整體鍛造彎軸制造工藝研究

袁禮彬

（常州中車鐵馬科技實(shí)業(yè)有限公司，江蘇 常州213015）

0 前言

低地板有軌電車作為一種現(xiàn)代社會(huì)新興的軌道交通工具，具有制造費(fèi)用低廉、乘坐客流較大以及方便舒適等諸多優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)代低地板車輛由于運(yùn)用獨(dú)特的獨(dú)立輪對(duì)設(shè)計(jì)。獨(dú)立輪對(duì)是將傳統(tǒng)輪對(duì)兩側(cè)車輪的旋轉(zhuǎn)自由度進(jìn)行解耦，通過彎軸連接，從而將車輛車體和入口部分的地板降低到距離地面350~450 mm左右。彎軸在獨(dú)立輪對(duì)中作用是替代傳統(tǒng)有軌電車的車軸部分，在整個(gè)低地板車輛運(yùn)行過程中發(fā)揮關(guān)鍵部件作用，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由軸頸、一系簧安裝座、軸頭和軸身等組成。

圖1 鍛造彎軸成品圖

彎橋作為低地板有軌電車連接獨(dú)立輪對(duì)的關(guān)鍵部件，整車可靠性和安全性與其疲勞強(qiáng)度有著直接關(guān)系，其本身質(zhì)量要求越來越高，國(guó)際上鍛造設(shè)備和鍛造工藝水平的比十幾年前有了較大的技術(shù)進(jìn)步，因此整體鍛造彎軸工藝在技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)，是未來主流的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)彎軸的未來產(chǎn)業(yè)布局，我公司開發(fā)研制完成了整體鍛造式彎軸（如圖1）的工藝，該整體鍛造式彎軸采用2.2萬T螺旋壓力機(jī)整體鍛造成型，產(chǎn)品經(jīng)過各項(xiàng)嚴(yán)格試驗(yàn)驗(yàn)證，已交付主機(jī)廠客戶裝車運(yùn)用。該產(chǎn)品的成功研制填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，為國(guó)內(nèi)低地板有軌電車的發(fā)展起到了強(qiáng)大的支撐作用。

本文重點(diǎn)研究了整體式鍛造彎軸的機(jī)械加工工藝過程，通過對(duì)彎軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，闡述了彎軸的機(jī)械制造工藝流程，以及關(guān)鍵工藝選擇和探索，為同類產(chǎn)品的加工提供借鑒作用。

1 結(jié)構(gòu)工藝性分析

整體鍛造彎軸結(jié)構(gòu)形式及主要部位如圖2所示。從彎軸結(jié)構(gòu)上分析，其主要難點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）彎軸屬于軸向長(zhǎng)大件，并且需要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，熱處理變形大，要求嚴(yán)格控制；（2）沿軸向?yàn)榉菍?duì)稱結(jié)構(gòu)，零件本身存在著嚴(yán)重偏心，導(dǎo)致機(jī)械加工時(shí)存在嚴(yán)重的振動(dòng)；（3）為了在加工過程中保持較好的位置精度，依據(jù)集中同一原則、以車軸兩端中心孔為加工基準(zhǔn)，并且為了提高加工精度要不斷修整中心孔；（4）為滿足大批量生產(chǎn)，同時(shí)用工藝保證產(chǎn)品質(zhì)量，分粗、半精、精加工三個(gè)工藝過程；（5）為防止車輛在使用過程中車軸斷裂等事故，要求加工好的車軸各部位表面不允許有裂紋，其內(nèi)部不允許存在縮孔等缺陷，因此要采用表面磁粉探傷、內(nèi)部超聲波探傷工藝；（6）軸端與軸承配合，公差和表面粗糙度要求高，特別是軸頭與軸頸圓角過渡處粗糙度一般要求在Ra0.8，同時(shí)軸頸與軸頭的圓柱度及兩端相互的圓跳動(dòng)要求比較高，以保證車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性。

圖2 鍛造彎軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 主要工序簡(jiǎn)介

（1）整體劃線。該工序主要從彎軸整體去考慮，兼顧各部位加工余量，以彎軸的軸身上平面為基準(zhǔn)，整體劃線，劃出包括軸身在內(nèi)各部位主要加工線；

（2）粗銑基準(zhǔn)面。該工序設(shè)備為KMC3000龍門加工中心，將4個(gè)橡膠堆上平面用等高塊支撐，按照整體劃線工序劃出加工線找正，軸身上平面為加工尺寸參考基準(zhǔn)，銑削軸身底平面到要求尺寸；

（3）粗車外圓。上CW61100S臥式車床，利用臥式車床采用一夾一頂?shù)姆绞?，同時(shí)配合平衡夾具，左端采用死頂尖，四爪卡盤夾緊，右端采用活頂尖，粗加工兩端外圓及端面；

