動車空心車軸中孔加工工藝與裝備研究*

王繼明，于大國，孟曉華

(1.中北大學 機械與動力工程學院，太原 030051；2.山西省深孔加工工程技術研究中心，太原 030051)

動車空心車軸中孔加工工藝與裝備研究*

王繼明1,2，于大國1,2，孟曉華1,2

(1.中北大學 機械與動力工程學院，太原 030051；2.山西省深孔加工工程技術研究中心，太原 030051)

針對動車車軸中孔加工過程中軸線易偏斜、孔的表面粗糙度難以保證的問題，從結構和材料分析，對其加工工藝及裝備做了研究，從工裝設計方面，利用支撐架及導向套等措施解決加工過程中BTA單齒鉆的偏斜問題;從加工工藝方面，利用“二次珩磨”保證孔的表面粗糙度。結果表明：采用該工藝加工動車空心車軸中孔，孔的直線度可達到0.05mm/m，內表面粗糙度可達到Ra(0.2-0.4)μm，均能夠滿足相應的技術要求。經檢驗，動車空心車軸內部探傷無缺陷，符合標準。

動車車軸；BTA單齒鉆；偏斜；二次珩磨；粗糙度

0 引言

高速動車組采用空心車軸，不僅可以減輕列車的簧下重量,從而減少列車對路軌的磨損，而且可以將探測頭放入中孔進行超聲檢測，提高車軸的超聲波探傷精度，因此得到了廣泛的應用。

然而，動車車軸不僅體積大，而且重，所要加工的孔長徑比超過了70，屬于大長徑比的深孔，鉆頭在加工過程中極易走偏，加之鉆頭的工作狀態(tài)難以觀察，使得孔的直線度更加難以保證，更不用說孔的內表面精度問題[1]。目前我國動車空心車軸中孔的加工設備主要從國外引進，而利用國內設備進行動車空心車軸中孔加工的很少，為此，開展此項研究顯得尤為必要。

中國晉西車軸股份有限公司從事包括動車車軸在內的各種車軸的加工，中北大學承擔了動車車軸中孔的加工。本文以直徑30mm，深度2250mm的動車車軸中孔的加工為研究對象，選擇了合適的加工機床及刀具，通過試驗，確定了鉆頭的最佳幾何參數,并制定了相關的加工工藝，采用該工藝可保證孔的加工質量。

1 零件結構特點和加工難點

1.1 零件的結構特點

如圖1所示，該動車空心車軸在結構上的特點為：通孔；孔徑無變化；長徑比達到75；孔的直線度要求不超過0.1mm/m，孔的內表面粗糙度要求不大于Ra1.6μm。

圖1 動車空心車軸結構圖

對于動車空心車軸來說，提高強度、增大橫截面積都能夠提高車軸的承載能力。由于列車運行中安全要求是首要的，車軸的塑性、沖擊韌性以及斷裂韌性越高，則安全性越好。在同等規(guī)格下EA4T鋼性能最好，因此EA4T鋼是動車車軸首選鋼[2]。

1.2 加工難點分析

一般深孔零件的加工具有以下特點：①加工過程是在封閉或半封閉狀態(tài)下進行，鉆頭的切削情況難以觀察；②由于容屑空間有限，導致切削熱不易排出，鉆頭潤滑和冷卻效果差，影響加工質量和鉆頭壽命[3]。該車軸除具有上述加工特點外，還有以下問題需要解決。

(1)內孔難加工。該動車車軸中孔的直線度、尺寸精度及表面粗糙度都要求很高，為保證孔的加工質量，必須在加工之前先鉆出中心孔，以引導鉆頭。為保證其表面粗糙度，中孔鉆出后還需對其內表面進行珩磨。

