φ1067mm機(jī)車輪加工工藝

周偉

太原重工軌道交通設(shè)備有限公司 山西太原 030032

1 序言

火車輪是以轉(zhuǎn)向架為載荷承受體的重要零部件，因其質(zhì)量狀況直接關(guān)系到鐵路運(yùn)營的安全，故具有較高的加工精度要求。隨著車輪種類日益增多，加工質(zhì)量要求也越來越高。車輪一般采用數(shù)控立式機(jī)床加工，具有效率高、精度好及自動化程度高的特點(diǎn)，設(shè)備投入成本低，對刀簡單，刀路易于設(shè)計(jì)，靈活性強(qiáng)。由于φ1067mm機(jī)車輪（見圖1）尺寸精度高、加工工序復(fù)雜且加工效率低，因此需要利用現(xiàn)有數(shù)控加工設(shè)備，結(jié)合車輪具體結(jié)構(gòu)形式，合理進(jìn)行工序制定和刀具選擇，在保證滿足質(zhì)量要求的前提下，盡可能節(jié)約成本，以達(dá)到最優(yōu)的加工效果和最大的生產(chǎn)效率[1]。為了提高加工精度和質(zhì)量，進(jìn)行了加工工藝優(yōu)化，縮短了加工周期。

圖1 φ1067mm機(jī)車輪

2 車輪加工工藝

車輪加工是多工序的工藝流程。對于不同規(guī)格、型號的車輪，各工序加工尺寸的確定、加工基準(zhǔn)的選擇、裝夾方式的采用、切削用量的確定以及機(jī)床各部分的調(diào)整是非常重要的。輾鋼車輪的加工一般可分為兩個(gè)階段，第一階段在熱處理前，為粗加工；第二階段在熱處理后，對性能滿足交貨條件的車輪毛坯進(jìn)行全面的切削加工，并最終滿足要求[2]。各工序需確定合理的加工余量，加工余量的大小對于車輪的加工質(zhì)量有較大的影響。

φ1067mm車輪各部位名稱如圖2所示。車輪使用數(shù)控立式車床加工，型號為YV-1200ATC，工作臺采用單動卡盤定位夾緊，加工范圍大、定位精度高，同時(shí)配備刀庫，便于加工連貫性。車輪各部位加工基準(zhǔn)及刀具類型見表1。

表1 車輪各部位加工基準(zhǔn)及刀具類型

圖2 車輪各部位名稱

3 工藝難點(diǎn)分析

3.1 工序余量

車輪粗加工是對軋制毛坯進(jìn)行初步的修整，其作用為去除踏面部分過多的余量，使車輪外形符合下一工序的要求，為后續(xù)的加工提供合適的基準(zhǔn)。粗車時(shí)在機(jī)床剛度允許的安全范圍內(nèi)，應(yīng)該選擇盡可能大的背吃刀量和較大的進(jìn)給量，以提高加工效率；精車時(shí)，為了提高車輪的加工質(zhì)量，同時(shí)獲得較好的表面質(zhì)量，一般選用較小的背吃刀量和進(jìn)給量。工序余量過大會增加機(jī)床、刀具及能源的消耗；余量過小則不能消除上道工序留下的各種誤差、表面缺陷和本工序的裝夾誤差[3]。

φ1067mm車輪內(nèi)側(cè)轂輞距尺寸公差為±0.1mm，精度很高。對車輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝分析，其外徑較大，同時(shí)輻板為波形且輪輞相對較厚，精車時(shí)由于輻板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形量、表面加工余量不均，都會對內(nèi)側(cè)轂輞距尺寸造成影響。

3.2 內(nèi)轂徑止扣的加工

內(nèi)轂徑止扣直徑公差僅為0.25mm，要求表面粗糙度值Ra=0.8μm，尺寸精度及表面質(zhì)量要求均很高。常規(guī)加工止扣使用φ10mm圓刀片，工序?yàn)檐?刀，前2刀切削深度1.0～1.2mm，最后1刀切削深度0.5～0.6mm，進(jìn)給量0.20～0.25mm/r。精加工時(shí)，由于φ10mm圓弧刀片與加工表面接觸面較大，加之切削余量不均勻，會導(dǎo)致車刀產(chǎn)生讓刀現(xiàn)象，進(jìn)而影響止扣的表面質(zhì)量。

3.3 退輪槽的加工

退輪槽結(jié)構(gòu)如圖3所示。退輪槽與輻板高點(diǎn)處間隙僅為100mm，常規(guī)刀桿無法進(jìn)入。環(huán)槽一般先使用切槽刀進(jìn)行預(yù)加工，之后更換為φ6mm圓刀片進(jìn)行精加工。換刀片后還需重新對刀，輔助時(shí)間較長，加工效率低。

圖3 退輪槽結(jié)構(gòu)

