轉(zhuǎn)向架焊接接頭無(wú)齒盤自動(dòng)化精磨工藝

吳向陽(yáng)，王心紅，李 陽(yáng)，崔云龍，張衛(wèi)華

（1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031）

0 前言

轉(zhuǎn)向架是高速軌道車輛的最重要部件之一，起著支撐車體、保證車輛安全運(yùn)行、減緩車輛和線路間的相互作用以及制動(dòng)等作用，直接決定了車輛的舒適性、安全性和動(dòng)力性能。轉(zhuǎn)向架由橫梁、側(cè)梁和構(gòu)架組成，是轉(zhuǎn)向架的承載部件，主要通過(guò)焊接制造。轉(zhuǎn)向架的性能不但與焊接過(guò)程有關(guān)，焊接后打磨工藝也有很大的影響。轉(zhuǎn)向架焊縫通過(guò)打磨成圓滑過(guò)渡，可消除應(yīng)力集中，防止從棱角處開裂，顯著降低應(yīng)力水平，提高轉(zhuǎn)向架使用壽命和安全性能。目前，轉(zhuǎn)向架構(gòu)件主要采用人工手動(dòng)打磨，打磨效率低、一致性差、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境惡劣。因此，本研究中采用先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)結(jié)合自行設(shè)計(jì)的無(wú)齒盤動(dòng)力打磨頭研究轉(zhuǎn)向架自動(dòng)精磨工藝。

1 方法及設(shè)備

工業(yè)機(jī)器人是一種多軸聯(lián)動(dòng)的、具有靈活的工作軌跡和姿態(tài)的機(jī)械裝置，它具有較強(qiáng)的通用性和較高的可靠性。本研究中使用ABB機(jī)器人，到達(dá)距離為2 900 mm，承重能力325 kg，重心360 mm，手腕最大轉(zhuǎn)矩2 680 N·m，位置重復(fù)精度0.1 mm。精磨采用動(dòng)力打磨頭打磨，選用碳化鎢旋轉(zhuǎn)銼刀無(wú)齒盤打磨的線速度為60 m/s，機(jī)器人行進(jìn)速度為2 mm/s，每次打磨進(jìn)深為1 mm。配合專用工件夾、治具、變位機(jī)、周邊機(jī)械以及電氣系統(tǒng)，選用SMA490BW轉(zhuǎn)向架專用耐候鋼橫梁部件進(jìn)行，完成轉(zhuǎn)向架焊縫的自動(dòng)打磨技術(shù)研究。

圖1 打磨機(jī)器人及動(dòng)力打磨頭模型

焊縫精磨后殘余應(yīng)力測(cè)試使用的設(shè)備為加拿大PROTO公司生產(chǎn)的便攜式iXRD殘余應(yīng)力儀，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T 7704-2008無(wú)損檢測(cè)：X射線應(yīng)力測(cè)定方法；表面粗糙度采用符合國(guó)標(biāo)GB/T 6062及ISO，DIN，ANSI和JIS四項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的 Mitutoyo SJ-210型表面粗糙度測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)定；用蔡司金相顯微鏡分析精磨后的金相組織；表面形貌分析采用共聚焦軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果和分析

通過(guò)無(wú)齒盤機(jī)器人自動(dòng)精磨后焊縫的表面如圖2a所示。圖2a中，焊縫經(jīng)過(guò)精磨后，表面呈現(xiàn)光亮的金屬光澤，表面圓滑平整，焊縫和母材過(guò)渡圓滑區(qū)域未傷及母材。在打磨焊縫表面選?。▁，y）的15個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，使用Mitutoyo SJ-210型表面粗糙度測(cè)量?jī)x貼在打磨后的焊縫表面，分別測(cè)試各個(gè)點(diǎn)的表面粗糙度，測(cè)試示意如圖2b所示。

