搖枕組合加工機(jī)床的研制

彭彥虎，東偉，劉濤，王春雷

中車石家莊車輛有限公司 河北石家莊 050000

1 序言

搖枕（見圖1）是鐵路貨車轉(zhuǎn)向架的主要構(gòu)成部件之一，鑄造完成后需要對(duì)相應(yīng)的心盤面440mm×490mm銑削加工；心盤螺栓孔8×φ23mm和安全鏈吊座孔4×φ17mm鉆加工。由于工件原始定位面均為毛面，心盤面為鑄造冒口位置，使用通用機(jī)床加工存在定位難度高、切削余量大（一般在7～15mm）和加工效率低等困難，所以無(wú)法經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)大批量加工，有必要設(shè)計(jì)專用機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)。在充分調(diào)研論證的基礎(chǔ)上，我們結(jié)合公司當(dāng)時(shí)年產(chǎn)4000輛份（8000件）搖枕的需要，設(shè)計(jì)制作了搖枕組合加工機(jī)床。

圖1 搖枕

2 主要技術(shù)參數(shù)

搖枕組合加工機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 搖枕組合加工機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)

3 主要結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

搖枕組合加工機(jī)床由機(jī)體、銑削動(dòng)力系統(tǒng)、銑削進(jìn)給系統(tǒng)、12孔鉆鉆削系統(tǒng)、上料與夾緊裝置等組成，如圖2所示。機(jī)體為多個(gè)焊接箱體通過(guò)連接板、鋼管支撐、螺栓組裝而成的框架結(jié)構(gòu)；銑削動(dòng)力系統(tǒng)主要包括1T X50銑削頭和X217-520-2銑刀盤，銑削進(jìn)給系統(tǒng)采用H Y63液壓滑臺(tái)，共同完成銑削動(dòng)作；12孔鉆鉆削系統(tǒng)主要包括動(dòng)力箱、12孔鉆箱、12孔鉆模及鉆頭、配重組成、1H J B50機(jī)械滑臺(tái)組成，共同完成12孔鉆削動(dòng)作；上料與夾緊裝置由2個(gè)上（下）料工位、2個(gè)上（下）料定位小車和1套夾緊工裝組成。

圖2 搖枕組合加工機(jī)床

3.1 機(jī)體

機(jī)體主要由基座組成、銑頭立柱組成、12孔鉆立柱組成及連接板通過(guò)螺栓聯(lián)接組成一個(gè)整體框架結(jié)構(gòu)，以保證足夠剛性，用于承載工件，抵消銑削加工、鉆削加工抗力。各構(gòu)件均采用20mm厚碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼板焊接而成，內(nèi)部合理布置隔板，保證結(jié)構(gòu)剛性；焊后進(jìn)行了整體時(shí)效處理，消除焊接殘余應(yīng)力，以減小后續(xù)可能的應(yīng)力變形對(duì)設(shè)備加工精度的影響；各安裝面進(jìn)行了找平粗加工。

3.2 銑削動(dòng)力系統(tǒng)和銑削進(jìn)給系統(tǒng)

搖枕工件材質(zhì)為B級(jí)鋼（ZG25MnNi），各元素含量：w（C）≤0.28%，w（Si）≤0.40%，w（Mn）≤1.00%，w（P）≤0.040%，w（S）≤0.040%，w（Cu）≤0.30%，w（Ni）≥0.30%。被加工材料性能參數(shù)：σb≥485MPa，σs≥260MPa，δ4≥24%，ψ≥36%，AKV ≥20J（-7℃）。

KFz＝KSV×銑削速度系數(shù)＝0.9×0.88＝0.792。

根據(jù)設(shè)計(jì)節(jié)拍優(yōu)選切削參數(shù)：銑削深度aP＝7mm，每齒進(jìn)給量af＝0.06mm/齒，銑削寬度aw＝490mm，齒數(shù)Z＝26，銑刀盤直徑d0＝520mm。分兩層切削：銑削力Fz＝＝7750×(7/2)1.1×0.060.75×4901.1×26×0.792/（5201.3×630.2）＝8892（N），銑削扭矩M＝Fzd0/（2×1000）＝8892×520/（2×1000）＝2312（N·m），銑削功率Pm＝Fzv/（6×10000）＝8892×102.9/（6×10000）＝15.25（kW）。

