某車型轉(zhuǎn)向架車輪內(nèi)孔加工工藝]分析及優(yōu)化研究

高振興，鄭小花

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

隨著我國軌道交通的高速發(fā)展，對軌道交通車輛性能的要求越來越高，作為走形部件轉(zhuǎn)向架的車輪質(zhì)量尤為關鍵，如果車輪出現(xiàn)質(zhì)量問題，將發(fā)生難以估量的后果。例如某車型轉(zhuǎn)向架車輪內(nèi)孔尺寸為φX(0，+0.052)mm，表面粗糙度為Ra1.6。目前加工車輪內(nèi)孔時主要存在裝夾定位時間長、刀具使用壽命短、內(nèi)孔測量尺寸不準確等問題。本次研究從車輪正確快速裝夾定位和校正、刀具和切削參數(shù)合理選擇、選擇正確的量具及測量方法等多方面開展，確保加工的車輪內(nèi)孔滿足設計尺寸要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1 車輪加工工藝難點

圖1的某車型轉(zhuǎn)向架車輪內(nèi)孔尺寸公差要求為φXH6(0，+0.052)mm，圓柱度要求在0.02 mm以內(nèi)，表面粗糙度要求Ra1.6，在實際生產(chǎn)過程中主要存在以下難點。

1)由于車輪內(nèi)孔圓柱度要求是0.02 mm，在車輪裝夾定位時首先需要保證車輪外側(cè)輪輞面定位在同一水平面上，平面度誤差在0.02 mm以內(nèi)，車輪定位精度高。因此，選擇合理的工裝夾具尤為重要。

2)車輪內(nèi)孔尺寸精度在0.052 mm以內(nèi)，加工精度要求高，且每天約加工40件車輪，因此須選擇合理的切削刀具。

3)車輪內(nèi)孔精度高，在測量時應消除量具本身對車輪內(nèi)孔尺寸的影響。

圖1 車輪內(nèi)孔尺寸示意

2 車輪加工過程中產(chǎn)生誤差的原因

車輪內(nèi)孔加工后實際幾何參數(shù)與理想幾何參數(shù)之間的符合程度即為加工精度。通過分析影響加工誤差的各種因素及其存在的規(guī)律，可以幫助找到減少加工誤差、提高加工精度的合理途徑。車輪內(nèi)孔加工過程主要受5種因素影響。

1)加工工藝誤差。加工工藝對工件加工精度的影響至關重要，加工工藝中規(guī)定加工工藝所需要的設備、刀具、參數(shù)、工具、操作人員、加工工序流程，加工過程中的各項參數(shù)選定都直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。

2)定位誤差。車輪的設計基準與加工時的工序基準不重合時，將產(chǎn)生定位誤差。

3)調(diào)整誤差。在機械加工的每一工序中，須對工件進行不同程度的調(diào)整。由于調(diào)整不可能絕對準確，因而產(chǎn)生調(diào)整誤差。

4)刀具的幾何誤差。刀具的幾何誤差對工件的加工精度有直接的影響，尤其是數(shù)控加工，工件加工程序都是按照刀具的理論尺寸進行編程。如果刀具的尺寸有誤差，將導致加工出來的零件產(chǎn)生相應的誤差。

5)受熱變形產(chǎn)生的誤差。熱變形對工件加工精度的影響較大，特別是精密加工和大工件加工中，由熱變形所引起的加工誤差可占工件總誤差的50%。機床、刀具和工件受到各種熱源的作用，溫度會逐漸升高，同時通過各種傳熱方式向周圍的物質(zhì)和空間散發(fā)熱量。

3 保證車輪內(nèi)孔加工精度的技術方案

3.1 正確的裝夾方式

工件的正確裝夾方式往往能夠達到事半功倍的效果，車輪質(zhì)量約900 kg，如果直接校正裝夾，在加工過程中會出現(xiàn)車輪跳動甚至飛離的情況。大批量連續(xù)生產(chǎn)是現(xiàn)場加工的特點。因此，應采用設計專用夾具(見圖2)，這樣就減少更換，降低調(diào)整誤差；針對不同車輪，在工作臺上增加不同尺寸的等高墊；采用4個等高墊保證車輪裝夾在同一平面上，且等高墊高度差須保證在0.02 mm以內(nèi)等措施，才能保證車輪平面度。

圖2 夾具和等高墊

加工前，將車輪吊上工作臺，并使車輪外側(cè)面靠貼在等高墊上，用千分表校正車輪踏面，校正誤差在0.02 mm以內(nèi)。

為對比使用專用夾具和等高墊與未使用專用夾具和等高墊對車輪內(nèi)孔加工的裝夾定位時間和加工后質(zhì)量的影響，分別統(tǒng)計了100個該項目車輪內(nèi)孔的加工情況，具體情況如圖3所示。

圖3 車輪裝夾定位所用時間和車輪內(nèi)孔返工數(shù)量對比柱狀圖

通過對比分析，使用專用夾具和等高墊，每件車輪裝夾定位時間縮短12 min，裝夾效率提高60%；每100件加工的車輪內(nèi)孔返工數(shù)量減少4件，一次性加工合格率從94%提升至98%。

3.2 合理選擇刀具參數(shù)及切削參數(shù)