（4）調(diào)質(zhì)及探傷。彎軸整體調(diào)質(zhì)處理和熱處理后按照技術(shù)要求將規(guī)定部位作磁粉探傷和超聲波探傷；

（5）精銑基準(zhǔn)面。采用KMC3000龍門加工中心上，將一系簧安裝座上平面用等高墊支撐，并校直彎軸軸身，精銑彎軸軸身底平面同時(shí)保證中心高，粗精銑內(nèi)開檔，重打兩軸端中心孔；

（6）半精車外圓。采用CW61100S臥式車床，上特制配重夾具，左端采用死頂尖，四爪卡盤夾緊，右端采用活頂尖，以兩端中心為基準(zhǔn)，精車彎軸兩端軸頸和軸頭外圓；

（7）低溫時(shí)效處理；

（8）精車外圓。采用PUMA400XL數(shù)控車床，上配重夾具，粗精銑彎軸外形，兩端雙頂尖，左側(cè)四爪卡盤夾緊，精車彎軸兩端軸頸和軸頭的外圓及端面；

（9）粗磨外圓。采用MQ1380B精密外圓磨床，兩頂裝夾，粗磨彎軸兩端軸頸和軸頭的外圓，留精磨余量；

（10）鉆攻軸兩端螺紋孔。KMC3000龍門加工中心，粗精銑兩端軸頭外圓上的鍵槽及鉆攻兩端面上分度圓螺紋孔；

（11）精磨軸頸外圓。采用MQ1380B精密外圓磨床，兩頂裝夾，精磨彎軸兩端軸頸和軸頭的外圓至圖樣尺寸，保證粗糙度；

（12）精車外圓。采用PUMA400XL數(shù)控車床，上配重夾具，精車兩軸端外圓端面過渡處圓弧；

（13）精鏜孔。上KMC3000龍門加工中心，精鏜一系簧安裝座平面襯套內(nèi)孔。

3 車削磨削加工關(guān)鍵夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磨削彎軸軸頸時(shí)，由于工件、夾具構(gòu)成的工藝體系是和機(jī)床主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的，如果整個(gè)工藝系統(tǒng)不平衡，就會(huì)在無論是車加工還是磨加工過程引起很大振動(dòng)，使彎軸軸頸處產(chǎn)生振紋，進(jìn)而嚴(yán)重影響彎軸的使用壽命甚至出現(xiàn)報(bào)廢。

由于彎軸夾具質(zhì)量大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，彎軸最終外圓尺寸精度和表面粗糙度都是在磨床完成上。在磨削彎軸外圓時(shí)必須根據(jù)磨削情況，對(duì)夾具進(jìn)行平衡調(diào)整。常用平衡調(diào)整方法是經(jīng)驗(yàn)法，這種方法平衡精度較低，不能滿足精密磨削彎軸軸頸加工要求。

彎軸整體呈彎軸形狀，質(zhì)量中心遠(yuǎn)離兩端軸頸中心線，這給無論是車削加工還是磨削加工帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，彎軸能否成功開發(fā)，解決車削加工和磨削加工動(dòng)平衡問題尤其關(guān)鍵。經(jīng)過數(shù)次平衡夾具設(shè)計(jì)和調(diào)試，逐漸地找到了平衡夾具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，如圖3所示。

圖3 彎軸加工平衡夾具

首先，平衡夾具與彎軸連接時(shí)，兩者組合件質(zhì)量中心要在兩端軸頸中心線上；由于彎軸呈典型彎軸結(jié)構(gòu)，基于基準(zhǔn)統(tǒng)一原則，在半精車、精及和磨削加工時(shí)，都采用雙頂尖夾緊，容易彎曲變形，軸向剛度差，導(dǎo)致軸頸的尺寸公差和表面粗糙度難以保證，這就要求夾具不但解決整體平衡問題，也要同時(shí)解決彎軸軸向剛度差問題。為解決這兩個(gè)問題，夾具設(shè)計(jì)采用以下措施：

（1）利用彎軸兩側(cè)頂面2-M24螺紋孔，先將2-M24螺紋孔做成2-M16，作為車夾具與彎軸連接時(shí)工藝螺栓孔；（2）單獨(dú)采用2-M16和工藝螺栓將夾具與彎軸連成一體，在試加工時(shí)發(fā)現(xiàn)還不足以增加整體剛性來抵抗彎軸軸向變形；（3）為進(jìn)一步增加彎軸整體剛性，充分利用彎軸一系簧安裝座支撐平面上4個(gè)通孔，通過4個(gè)通孔用工藝螺栓和工藝墊塊將彎軸兩端與夾具整體連接，大大地增加了彎軸整體剛性；（4）平衡夾具整體采用無縫方鋼管，在滿足剛性同時(shí)，減輕夾具的重量，又便于焊接，如圖4所示。

