30mm內(nèi)徑EA4T空心車軸深孔鉆削試驗*

劉永彬，邵松濤，賀慶強

(1.南車青島四方機車車輛股份有限公司 技術(shù)工程部，山東 青島　266111；2.中國石油大學(華東) 機電工程學院，山東 青島　266580)

?

30mm內(nèi)徑EA4T空心車軸深孔鉆削試驗*

劉永彬1，邵松濤1，賀慶強2

(1.南車青島四方機車車輛股份有限公司 技術(shù)工程部，山東 青島266111；2.中國石油大學(華東) 機電工程學院，山東 青島266580)

摘要：空心車軸深孔加工的工藝難度隨著孔徑減小而增大，為確定30mm內(nèi)徑EA4T空心車軸加工工藝參數(shù)的合理取值范圍，利用深孔鉆床進行了多根空心車軸的深孔鉆削加工試驗。試驗結(jié)果表明，為保證順利斷屑并避免刀具過快磨損，進給量取值應(yīng)在0.12mm/r左右，主軸轉(zhuǎn)速取值應(yīng)在600r/min左右，切削液流量取值應(yīng)在80L/min左右，切削液壓力控制在2～3.0MPa之間，按上述工藝參數(shù)加工后的空心車軸內(nèi)孔同軸度、尺寸精度和表面粗糙度等指標全部符合設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：空心車軸；EA4T車軸鋼；深孔加工

0引言

為減輕列車及車輛的簧下質(zhì)量[1]，并定期對服役中的車軸進行超聲波探傷[2-3]，高速列車普遍采用空心車軸。其中，孔徑大于12mm的深孔加工多用BTA系統(tǒng)，研究表明，影響B(tài)TA加工質(zhì)量的因素包括工藝參數(shù)、工件及工具導(dǎo)向、切削液壓力和流量等因素[4-8]。參數(shù)選取不當不僅會直接影響加工效率和孔加工質(zhì)量，甚至會因無法順利排屑而導(dǎo)致加工失敗[9-12]，目前，文獻中未見關(guān)于30mm內(nèi)徑EA4T車軸深孔加工工藝研究的相關(guān)報道。本文采用控制變量法進行了該內(nèi)孔規(guī)格空心車軸的深孔鉆削加工試驗，確定了鉆削工藝參數(shù)的合理取值范圍，為實現(xiàn)30mm內(nèi)徑EA4T車軸的批量加工提供了參考數(shù)據(jù)。

1空心車軸加工工藝流程

目前，空心車軸深孔加工方案可分為單純深孔鉆削、深孔鉆削后再進行內(nèi)孔珩磨兩種。實際加工和測試表明，深孔鉆削后的內(nèi)孔表面粗糙度為Ra6.3～2.0，而珩磨后內(nèi)孔表面粗糙度可以達到Ra1.0～0.2。因此，為提高內(nèi)孔表面質(zhì)量并利于超聲波探傷，南車青島四方機車車輛股份有限公司采用深孔鉆削后再進行內(nèi)孔珩磨的加工方案，已經(jīng)配置2臺深孔加工鉆床和1臺深孔珩磨機，建成了一條全自動化空心車軸生產(chǎn)線，可以實現(xiàn)φ60mm和φ39mm內(nèi)徑規(guī)格空心車軸的自動加工。

根據(jù)中國鐵路總公司“時速350公里中國標準動車組暫行技術(shù)條件”的規(guī)定和要求，時速350公里的中國標準動車組將統(tǒng)一采用φ30mm內(nèi)徑的空心車軸。與φ60mm和φ39mm內(nèi)孔空心車軸相比，φ30mm內(nèi)徑空心車軸的加工工藝難度大。因此，為利用公司現(xiàn)有深孔加工裝備完成φ30mm內(nèi)徑的空心車軸的高質(zhì)量加工，應(yīng)按照已確定的φ60mm和φ39mm內(nèi)孔空心車軸的加工工藝流程，進行一定數(shù)量的深孔鉆削加工試驗。