3.4 退輪槽的檢測

退輪槽加工完成后，由于內(nèi)側(cè)面及下端面均為斜面，測量時(shí)無定位基準(zhǔn)，所以無法對其直徑和位置進(jìn)行常規(guī)檢測。測量方法一般是：將車輪水平放置，采用游標(biāo)卡尺與環(huán)槽形狀樣板配合進(jìn)行間接測量。該測量方法對于直徑尺寸公差范圍較大，且環(huán)槽下端面為平面的車輪較易實(shí)施；而對于內(nèi)側(cè)面及下端面均為斜面，尺寸精度較高的φ1067mm車輪使用該方法測量時(shí)，由于樣板無支撐點(diǎn)，易移動，無法保證完全貼合，定位困難，故存在較大的測量誤差；加之實(shí)際操作繁瑣致使效率很低，不適合批量化流水線檢測。

4 加工工藝優(yōu)化

4.1 車輪工序優(yōu)化

考慮到轂輞距尺寸的精度要求，對φ1067mm車輪加工工序進(jìn)行優(yōu)化：在熱處理后增加半精車工序，即粗車→半精車→精車。半精車工序除退輪槽外，其余部位均留單邊2.2～2.5mm余量。精車時(shí)，以內(nèi)側(cè)輪輞面為基準(zhǔn)，3點(diǎn)等高塊誤差≤0.05mm，內(nèi)側(cè)輪轂面切削量0.3～0.4mm，加工完成后，內(nèi)側(cè)轂輞距使用專用測量尺沿圓周均布3點(diǎn)測量。

4.2 內(nèi)側(cè)轂徑止扣工藝改進(jìn)

對內(nèi)側(cè)轂徑止扣加工工藝進(jìn)行改進(jìn)：將圓刀片改為菱形刀片，減少接觸面；對分步切削深度和切削速度進(jìn)行調(diào)整。最后一刀切削深度為0.35～0.40mm，轉(zhuǎn)速提高至130～140r/min，可保證止扣表面質(zhì)量滿足工藝要求。

4.3 提高加工效率

在保證退輪槽加工精度和表面質(zhì)量的前提下，為進(jìn)一步提高加工效率，采取如下措施：由于空間的限制，刀具需使用非標(biāo)刀具，退輪槽加工刀具如圖4所示。首先，粗、精加工均使用φ6mm圓刀片，加工過程不需要更換刀具和二次對刀，減少了加工輔助時(shí)間；其次，為保證加工精度及刀具耐用度，對分步切削深度及相關(guān)切削參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，數(shù)控編程時(shí)，最后一刀切削深度為0.40～0.45mm，進(jìn)給量為0.20～0.25mm/r。工藝改進(jìn)前累計(jì)需用時(shí)70～80min/件，改進(jìn)后用時(shí)35～45min/件，效率提升明顯。

圖4 退輪槽加工刀具

4.4 設(shè)計(jì)退輪槽檢測工具

對直徑尺寸的檢測制作了環(huán)槽直徑測量工具，主要用于測量輪轂環(huán)槽內(nèi)部表面為斜面的車輪，退輪槽直徑檢測樣板如圖5所示。測量方法：采用直徑的兩個(gè)極限尺寸分別作為過端和止端，以環(huán)槽下端面作為基準(zhǔn)面，軸向面角度與環(huán)槽相匹配；以環(huán)槽下端面為測量基準(zhǔn)，分別進(jìn)行過、止端測量；過端（G）樣板下端面緊貼環(huán)槽底部，同時(shí)樣板直平面與內(nèi)壁存在間隙，止端（Z）樣板無法通過，若同時(shí)滿足上述要求，則直徑尺寸合格。

圖5 退輪槽直徑檢測樣板

對（45±0.5）mm位置檢測制作了過止端樣板，退輪槽位置檢測樣板如圖6所示。測量方法：將位置檢測樣板沿車輪徑向垂直放置于環(huán)槽部位，以槽內(nèi)下端面為基準(zhǔn)，過端（G）可完全放入環(huán)槽，止端（Z）樣板無法放入，若同時(shí)滿足上述要求，則位置合格。

圖6 退輪槽位置檢測樣板

5 結(jié)束語

結(jié)合車輪具體結(jié)構(gòu)和加工難點(diǎn)，利用現(xiàn)有的數(shù)控設(shè)備，通過優(yōu)化加工和檢測方法，在滿足質(zhì)量的前提下節(jié)約成本，達(dá)到最優(yōu)的加工效果和生產(chǎn)效率。工藝試驗(yàn)和批量加工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下。

1）合理制定半精車加工余量，使精車余量均勻，提高了表面加工質(zhì)量，在保證尺寸精度的同時(shí)，降低刀具的損耗。

2）通過對止扣加工工藝的優(yōu)化，止扣內(nèi)圓弧表面質(zhì)量明顯提高，降低返修率，節(jié)省了工時(shí)。

3）使用專用檢測工具，提高退輪槽檢測效率，避免卡尺和樣板配合測量累積誤差，減少人為因素的影響。檢測方法直觀、快捷，既降低了勞動強(qiáng)度，又適用于流水生產(chǎn)線檢測作業(yè)。