能的應力變形對設備加工精度的影響；各安裝面進行了找平粗加工。

3.2 銑削動力系統和銑削進給系統

搖枕工件材質為B級鋼（ZG25MnNi），各元素含量：w（C）≤0.28%，w（Si）≤0.40%，w（Mn）≤1.00%，w（P）≤0.040%，w（S）≤0.040%，w（Cu）≤0.30%，w（Ni）≥0.30%。被加工材料性能參數：σb≥485MPa，σs≥260MPa，δ4≥24%，ψ≥36%，AKV ≥20J（-7℃）。

KFz＝KSV×銑削速度系數＝0.9×0.88＝0.792。

根據設計節拍優選切削參數：銑削深度aP＝7mm，每齒進給量af＝0.06mm/齒，銑削寬度aw＝490mm，齒數Z＝26，銑刀盤直徑d0＝520mm。分兩層切削：銑削力Fz＝＝7750×(7/2)1.1×0.060.75×4901.1×26×0.792/（5201.3×630.2）＝8892（N），銑削扭矩M＝Fzd0/（2×1000）＝8892×520/（2×1000）＝2312（N·m），銑削功率Pm＝Fzv/（6×10000）＝8892×102.9/（6×10000）＝15.25（kW）。

根據切削參數計算結果，選取功率15kW的1TX50銑削頭[3]和X217-520-2銑刀盤[2]進行銑削，選取HY63滑臺[4]進行銑削進給，均能夠滿足設計要求。

3.3 12孔鉆鉆削系統

12孔鉆鉆削系統主要由動力箱、12孔鉆箱（見圖3）、12孔鉆模及鉆、1HJB50液壓滑臺組成。動力箱通過主軸輸出動力給12孔鉆箱，在12孔鉆箱內經過齒輪傳動分別傳遞給12根鉆軸提供旋轉動力。鉆箱分兩層設計，上層為齒輪箱，下層為油池，潤滑油通過液壓泵進行強制循環和飛濺潤滑，潤滑效果良好，并能保證整個鉆箱快速同溫。鉆桿上設置有甩油蓋和擋油套，利用離心作用，防止潤滑油通過鉆桿泄漏。12根鉆桿長度方向分三層布置，保證同時只有4根鉆頭參與切削，減少了切削抗力，降低了動力箱功率需求。為保證12個孔的孔距尺寸公差，鉆箱下設計有鉆模，用于控制鉆頭相對位置精度，鉆模通過導柱導套與鉆箱相連，保證鉆頭進給過程中，鉆套與工件距離不變。鉆箱通過動力箱與1H J B50機械滑臺相連，實現鉆削進給。

圖3 12孔鉆箱示意

3.4 上料與夾緊裝置構成

上料與夾緊裝置分為五部分，左右各有1個上（下）料工位，2個上（下）料定位滑車和1套夾緊工裝。夾緊工裝固定在HY63液壓滑臺上，用限位塊實現上（下）料定位滑車在滑臺上的限位，夾緊工裝底部有2個液壓缸，推動楔塊頂起裝置處于頂起狀態，采用4個液壓缸和杠桿裝置把工件與滑車一起定位夾緊后，隨液壓滑臺向前移動實現銑削進給；切削完成后，液壓缸推動楔塊頂起裝置落下，實現讓刀，防止液壓滑臺快退時刀具劃傷工件。左右各一個上（下）料工位，可以實現1個工件加工的同時，進行上（下）料、找正作業，縮短了工作節拍。兩個工位設有獨立的基礎，避免上下料時震動對切削精度產生影響。上（下）料定位滑車以彈簧承臺面為水平毛基準，由4個支撐釘定位，其中3個上平面調整至與HY63滑臺平行后鎖死，第4個高低可手動微調，保證支撐受力面足夠穩定；以搖枕八字面為縱向中心毛基準，采用彈性支撐上加“八”字形滾輪實現自動找正；以搖枕L尺寸定位面為橫向中心毛基準，通過與滑車上的定位塊比較，保證工件中心與滑車中心重合。

3.5 液壓系統

整臺機床采用1套液壓站，設計壓力25MPa，分別為HY63液壓滑臺、液壓夾緊裝置、銑削頭液壓讓刀裝置提供液壓動力。實現HY63液壓滑臺的快進、工進、工退、快退動作；實現液壓夾緊裝置中6個液壓缸的頂起、落下、夾緊和松開動作。

3.6 電氣控制系統

整臺機床采用1套電氣控制系統，采用PLC編程控制，共100個輸入/輸出點。工件上料夾緊后，能夠配合接近開關完成自動銑削、鉆削動作，具有多項聯鎖、互鎖設計，保證了整個系統的運行安全。

4 設計及使用情況

該裝備自2004年12月底通過公司設計方案評審，2005年2月中旬完成藍圖下發，6月制造完成投產使用。通過1個月的人機磨合，加工節拍最終穩定在15min/件，雙班日產達到了25輛份的生產能力，為公司順利實現年產4000輛份大部件目標提供了堅實的裝備保障。

本設計采用定柱吊人工上料，加工流程：左側小車上料→工件與小車附帶夾具對正→小車推入鉆削工位→小車與鉆削工位左右找正夾緊→啟動銑削加工→自動讓刀退刀回到鉆削工位→鉆削加工→鉆削退出→松開工位夾具退出小車→左側小車下料。其中，第6步自動讓刀退刀期間，操作人員可進行右側小車上料及找正工作。相對于常用的銑、鉆分體式設計，本設計減少上、下料及找正各1次，可減少機床操作人員1人，銑、鉆定位誤差為0，效率相當高，且結構緊湊，占地面積小，具有明顯的經濟效益優勢。

由于該設計采用了項目制的組織模式，合理地制訂了設計計劃，采用了并行設計和模塊化設計思路，優選了標準動力頭和標準滑臺，所以不僅降低了設計工作量30%以上，縮短了設計和制作周期，而且施工質量也得到了有效保證，圓滿地完成了公司項目計劃。

5 結束語

鐵路機車車輛產品具有專用性強、升級換代周期較長及生產批量大的特點，比較適合專用的組合機床進行生產。隨著鐵路轉向架技術的更新換代，K2型搖枕逐步被K4、K6等新技術產品替代，但是由于相關產品外形、材質變化不大，通過鉆箱、鉆模尺寸微調設計即可用于相關產品的生產，所以本設計方案對目前相關產品的加工仍然具有借鑒意義。