將測(cè)試出的點(diǎn)進(jìn)行整理，表面粗糙度最大值為點(diǎn)（3，5）的 0.767 μm，最小值為點(diǎn)（1，1）的 0.293 μm，計(jì)算其平均值為0.439 μm，可見，經(jīng)過(guò)精磨后的焊縫表面粗糙度低于1 μm。圖3為焊縫精磨后表面粗糙度云圖。由圖3可知，整個(gè)區(qū)域基本呈現(xiàn)藍(lán)色和青色，除了個(gè)別邊角區(qū)域粗糙度稍高外，焊縫精磨后的表面粗糙度一致性較好，說(shuō)明經(jīng)過(guò)精磨后達(dá)到了較為理想的效果。

采用PROTO公司生產(chǎn)的便攜式iXRD殘余應(yīng)力儀測(cè)試上面15個(gè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力，測(cè)試出的σx和σy如圖4所示。圖4a為打磨區(qū)域的σx殘余應(yīng)力主要是壓應(yīng)力，其值在-156～31 MPa，其最大值在點(diǎn)（1，2）和點(diǎn)（3，4）附近區(qū)域。圖 4b為打磨區(qū)域的σy殘余應(yīng)力主要是壓應(yīng)力，其值在-251～128 MPa，其最大值在點(diǎn)（3，4）附近區(qū)域。轉(zhuǎn)向架耐候鋼室溫屈服強(qiáng)度大于350 MPa，故精磨后的殘余應(yīng)力滿足要求。

圖3 焊縫精磨后表面粗糙度云圖

圖4 焊縫精磨后殘余應(yīng)力云圖

圖5為近打磨面的金相組織，由圖5可知，從表面到心部均為針狀鐵素體與針狀珠光體組織，部分區(qū)域有貝氏體組織出現(xiàn)。近打磨面的金相組織和內(nèi)部相同，并未出現(xiàn)淬硬組織或回火組織，說(shuō)明經(jīng)過(guò)無(wú)齒盤高速精磨后，表層組織均勻并保持較好的組織性能，未因快速精磨而發(fā)生組織變化。

圖6a為無(wú)齒盤自動(dòng)打磨后在200倍共聚焦激光電子顯微鏡下的形貌。由圖6可知，磨削表面的磨削紋路十分清晰且較為完整，基本沒(méi)有附著物，部分區(qū)域因?yàn)樵嚇臃胖幂^久出現(xiàn)少量的銹跡，打磨表面狀態(tài)良好，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)打磨微裂紋。將所采集微區(qū)表面形貌通過(guò)VK analyzer軟件測(cè)量對(duì)角線上表面粗糙度分布情況，如圖6b所示。由于試樣表面整體往右下角傾斜，在三維圖中顯示成右下角較低；從線掃描分析結(jié)果來(lái)看，試驗(yàn)表面粗糙度分布相對(duì)平整，未出現(xiàn)起伏面。

切取的金相樣品從接近打磨面往心部進(jìn)行顯微硬度梯度測(cè)量，梯度間距為150μm、150μm、150μm、150 μm、200 μm、250 μm、300 μm、350 μm，實(shí)驗(yàn)載荷500 g，保載時(shí)間10 s，測(cè)量結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，顯微硬度測(cè)量結(jié)果在200 HV左右，與相關(guān)文獻(xiàn)所提供數(shù)據(jù)基本相當(dāng)；從表層到心部硬度分布平穩(wěn)，未呈現(xiàn)出遞增或遞減趨勢(shì)，說(shuō)明打磨后表面未出現(xiàn)明顯的加工硬化。

圖5 焊縫精磨后截面金相組織

3 結(jié)論

（1）表面粗糙度最大值為0.767 μm，最小值為0.293 μm，平均值為 0.439 μm，可見經(jīng)過(guò)精磨后的焊縫表面粗糙度低于1μm，表面粗糙度一致性較好。

（2）打磨區(qū)域的σx殘余應(yīng)力主要是壓應(yīng)力，σy殘余應(yīng)力主要是壓應(yīng)力，精磨后的殘余應(yīng)力低于轉(zhuǎn)向架屈服強(qiáng)度。

（3）微觀組織結(jié)構(gòu)表明精磨后未出現(xiàn)淬硬組織或回火組織，經(jīng)過(guò)無(wú)齒盤高速精磨后，表層組織均勻。

圖6 局部微區(qū)表面形貌

圖7 近打磨面顯微硬度梯度分布

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