馬來西亞輕軌三號線構架加工工藝優化

聶希來

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

構架是轉向架的底架，是安裝車輛各種零部件的重要載體，承受和傳遞垂向力和水平力，是車輛的走行部。構架加工質量的優劣會直接影響組裝到構架上配件的裝配狀況及配件的使用壽命以及工程車輛的行駛狀況。然而，構架結構復雜，加工位置多，加工精度，質量要求高。在部分工序中，并不只依靠機車來控制產品精度、質量，往往還需要通過選擇合適的刀具、加工參數、加工工藝等多種措施保證產品質量。本文對構架加工中遇到的問題，通過理論和實踐經驗探討可行的加工方法，在保證產品質量的前提下，更好地提高生產效率。

1 構架工藝難點

1.1 整體結構特征

馬來西亞三號線整個構架的梁體比較單薄且帶斜度，導致加工時的定位夾緊點比較難找。側梁主要由一系簧座、制動器座、電機懸掛座、空氣簧導筒組成，中間橫梁為2根橫向管，主要包括齒輪箱安裝座、橫向止擋等。

1.2 一系簧座板U型槽加工現狀

馬來西亞輕軌三號線一系簧座板結構較為復雜(見圖1)，且構架整體依靠一系簧座建立整體坐標系，加工精度要求高。加工順序為：銑平面—銑U型槽—銑半圓槽—銑沉臺。馬來西亞輕軌三號線構架一系簧座板位置需要加工U型槽，槽型分為U型和半圓型2種。U型槽數量多加工難度大，一個構架上一共需要加工56個U型槽，現加工方式為使用直徑12 mm波紋銑刀進行仿型銑。在試制過程中發現，由于波紋銑刀的特性，需要高轉速低進給來進行加工，非常容易崩刀(試制過程中加工一個構架崩掉2把刀)，并且加工后的表面粗糙度達不到要求(見圖2)。其主要原因為該槽型為半圓開口槽，刀具加工至圓弧接口處切受力不均，且刀具加工轉速要求高。

圖1 一系簧座板結構圖

圖2 試制中的加工情況

1.3 U型槽反面沉臺加工現狀

馬來西亞輕軌三號線一系簧座板背面的U型沉臺加工難度較高(見圖3)，由于該位置正面與機床附件存在干涉，所以只能在反面加工時采用刮、銑的加工方式。現加工工藝為白鋼刀片反刮(見圖4)。由于該沉臺為U型沉臺要求深度較深(3±1 mm)且存在缺口，在進行反刮的過程中刀片的受力不均，吃刀量大，加工效率極低且需要手動控制。加工1個沉臺需要7～8 min，1個構架有32個沉臺，耗時大概32×8 min=256 min。加工難度大，耗時長，且刀具報廢率極高。一系簧座板孔為?13 mm，沉臺直徑為?25 mm，故要求刮刀桿直徑需小于?13 mm。經過現場驗證，由于反刮過程中刀片受力過大，刀桿晃動嚴重容易崩斷。

圖3 U型槽結構

圖4 白鋼刀片崩刃

1.4 制動器座加工現狀

馬來西亞輕軌三號線構架制動器座位于構架側梁的端部位置，需要進行上、下端面的銑面、鉆16×?17 mm、側面鉆M12孔。端面的銑削加工量大，且平面4個凸臺均需要加工到，因此無法在制動器上表面進行壓活。若按以往加工工藝經驗，采用?160 mm面銑刀進行加工，加工時易振刀，加工后表面粗糙度難以達到圖紙要求；且該位置加工量較大，加工時斷續切削，沖擊力較大，極易影響機床附件頭精度。

制動器座深孔的加工同樣存在難點(見圖5、圖6)，16×?17 mm孔深長達154 mm。普通高速鋼麻花鉆頭難以保證加工精度，鉆到中間位置時鉆頭容易偏移且鐵屑無法正常排出，容易擠壞鉆頭甚至影響機床附件頭。

圖5 制動器座深孔尺寸

圖6 制動器座結構

2 工藝優化及解決方案

2.1 整體的裝夾定位

由于馬來西亞三號線構架設計較為特殊，側梁整體呈傾斜姿態，無論是壓緊或者是使用支撐頂支撐都難以找到合適的受力點，并且關鍵的加工部位如一系簧、制動器座等都分布在側梁上。加工量大、加工位置多，刀具產生的切削抗力也會比較大，經過綜合考慮與現場實際應用中，最后采取的壓裝方式為6點定位壓法，分別將壓板壓在側梁4個一系簧座旁、齒輪箱吊掛座上端。將構架校平校直后，防止壓緊時整體構架產生壓裝變形的關鍵是構架輔助支撐的位置安放。除了在壓板的下方放置外，在構架的四角上的制動器支座處打上圓頂支撐以及壓緊壓板保證構架整體受力均勻。四周壓緊點預緊，查看構架整體是否有偏移、變形等情況。采用對角擰緊的方式進行最后的緊固，保證構架在加工過程中不會產生位移、變形。