(2)孔的長徑比達到75，受刀桿自身剛度的影響，鉆削過程中極易產生振動[4]，從而導致孔的軸線產生偏斜，因此，必須采取有效的措施來保證孔的精度。

(3)由于EA4T鋼具有較高的強度和良好的韌性，故加工過程中刀具容易磨損，耐用度降低，且EA4T鋼在鉆削過程中粘性較高，極不容易斷屑，使加工過程變得更加困難。

2 鉆深孔

根據上述零件結構特點和加工難點，確定動車空心車軸中孔的加工工藝為：銑端面—鉆中心孔—車外圓—鉆深孔—珩磨。

鉆深孔是整個加工過程中最重要的環(huán)節(jié)，其加工質量直接決定著后續(xù)工作能否順利進行，故此階段機床、刀具的選用及工裝、工藝參數等的確定顯得尤為重要。

在鉆深孔之前需要先在CW6163E機床上對動車車軸鉆出最大直徑φ3-5mm，深度約20mm的中心孔，然后采用“一夾一頂”的裝夾方式，切除工件外表面單邊0.2～0.4mm的余量。對工件處理完之后，開始“鉆深孔”這一工序。

2.1 機床結構及自動排屑方案

本次加工采用T2120型深孔機床，如圖2所示，其最大加工直徑為200mm，最大加工深度為3000mm，機床主軸轉速共12級，最低轉速為61r/min，最高轉速為1000r/min，公比φ=1.25，可滿足加工需求。

1.主軸電機 2.主軸箱 3.卡盤 4.工件中心架 5.工件 6.輸油器 7.鉆桿 8.支撐架 9.鉆桿進給座 10.排屑管 11.進給電機

圖2 T2120深孔機床加工示意圖

鉆頭的柄部由方牙螺紋與鉆桿相連接。高壓切削液進入輸油器6后通過鉆桿外部的環(huán)狀空隙流向切削刃部，將切削刃上形成的切屑反向壓入鉆頭的出屑口，經鉆桿的中空內腔向后排出，直至集屑盤。切削液經過濾網回落到油箱中，經過若干次過濾后，重新被供油泵抽出，反復使用。

輸油器是T2120深孔機床的一個重要部件，其結構示意圖如圖3所示，它的作用是將高壓切削液輸送至鉆頭切削刃，以完成冷卻、潤滑和排屑三重使命[5]。

1.工件 2.導向套 3.鉆頭 4.鉆桿 5.刀桿密封件圖3 輸油器

加工過程中切削液從輸油器中間的孔口進入空腔后，由于其右方是封閉的，切削液只能向左通過導向套與鉆桿之間的環(huán)狀空隙及切削刃與導向條間的空隙流入切削刃部，對其進行冷卻潤滑，然后將切屑以反方向推入鉆頭出屑口，使其進入鉆桿內腔并向后排出。

在動車車軸中孔加工試驗初期，曾因為輸油器漏油導致切削刃冷卻潤滑不足，排屑不暢，影響了加工質量，后經改善油壓，彌補了上述缺陷，提高了加工質量。

2.2 鉆頭的結構

鉆深孔的關鍵是鉆頭的選擇與使用，由于所加工孔屬于大、中直徑的孔，且孔的內表面加工質量要求較高，故采用內排屑深孔鉆，切屑從鉆桿內部排出，不會劃傷已加工孔表面。

在內排屑深孔鉆中，BTA錯齒鉆由于參數繁多，復雜程度較高，適用于加工直徑大于60mm的孔[5-7]，本次加工的孔徑為30mm，若采用BTA錯齒鉆，則不僅會降低鉆頭的剛度，同時由于孔的限制，使得鉆頭容易打刀，難以加工，故對于該動車空心車軸中孔的加工選用BTA單齒鉆。

BTA單齒鉆結構如圖4所示，實物圖如圖5所示，鉆頭材質采用硬質合金，鉆頭切削部分主要由內刃、外刃、鉆尖、導向條及排屑孔組成，鉆頭圓周上布置有2個導向條，可對鉆頭進行導向，切削刃磨有3個分屑臺階，更易斷屑。

BTA單齒鉆適于加工直徑范圍為6～60mm的孔，長徑比可達100；加工精度達IT7～IT8，加工表面粗糙度可達Ra0.8-3.2μm，其排屑口張角約為135°；同時，由于采用機夾式結構，使得鉆頭重磨更加方便。圖4為磨出分屑刃的BTA單齒鉆。