根據(jù)切削參數(shù)計(jì)算結(jié)果，選取功率15kW的1TX50銑削頭[3]和X217-520-2銑刀盤[2]進(jìn)行銑削，選取HY63滑臺(tái)[4]進(jìn)行銑削進(jìn)給，均能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 12孔鉆鉆削系統(tǒng)

12孔鉆鉆削系統(tǒng)主要由動(dòng)力箱、12孔鉆箱（見圖3）、12孔鉆模及鉆、1HJB50液壓滑臺(tái)組成。動(dòng)力箱通過(guò)主軸輸出動(dòng)力給12孔鉆箱，在12孔鉆箱內(nèi)經(jīng)過(guò)齒輪傳動(dòng)分別傳遞給12根鉆軸提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。鉆箱分兩層設(shè)計(jì)，上層為齒輪箱，下層為油池，潤(rùn)滑油通過(guò)液壓泵進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)和飛濺潤(rùn)滑，潤(rùn)滑效果良好，并能保證整個(gè)鉆箱快速同溫。鉆桿上設(shè)置有甩油蓋和擋油套，利用離心作用，防止?jié)櫥屯ㄟ^(guò)鉆桿泄漏。12根鉆桿長(zhǎng)度方向分三層布置，保證同時(shí)只有4根鉆頭參與切削，減少了切削抗力，降低了動(dòng)力箱功率需求。為保證12個(gè)孔的孔距尺寸公差，鉆箱下設(shè)計(jì)有鉆模，用于控制鉆頭相對(duì)位置精度，鉆模通過(guò)導(dǎo)柱導(dǎo)套與鉆箱相連，保證鉆頭進(jìn)給過(guò)程中，鉆套與工件距離不變。鉆箱通過(guò)動(dòng)力箱與1H J B50機(jī)械滑臺(tái)相連，實(shí)現(xiàn)鉆削進(jìn)給。

圖3 12孔鉆箱示意

3.4 上料與夾緊裝置構(gòu)成

上料與夾緊裝置分為五部分，左右各有1個(gè)上（下）料工位，2個(gè)上（下）料定位滑車和1套夾緊工裝。夾緊工裝固定在HY63液壓滑臺(tái)上，用限位塊實(shí)現(xiàn)上（下）料定位滑車在滑臺(tái)上的限位，夾緊工裝底部有2個(gè)液壓缸，推動(dòng)楔塊頂起裝置處于頂起狀態(tài)，采用4個(gè)液壓缸和杠桿裝置把工件與滑車一起定位夾緊后，隨液壓滑臺(tái)向前移動(dòng)實(shí)現(xiàn)銑削進(jìn)給；切削完成后，液壓缸推動(dòng)楔塊頂起裝置落下，實(shí)現(xiàn)讓刀，防止液壓滑臺(tái)快退時(shí)刀具劃傷工件。左右各一個(gè)上（下）料工位，可以實(shí)現(xiàn)1個(gè)工件加工的同時(shí)，進(jìn)行上（下）料、找正作業(yè)，縮短了工作節(jié)拍。兩個(gè)工位設(shè)有獨(dú)立的基礎(chǔ)，避免上下料時(shí)震動(dòng)對(duì)切削精度產(chǎn)生影響。上（下）料定位滑車以彈簧承臺(tái)面為水平毛基準(zhǔn)，由4個(gè)支撐釘定位，其中3個(gè)上平面調(diào)整至與HY63滑臺(tái)平行后鎖死，第4個(gè)高低可手動(dòng)微調(diào)，保證支撐受力面足夠穩(wěn)定；以搖枕八字面為縱向中心毛基準(zhǔn)，采用彈性支撐上加“八”字形滾輪實(shí)現(xiàn)自動(dòng)找正；以搖枕L尺寸定位面為橫向中心毛基準(zhǔn)，通過(guò)與滑車上的定位塊比較，保證工件中心與滑車中心重合。