單純從車軸結(jié)構(gòu)劃分，空心車軸與實心車軸的唯一區(qū)別就是空心車軸的軸心是中空的，因此，兩者的外圓粗加工和精加工的工藝流程應(yīng)基本相同，區(qū)別僅在于空心車軸增加了內(nèi)孔加工工序。但是實際加工工藝表明，為了保證空心車軸的尺寸精度，特別是其內(nèi)外徑的同軸度，內(nèi)孔加工工序應(yīng)安排在車軸外圓粗加工和精加工工序之間進行，制定了圖1所示的空心車軸加工工藝流程圖。

圖1　車軸加工工藝流程示意圖

2車軸深孔鉆削加工試驗

2.1試驗內(nèi)容

本試驗的主要內(nèi)容是進行φ30mm內(nèi)徑空心車軸的深孔鉆削，通過改變進給量、轉(zhuǎn)速、切削液壓力和流量，獲取不同加工條件下φ30mm內(nèi)徑空心車軸深孔鉆削中的工藝數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析，明確不同加工工藝參數(shù)對深孔加工質(zhì)量的影響。

2.2試驗設(shè)備和儀表

采用圖2所示德國沃倫貝格生產(chǎn)的專用數(shù)控深孔鉆床(型號：PB2L-800B×2800mm)，試驗儀表包括：百分表、壓力表、直徑表、游標卡尺、超聲波測厚儀和粗糙度儀等。

圖2　專用數(shù)控深孔鉆床

2.3試驗工件和刀具

圖3給出了試驗工件的結(jié)構(gòu)示意圖，軸身最大直徑φ213mm，最小直徑φ138mm，軸身長度2188mm。材質(zhì)為EA4T車軸鋼，調(diào)質(zhì)后的硬度為HB180～230，表1列出了EA4T鋼的主要合金元素，表2列出了其主要機械性能指標的數(shù)值。采用德國BOTEK錯齒內(nèi)排屑BTA深孔鉆頭，刀具的直徑為φ30.2mm。

圖3　φ30mm內(nèi)徑空心車軸的結(jié)構(gòu)示意圖

元素CMnSiCrMo質(zhì)量分數(shù)0.22-0.290.5-0.80.15-0.40.9-1.20.15-0.3元素NiVSP質(zhì)量分數(shù)≤0.3≤0.06≤0.015≤0.020

表2　EA4T車軸鋼的主要力學性能指標

2.4試驗數(shù)據(jù)和分析

為保證內(nèi)孔軸線的直線度，采用工件和刀具同時反向旋轉(zhuǎn)的加工方式。根據(jù)φ60mm和φ39mm內(nèi)孔加工經(jīng)驗，工件主軸轉(zhuǎn)速與刀具主軸轉(zhuǎn)速的最佳比例范圍是1:2～1:3，表3列出了加工工藝參數(shù)的試驗數(shù)據(jù)。

表3　加工工藝參數(shù)的試驗數(shù)據(jù)表

圖4　EA4T車軸鋼深孔鉆削試驗的切屑形態(tài)

從上面的試驗數(shù)據(jù)可以看出，進給量為0.09mm/r時切屑細長，加工不久后因排屑堵塞而導(dǎo)致機床停機，加工終止、刀片損傷情況嚴重；進給量為0.10mm/r時，出現(xiàn)擠裂狀的切屑，切屑形狀較前面有所改善，但還是存在部分鐵屑較長，加工到一半行程時同樣因排屑堵塞而停機；進給量為 0.12mm/r 時，切屑呈理想的小“C”狀，排屑和鉆削過程非常穩(wěn)定，順利完成深孔鉆削加工，表4列出了車軸內(nèi)孔加工精度的考核表。

表4　車軸內(nèi)孔加工精度考核表

另外，通過試驗發(fā)現(xiàn)切削液流量的變化對斷屑效果影響不明顯；切削液壓力受排屑通道影響，其數(shù)值壓力隨加工深度的增加而增大，初始壓力設(shè)定在2.0MPa，隨著孔深增加，最后能達到2.8MPa。如果排屑通道堵塞，則壓力數(shù)值突然增高。因此，為避免損傷機床設(shè)備，當壓力超過3.0MPa時控制系統(tǒng)自動停機。試驗發(fā)現(xiàn)，每次停機后刀具都會有不同程度的損傷，無法繼續(xù)使用。因此，深孔鉆削加工必須一次完成。