圖4 彎軸與平衡夾具連接成一體

實(shí)際證明，采用平衡夾具，無論車削加工還是磨削加工，磨削加工質(zhì)量有了明顯提高。具體設(shè)計(jì)方法利用行為建模技術(shù)可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，減低成本，提高平衡精度。

4 彎軸軸頸與軸頭過渡圓弧處精車工藝

彎軸式低地板輕軌車輛轉(zhuǎn)向架重要零件之一，它不但承載全部車上重量，而且承受來自輪軌的沖擊。在彎軸加工過程中如圖所示的部位，是安裝軸承、防塵擋圈和軸箱的組成部分，軸端組裝質(zhì)量將直接影響車輛的運(yùn)行品質(zhì)和行車安全，因此保證著部分的尺寸公差和形位公差成為彎軸加工工藝關(guān)鍵所在。

圖5 彎軸軸段結(jié)構(gòu)圖

目前由于公司缺乏成型磨床的加工設(shè)備（價(jià)格高），為適應(yīng)彎軸的結(jié)構(gòu)要求，研究并探索一種合理的精加工工藝以滿足生產(chǎn)的需要，形成軸端部分加工工藝，采用數(shù)控車床與精密外圓磨床相結(jié)合辦法完成加工。

根據(jù)彎軸的加工精度要求，首先對(duì)加工設(shè)備進(jìn)行調(diào)研和篩選，在半精加工不變的情況下，選用大規(guī)格全功能數(shù)控車床作為過渡圓弧的最終精加工。因此，選擇了PUMA400XL全功能數(shù)控機(jī)床。因此該設(shè)備（如圖6）具有的精度和可靠性可以滿足以車代磨工藝的實(shí)施。在工藝要求上作如下具體設(shè)置：

香夼礦區(qū)發(fā)育的隱爆-侵入角礫巖表現(xiàn)為3種產(chǎn)出狀態(tài)：小巖株穹頂、沿張性裂隙以及灰?guī)r層間；具有明顯區(qū)別于構(gòu)造角礫巖的產(chǎn)狀和巖石學(xué)特征。

加工設(shè)備：PUMA400XL全功能數(shù)控機(jī)床；

刀片及冷卻液，采用山特維克涂層刀片和優(yōu)質(zhì)冷卻液；

工藝參數(shù)：切削深度0.25 mm；切削速度（恒線速度）100 m/min；走刀速度0.12 mm/r.

按照上述工藝參數(shù)對(duì)彎軸軸頸過渡圓弧處進(jìn)行批量生產(chǎn)，均符合圖樣要求。

圖6 彎軸在數(shù)控車床車削

5 彎軸軸端外圓精密磨削技術(shù)

彎軸兩端是回轉(zhuǎn)部分，在臺(tái)階過渡處又有圓弧過渡的要求，結(jié)合彎軸的尺寸要求，選用回轉(zhuǎn)直徑800 mm的高剛度臥式數(shù)控車床進(jìn)行軸頸與軸頭之間過渡圓弧部位的精密加工。但是，彎軸軸頸與軸頭表面粗糙度要求要達(dá)到Ra0.8，同時(shí)圓跳動(dòng)等形位公差要求比較高，因此必須采用精密磨削的方式才能到達(dá)要求。用回轉(zhuǎn)直徑800 mm的精密外圓磨床加工，如圖7所示。

圖7 彎軸在高精度磨床磨削

彎軸屬于高精度、低粗糙度的零件，采用普通磨削無法同時(shí)保證外圓圓柱度和表面粗糙度。精密磨削依靠精度高、性能優(yōu)良的機(jī)床、砂輪的修正技術(shù)與一定操作技能才能到達(dá)圖樣規(guī)定的技術(shù)要求。其基本原理是，利用較小的修整進(jìn)給量精細(xì)修整砂輪，使磨粒具有等高的微刃，利用微刃的等高性和摩擦拋光作用，從而形成良好幾何尺寸公差和表面粗糙度。

6 結(jié)束語

整體式彎軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了彎軸的加工難度，在整個(gè)加工過程中，重點(diǎn)解決了以下幾個(gè)難點(diǎn)：（1）設(shè)計(jì)了平衡夾具，解決了車削磨削過程的動(dòng)平衡問題，為整個(gè)制造工藝過程中的核心技術(shù)；（2）采用高剛性的臥式數(shù)控車床，解決了彎軸軸頸與軸頭之間過渡圓弧的低粗糙度的車削；（3）利用平衡夾具和高精密磨床，優(yōu)化砂輪和磨削參數(shù)，解決了軸頸和軸頭的尺寸精度和形位精度。

整體式彎軸的研制成功，為公司發(fā)展壯大軌道交通產(chǎn)業(yè)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐，對(duì)公司進(jìn)一步做大做強(qiáng)減振降噪產(chǎn)品具有十分重要的意義。