2.2 一系簧座板U型槽加工工藝優化

通過分析加工材料與產品尺寸，構架材質為16 MnDR(低溫容器鋼)，強度高加工性能優但整體硬度偏高，U型槽寬度為13 mm深度約為15 mm。波紋銑刀的材質為硬質合金鋼，且最小直徑為?12 mm，加工轉速需要達到1 000 r/min以上。如果按照實際加工深度15 mm，直接一刀銑到位的情況下，刀具刀刃全部吃刀且高轉速高進給的情況下，刀具阻抗力過大，且一系簧座板結構單薄容易震動，十分容易崩刀。因此，修改程序改為兩刀銑出輪廓，第一刀Z方向7 mm下刀高轉速低進給銑出?12 mm直槽，第二刀高轉速高進給走U型槽輪廓線將?12 mm孔擴成?13 mm，最后增加?12 mm立銑刀精銑走輪廓去除毛刺。從仿型銑改為?12 mm波紋銑刀粗銑毛坯—?12 mm波紋銑刀粗銑輪廓—?12 mm立銑刀精銑輪廓，加工后表面質量及尺寸相比之前有了極大提升，同時2種加工方式的加工時間無大差異。

2.3 一系簧U型槽反面沉臺加工工藝優化

根據現場試制的情況來看，該位置正面內側空間較小無法進刀，所以只能選擇從反面下刀，反向進行切削類似加工銑削T型槽。通過查找資料，需要選擇刀桿直徑小于?13 mm，且刀盤直徑為?25 mm的沉臺銑刀。沉臺銑刀受力穩定切削效果好，加工效率高，使用沉臺銑刀能夠一刀銑到位。并且針對開口槽結構適當調低進給量后，面銑刀切削受力均勻不會發生崩刃、燒刀等現象，極大地提升了一系簧座板反面沉臺的加工效率及穩定性。改進前、后的刀具如圖7、圖8所示。

圖7 刮刀

圖8 沉臺銑刀

2.4 制動器座加工工藝優化

首先是制動器平面的銑削加工，從之前的分析可得，加工該部位的刀具?160 mm面銑刀應改為?80 mm的面銑刀(見圖9)。小直徑的面銑刀可以保證加工時更好的穩定性，減少刀具振刀情況。同時，采用高速分層銑削的方式進行加工，由之前的“大吃深，小進給”改為“小吃深，大進給”粗加工方式，極大地降低了機床的負載，同時也保證了加工效率。

圖9 制動器座加工方式改善

對于制動器深孔的加工，改為先用?13 mm的小合金鉆鉆至80 mm深度，再使用?17 mm的麻花鉆進行加工(見圖10)。首先小直徑的合金鉆頭可以保證孔的位置度準確，其次先鉆的?13 mm孔可以幫助?17 mm麻花鉆后續鉆孔時排屑順暢，避免出現孔內鐵屑擠壓刀刃的情況。保證該位置深孔的加工精度、質量。

圖10 制動器孔加工

3 實施效果

通過對以上改善方案的實施，馬來西亞三號線構架加工時間得到進一步縮短，加工質量更是有著顯著的提升。加工U型槽通過修改程序，將轉速提到1 000 r/min，進給提到200 mm/min，每刀切深減少為7 mm，所有一系簧座板U型槽及缺口加工完所花時間僅40 min，增加的精銑程序保證了表面質量與粗糙度。制動器面、孔的加工方式改善了加工產品的尺寸精度，同時減少了對機床的損害。僅僅只是U型槽加工的一項改善，最終將加工時間縮短近2 h/架。加工U型槽反面的沉臺改用沉臺銑刀后，刀具成本降低約440元/架，加工效率提升400%，每年節約制造成本約8萬余元。

4 結語

本文從產品結構、加工難點、及工具參數、走刀路徑等方面分析了馬來西亞三號線轉向架構架的加工工藝，并通過工藝優化保證了構架一系簧座U型槽、沉臺的加工質量，大大提升了構架加工效率并改善了構架加工質量，順利完成該項目構架加工試制。