3.2.1 刀具優(yōu)化

車輪內(nèi)孔粗加工中選用42210HO刀片(見圖4)，由于車輪內(nèi)孔單邊加工量為2～3 mm，加工量較大，且加工過程中鐵屑不斷屑，易產(chǎn)生積屑瘤，在加工油槽車削時刀片容易蹦韌，造成刀片極大的浪費，甚至會造成車輪報廢。通過工藝分析對刀片進行改進，即對刀片重新開刃(見圖5)，改變刀具前角，減少加工過程中的切削變形和切削力，抑制積屑瘤的產(chǎn)生，使加工產(chǎn)生的鐵屑斷屑。

圖4 原刀片

圖5 修改刀具前角后的刀片

為了對比刀具優(yōu)化前后對車輪內(nèi)孔加工的影響，分別統(tǒng)計了100件刀片可加工車輪內(nèi)孔的平均數(shù)量，具體如圖6所示。

圖6 每件刀片可加工車輪內(nèi)孔數(shù)量的對比柱狀圖

通過修改刀具前角解決了刀片過油槽時蹦韌的問題，原來每個刀片可加工3件車輪內(nèi)孔，優(yōu)化后的刀片可加工9個車輪內(nèi)孔，刀具壽命提高3倍。

3.2.2 切削參數(shù)優(yōu)化

車削ER8材質(zhì)的車輪內(nèi)孔：切削速度150 m，吃刀深度1.5 mm，進給0.5 mm/轉(zhuǎn)，刀尖圓角R1.2。則車削表面最大粗糙度=0.5×0.5/1.2/8×1 000=26.04 μm，那么Ra=最大粗糙度/10=2.6 μm，為考慮加工效率，因此選用了帶修光刃的刀片，粗糙度會降低1/2(約Ra1.3)。由此可以保障車輪內(nèi)孔粗糙度符合設計要求。

3.3 合理選擇和使用切削液

粗車、精車加工時，選用潤滑性能好的乳化液或切削油，連續(xù)、充分地澆注，可以減小刀具與切屑、刀具與工件過渡表面之間的摩擦，主要是降低切削溫度、減小了切削變形，改善已加工表面的質(zhì)量和提高刀具使用壽命。同時工件不受切削熱的影響降低工件變形量。在粗車、精車時，用冷卻液與不用冷卻液的比較，如表1和表2所示。

從表1和表2中可以看出，在相同的轉(zhuǎn)速、進給量時，選擇不同的切削深度，使用冷卻液與不用冷卻液工件變形量有明顯差異。

表1 粗車、精車切削不用冷卻液加工數(shù)據(jù)表

表2 粗車、精車切削使用冷卻液加工數(shù)據(jù)表

3.4 正確選擇量具

車輪內(nèi)孔原采用內(nèi)徑千分尺(見圖7)測量，由于內(nèi)徑千分尺上沒有測力裝置，測量壓力的大小完全靠感覺，且測量時很容易出現(xiàn)如圖8所示的錯誤位置，導致測量結(jié)果不準確；同時因操作者接觸量具導致測量尺受熱變形而影響測量精度。當內(nèi)孔錐度小于0.005 mm時，無法確定車輪內(nèi)孔是否保證了順錐。且車輪內(nèi)孔尺寸的測量點為內(nèi)側(cè)孔口往下25 mm的位置，測量位置不易確定。

設計車輪內(nèi)孔尺寸測量專業(yè)量具，避免操作者直接與量具接觸，同時固定測量深度，從而準確、快速地測量出車輪內(nèi)孔尺寸。

圖7 內(nèi)徑千分尺

圖8 內(nèi)徑千分尺測量的錯誤位置

圖9 改善后使用的量具

為對比量具優(yōu)化前后對車輪內(nèi)孔尺寸測量的影響，使用2種量具分別測量100件車輪內(nèi)孔，測量數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 量具優(yōu)化前后測量車輪內(nèi)孔時間和復量對比柱狀圖

通過對量具的優(yōu)化，每件車輪內(nèi)孔的測量時間由60 s縮短至30 s，測量效率提升50%，車輪內(nèi)孔一次性測量合格率從90%提升至99%，保證了測量效率和測量準確性。

3.5 正確的測量方法

溫度對測量結(jié)果影響很大，車輪的精密測量一定要使車輪和量具都在20℃的情況下進行，一般可在室溫下進行測量，但必須使工件與量具的溫度一致，否則，由于金屬材料的熱脹冷縮的特性，使測量結(jié)果不準確。測量前應把量具的測量面和車輪的內(nèi)孔都要揩干凈，以免因有臟物存在而影響測量精度。測量內(nèi)孔時，須采用“十字”交叉方式，沿內(nèi)孔深度方向測量3個截面直徑尺寸，根據(jù)測量值可分析出直徑尺寸、圓柱度、錐度等是否均在合格范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

通過對車輪內(nèi)孔加工工藝分析和研究，優(yōu)化了車輪的裝夾和定位方式，使用專用夾具和等高墊，每件車輪裝夾定位時間縮短12 min，裝夾效率提高60%；改變車削內(nèi)孔刀片的前角，使刀片壽命延長了3倍；在加工過程中不斷澆注切削液，減少加工過程中的變形量；使用車輪內(nèi)孔測量專用量具，每件車輪內(nèi)孔的測量時間由60 s縮短至30 s，測量效率提升50%，車輪內(nèi)孔一次性測量合格率從90%提升至99%；測量車輪內(nèi)孔時采用正確的測量方法等措施。通過以上幾種措施解決了車輪內(nèi)孔加工過程中的工藝難點，車輪內(nèi)孔加工合格率為99.9%，同時為后續(xù)同類產(chǎn)品的生產(chǎn)積累了制造經(jīng)驗。