圖4 BTA單齒鉆結構圖

圖5 BTA單齒鉆實物圖

2.3 鉆頭幾何參數的確定

經試驗加工，確定了鉆頭的幾何參數如下：

①為加強內刃強度，外刃前角取γ°=0°,內刃前角取γoτ=-5°～-15°,。

②外刃余偏角通常取ψr=10°～20°，對于有階梯刃的深孔鉆，為使各段所產生的切屑流相互沖擊以達到斷屑、排屑的目的，各段上余偏角的取值應有所區(qū)別，鉆尖處最小，中間次之，鉆頭邊緣最大，本文中φr1=10°,φr2=12°,φr3=16°。

③內刃余偏角ψrτ取ψrτ=20°，其作用是使中心刃在孔底切出反錐面，利于定心，并將鉆心處的切屑尖劈分屑。

④外刃后角α°取8°～12°，內刃后角αoτ取12°～15°，外緣副切削刃的副后角取α°＇=8°。

⑤鉆頭偏心量e取3.75～7.5mm,它決定著鉆頭徑向合力的大小和方向。

⑥斷屑臺的寬度Wn取1～2mm，深度Hn取0.4～0.5mm。

⑦導向條滯后量L取0.5～1.2mm。

2.4 工裝及工藝分析

定位方式采用“左夾右頂”，即：工件左端裝夾在機床的三爪卡盤上，右端則用錐堵來定位。由于工件的體積、重量都較大，其中間部位用中心架支撐。針對鉆桿長，剛性差，容易產生振動的情況，在鉆桿中部安裝1～2個支撐架，支撐架可沿導軌滑動，直至鉆孔結束。鉆頭套在導向套上，并與其緊密接觸，導向套加工成60°錐面，內外徑高度精確同軸[3,7]，與導向條一起實現對鉆頭的導向。

圖6 鉆深孔

中孔的加工采用工件旋轉、鉆頭進給的方式，如圖6所示，通過主軸旋轉帶動工件旋轉，鉆頭直徑為29.5mm，為減小刀具磨損，通常不采用較高的切削速度，取為219r/min，進給量8mm/min；同時，切削液在高壓、高速下才能產生足以推動切屑迅速排出的動量，才能迅速帶走切削熱[8-9]，故為了便于排屑和對鉆頭切削刃進行冷卻潤滑，需通入1MPa的高壓切削液。油壓過低，會使得切削液流量過小，從而導致切削刃冷卻潤滑不足，排屑不暢。該加工可實現自動排屑，整個加工過程一次性完成，避免了頻繁退刀、進刀所產生的誤差。

3 深孔珩磨

要想獲得高精度孔，需要對孔進行珩磨。珩磨是動車空心車軸中孔加工的最后一道工序，其目的主要是保證內孔表面粗糙度和內孔尺寸精度。

3.1 機床的結構

本次加工選用MK2120 臥式深孔珩磨機，其可加工直徑為8～1000mm的孔，經該機床加工的零件孔徑精度達IT7級以上，表面粗糙度達Ra0.2～0.4μm。圖7所示為臥式深孔珩磨機簡圖。

1.活動夾具 2.空心車軸 3.珩磨頭 4.浮動支撐 5.珩磨桿 6.托板總裝

圖7 臥式深孔珩磨機簡圖

位于珩磨頭上的油石條，在張緊機構的作用下，產生徑向微量進給，將油石條壓向工件內孔壁以產生一定的接觸面，增大壓力，可增大切削量；同時，珩磨頭在機床主軸的帶動下做旋轉和直線往復運動，油石條上的磨粒在內孔孔壁上形成交叉網紋，從而降低內孔表面粗糙度[10-11]。

3.2 珩磨頭的結構

珩磨頭為棱圓柱體，直徑為25mm，采用后進給方式，當椎體漲芯移動時，油石能在徑向均勻漲縮，珩磨頭簡圖如圖8所示。

1.珩磨頭體 2.油石座 3.錐形心軸 4.油石 5.推桿 6.珩磨桿 7.脹縮機構

圖8 珩磨頭簡圖

珩磨油石的磨料是油石的一個重要性能，它直接影響著珩磨加工的表面質量和生產率。珩磨油石磨料選用綠色碳化硅，油石粒度為W40。珩磨條尺寸為60mm×5mm×4mm，沿周向均勻安裝，每周三條油石，雙周排列。油石采用膠合式固定。