3結(jié)論

經(jīng)過試驗得出如下主要結(jié)論：

(1)進給量對切屑的斷屑效果影響較大，為保證良好斷屑應(yīng)取較大進給量，但進給量太大會導(dǎo)致刀具磨損嚴重，30mm內(nèi)徑EA4T空心車軸深孔鉆削加工的進給量取0.12mm/r比較合理；

(2)切削液流量的變化對斷屑效果影響不明顯，30mm內(nèi)徑EA4T空心車軸深孔鉆削加工的切削液流量取80L/min；

(3)切削液壓力隨鉆孔深度增加而增大，為保護機床設(shè)備應(yīng)該以控制壓力數(shù)值的變化，30mm內(nèi)徑EA4T空心車軸深孔鉆削加工的切削液的壓力范圍取2～3.0MPa。

[參考文獻]

[1] 高艷艷,王玉輝,李志平. 高速列車空心車軸應(yīng)用研究[J]. 硅谷,2014(20):102-103,80.

[2] 汪洪文,鞠華,朱忠奎.高速客車空心車軸的疲勞強度分析及優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2011(11):14-17.

[3] 顧小山.CRH1型動車組空心車軸探傷作業(yè)輔助工藝探討[J].鐵道車輛,2014,52(6):37-38.

[4] 樊鐵鑌. 深孔加工技術(shù)綜述[J]. 工具技術(shù),1994(5):2-5.

[5] 熊良山,師漢民,陳永潔. 鉆頭與鉆削研究的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 工具技術(shù),2005(8):11-14.

[6] 張斌. 深孔加工的幾種工藝方法[J]. 機械工人.冷加工,2004(3):22-24.

[7] 何定健,李建勛,王勇. 深孔加工關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展[J]. 航空制造技術(shù),2008(21):90-93,97.

[8] 王繼明,于大國,孟曉華. 動車空心車軸中孔加工工藝與裝備研究[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù),2014(7):132-135.

[9] 江敏,苗鴻賓.BTA深孔鉆加工工藝影響因素的實驗探究[J].機床與液壓,2013,41(21):15-18.

[10] 李琦,裴宏偉,于勇波,等. BTA深孔鉆切削過程實驗研究[J]. 機械設(shè)計與制造,2004(1):105-106.

[11] 楊順田,侯忠坤. 深孔鉆削中受力分析與切削參數(shù)定量分析[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù),2013(1):113-117.

[12] 趙珮鳳,王平,孫敬陽,等. 組合機床深孔鉆削及工藝參數(shù)選擇[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù),2001(8):53-57.

(編輯趙蓉)

Deep-hole Drilling Experiments of 30mm Inner Diameter EA4T Steel Hollow Axle

LIU Yong-bin1, SHAO Song-tao1, HE Qing-qiang2

(1.Technology and Project Division, CSR QINGDAO SIFANG CO. LTD., Qingdao Shandong 266111, China;2.College of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum, Qingdao Shandong 266580,China)

Abstract：The difficulty of hollow axle deep-hole drilling increases with the decreasing of deep-hole size, in order to determine reasonable value range of deep-hole drilling process parameters, drilling experiments were carried out on the deep-hole drilling machine. The results showed that the value of feed rate is 0.12mm/r, the value of spindle speed is 600r/min, the cutting fluid flux is 80L/min and the cutting fluid pressure is varying from 2.0MPa to 3.0MPa. The coaxially, dimension precision and the surface roughness of deep-hole surface were satisfied the design requirements.

Key words：hollow axle; EA4T axle steel; deep-hole drilling

中圖分類號：TH162；TG506

文獻標識碼：A

作者簡介：劉永彬(1969—)，男，山東乳山人，南車青島四方機車車輛股份有限公司高級工程師，研究方向為機械制造，(E-mail)qd1965@126.com;通訊作者：賀慶強(1978—)，男，山東東阿人，中國石油大學(華東)副教授，博士，研究方向為有限元法及其工程應(yīng)用，(E-mail)heqingqiang_upc@163.com。

*基金項目：企業(yè)科技開發(fā)項目(SF/JG-忠字-2014-257)；青島市科技計劃基礎(chǔ)研究項目(13-1-4-257-JCH)

收稿日期：2015-01-14；修回日期：2015-02-15

文章編號：1001-2265(2015)12-0121-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.12.032