3.5 液壓系統(tǒng)

整臺(tái)機(jī)床采用1套液壓站，設(shè)計(jì)壓力25MPa，分別為HY63液壓滑臺(tái)、液壓夾緊裝置、銑削頭液壓讓刀裝置提供液壓動(dòng)力。實(shí)現(xiàn)HY63液壓滑臺(tái)的快進(jìn)、工進(jìn)、工退、快退動(dòng)作；實(shí)現(xiàn)液壓夾緊裝置中6個(gè)液壓缸的頂起、落下、夾緊和松開動(dòng)作。

3.6 電氣控制系統(tǒng)

整臺(tái)機(jī)床采用1套電氣控制系統(tǒng)，采用PLC編程控制，共100個(gè)輸入/輸出點(diǎn)。工件上料夾緊后，能夠配合接近開關(guān)完成自動(dòng)銑削、鉆削動(dòng)作，具有多項(xiàng)聯(lián)鎖、互鎖設(shè)計(jì)，保證了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

4 設(shè)計(jì)及使用情況

該裝備自2004年12月底通過(guò)公司設(shè)計(jì)方案評(píng)審，2005年2月中旬完成藍(lán)圖下發(fā)，6月制造完成投產(chǎn)使用。通過(guò)1個(gè)月的人機(jī)磨合，加工節(jié)拍最終穩(wěn)定在15min/件，雙班日產(chǎn)達(dá)到了25輛份的生產(chǎn)能力，為公司順利實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)4000輛份大部件目標(biāo)提供了堅(jiān)實(shí)的裝備保障。

本設(shè)計(jì)采用定柱吊人工上料，加工流程：左側(cè)小車上料→工件與小車附帶夾具對(duì)正→小車推入鉆削工位→小車與鉆削工位左右找正夾緊→啟動(dòng)銑削加工→自動(dòng)讓刀退刀回到鉆削工位→鉆削加工→鉆削退出→松開工位夾具退出小車→左側(cè)小車下料。其中，第6步自動(dòng)讓刀退刀期間，操作人員可進(jìn)行右側(cè)小車上料及找正工作。相對(duì)于常用的銑、鉆分體式設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)減少上、下料及找正各1次，可減少機(jī)床操作人員1人，銑、鉆定位誤差為0，效率相當(dāng)高，且結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)。

由于該設(shè)計(jì)采用了項(xiàng)目制的組織模式，合理地制訂了設(shè)計(jì)計(jì)劃，采用了并行設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)思路，優(yōu)選了標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力頭和標(biāo)準(zhǔn)滑臺(tái)，所以不僅降低了設(shè)計(jì)工作量30%以上，縮短了設(shè)計(jì)和制作周期，而且施工質(zhì)量也得到了有效保證，圓滿地完成了公司項(xiàng)目計(jì)劃。

5 結(jié)束語(yǔ)

鐵路機(jī)車車輛產(chǎn)品具有專用性強(qiáng)、升級(jí)換代周期較長(zhǎng)及生產(chǎn)批量大的特點(diǎn)，比較適合專用的組合機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)。隨著鐵路轉(zhuǎn)向架技術(shù)的更新?lián)Q代，K2型搖枕逐步被K4、K6等新技術(shù)產(chǎn)品替代，但是由于相關(guān)產(chǎn)品外形、材質(zhì)變化不大，通過(guò)鉆箱、鉆模尺寸微調(diào)設(shè)計(jì)即可用于相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)，所以本設(shè)計(jì)方案對(duì)目前相關(guān)產(chǎn)品的加工仍然具有借鑒意義。