珩磨頭油石座在珩磨頭基體上對稱布置。由于深孔珩磨中油石比較長，故油石座采用多斜面支撐，并且要求研配，這樣簡化了進給系統(tǒng)，保證了進給運動的穩(wěn)定性。

3.3 工裝及工藝分析

由于車軸較重，且珩磨過程中車軸所受軸向力遠遠小于鉆削時所受軸向力，很難使其移動，故工件固定使用鏈條鎖緊即可，簡單可靠。

圖9 深孔珩磨

珩磨過程采用工件固定、珩磨頭旋轉并進給的方式，如圖9所示。珩磨頭轉動采用交流變頻無級調速，往復運動采用液壓無級調速，珩磨過程中電壓為30.78V，電流為10.69A～10.74A，單邊磨去0.2～0.25mm的余量。

珩磨完成后，由于內孔表面還殘留著珩磨過程中的網紋，故需要對內孔進行“二次珩磨”，以提高其表面加工質量。將200目的砂紙纏繞固定于珩磨頭，并利用上述加工方法來實現二次珩磨，此次加工主要是磨去網紋，降低內孔表面粗糙度，單邊磨去約0.01mm。

4 質量檢驗

深孔直線度是通過對車軸兩端壁厚測量間接得到的。在軸的一端面均勻任取3點A1、B1、C1，測量孔的內表面與外圓間的壁厚，得到3個數據，然后標記與上述3點相對應的另一端面的點A2、B2、C2并測量該端面的壁厚，又可得到3個數據，將此6個數據進行比較，如果任意兩個數據之差的絕對值不大于0.2mm，則認為產品的直線度符合要求，經檢驗，最大偏差不超過0.12mm。

在上述基礎上對內孔的表面粗糙度進行檢驗，粗糙度能夠達到Ra0.2～0.4μm。

產品質量符合要求。

5 結論

(1)從工裝設計方面采取措施，在鉆削時利用導

向套抑制鉆頭的偏斜，利用支撐架降低鉆桿的振動，能有效抑制孔的偏斜。

(2)經試驗確定了合理的鉆頭幾何參數和切削參數，采用上述各參數對動車車軸進行加工，使得斷屑容易，排屑順暢。

(3)利用“二次珩磨”可使動車空心車軸中孔的表面粗糙度得到很大提高。

(4)利用上述工藝與裝備所加工的車軸孔直線度不超過0.1mm/m，表面粗糙度小于Ra1.6μm。能夠得到合格的產品且刀具使用壽命較長。

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(編輯 李秀敏)

Research on Deep Hole Processing Technology and Equipment of EMU Hollow Axle

WANG Ji-ming1,2,YU Da-guo1,2,MENG Xiao-hua

(1.School of Mechanical and Power Engineering; 2.North University of China,Taiyuan 030051, China; 2.Research Center of Deep-hole Machining Engineering Technology, Taiyuan 03005l,China)

Aiming at axial deviation and surface roughness which are difficult to guarantee in EMU hollow axle drilling. This paper analyzes processing technic and machining equipment on the basis of structure and material properties. It solves the problem of BTA single tooth drilling′s skewing by using support frames and guide sleeves. Using "second honing" to guarantee hole surface roughness is based on processing technology. The results show that the straightness can reach 0.05mm / m and the inner surface roughness can be achieved Ra (0.2-0.4)μm when the technology is taken in processing EMU hollow axle hole. Both are able to reach the corresponding technical requirements. EMU hollow axle is non-defective after being tested, conforming to the standard.

EMU axle;BTA single tooth drilling;skew;second honing;roughness

1001-2265(2014)07-0132-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.038

2013-11-14；

2013-12-18

國家自然科學基金(51175482)；中北大學自然科學基金項目(2012111)

王繼明(1989—)，男，山西運城人，中北大學碩士研究生，主要從事深孔加工技術研究，(E-mail)jiming0205@163.com。

TH162；TG65

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