TF2000型數(shù)控不落輪鏇床加工工藝優(yōu)化

王 巖, 高華明

(1.石家莊市軌道交通集團有限責(zé)任公司 運營分公司, 河北 石家莊 050036;2.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系,河北 石家莊 050800)

數(shù)控不落輪鏇床是一種用于輪對踏面測量及加工的特型機床,是地鐵車輛維修使用的重要設(shè)備.TF2000型數(shù)控不落輪鏇床是一款用于輪對踏面測量與加工的高性能數(shù)控機床,具有測量精度高、故障率低、加工速度快、定位準(zhǔn)確及操作簡便等優(yōu)勢,可以在列車不解編的情況下,快速、精準(zhǔn)地對運營中的列車輪對產(chǎn)生的踏面擦傷和剝離進行修復(fù).

電客車輪對踏面的技術(shù)狀態(tài)影響地鐵車輛運營的安全性及乘坐的舒適性,如何高效利用數(shù)控不落輪鏇床對輪對踏面故障進行修復(fù)對于地鐵車輛的正常運營具有重要意義.TF2000 型數(shù)控不落輪鏇床在加工過程中,如果切削量不合理,則會導(dǎo)致刀具崩折和切削次數(shù)增多,從而影響加工效率.本文針對此類問題,以TF2000型數(shù)控不落輪鏇床加工工藝為切入點[1],根據(jù)其加工原理和加工流程,經(jīng)過反復(fù)試驗和優(yōu)化加工工藝,制定了一套快速、精準(zhǔn)、便捷、高效的輪對加工方案.

1 TF2000型數(shù)控不落輪鏇床加工和測量的原理

TF2000 型數(shù)控不落輪鏇床的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1,它針對輪對踏面曲線復(fù)雜、測量困難、加工難度大等問題,采用西門子840DSL數(shù)控系統(tǒng),利用其豐富的擴展性,二次開發(fā)了不同輪緣厚度下輪對踏面的測量及加工程序,可按照標(biāo)準(zhǔn)踏面輪形自動進行測量和加工,無需操作人員手動操作.

圖1 TF2000型數(shù)控不落輪鏇床結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 TF2000型數(shù)控不落輪鏇床程序工件坐標(biāo)系

TF2000型數(shù)控不落輪鏇床程序工件坐標(biāo)系示意圖見圖2.為便于零件加工,根據(jù)輪對踏面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求建立了加工坐標(biāo)系G55.G55坐標(biāo)系與機床原始坐標(biāo)系的對應(yīng)情況見圖2.

在圖2中,實線代表刀具的加工軌跡;M點為TF2000型數(shù)控不落輪鏇床機床的原始坐標(biāo)系原點,即機床坐標(biāo)系中X軸和Z軸坐標(biāo)都為0的點;P點為加工坐標(biāo)系下(G55)原點的位置,即在G55坐標(biāo)系中X軸和Z軸都為0的點;線段G55X和線段G55Z分別表示P點在機床坐標(biāo)系下與M點之間對X軸和Z軸的偏移量,由于M點和P點分別為兩個坐標(biāo)系的原點,G55X和G55Z也就代表著G55坐標(biāo)系相對于機床原始坐標(biāo)系在X軸和Z軸的偏移量.

1.2 TF2000型數(shù)控不落輪鏇床加工原理

TF2000型數(shù)控不落輪鏇床的加工程序按照《TB/T 449—2003機車車輛車輪輪緣踏面外形》[2]中LM 磨耗型輪對踏面輪廓進行編制,加工過程中刀具僅按照標(biāo)準(zhǔn)輪形踏面走刀,以確保加工后的輪對踏面輪廓符合標(biāo)準(zhǔn)要求.LM 磨耗型輪對踏面標(biāo)準(zhǔn)示意圖見圖3.

TF2000型數(shù)控不落輪鏇床上左右兩側(cè)對稱布置了4把特制刀具,采用水平刀與垂直刀相結(jié)合的加工方式.TF2000 型數(shù)控不落輪鏇床刀具加工軌跡圖見圖4,其中,實線代表輪對輪廓,虛線代表刀具加工軌跡.加工過程中,先由水平刀從輪對倒角處向輪緣頂點處加工,依次加工輪對倒角、輪對踏面及輪緣的外側(cè)面.在輪緣頂點處程序自動退出水平刀并切換垂直刀進行后續(xù)加工.垂直刀從輪緣頂點處向輪緣外側(cè)加工,依次加工輪緣頂點和輪緣外側(cè)面[3].加工時,以輪對直徑方向上的減少量為加工依據(jù)進行自動加工,除錄入加工目標(biāo)直徑外,加工過程中無需人工操作.

圖4 TF2000型數(shù)控不落輪鏇床刀具加工軌跡圖

1.3 TF2000型數(shù)控不落輪鏇床的測量原理

TF2000型數(shù)控不落輪鏇床的測量機構(gòu)分為兩部分,見圖5.一部分采用測量探針,根據(jù)《TB/T 449—2003機車車輛車輪輪緣踏面外形》中的LM磨耗型輪對踏面輪廓[2],在被加工輪對踏面上選取若干個點,通過數(shù)據(jù)擬合計算得到被測輪對的端面跳動、輪緣高度、輪緣厚度、Qr等技術(shù)參數(shù)的值;另一部分采用測量輪盤,根據(jù)圓周法測量被測輪對的直徑和徑向跳動值.

圖5 TF2000型數(shù)控不落輪鏇床測量輪盤與測量探針圖

TF2000型數(shù)控不落輪鏇床的而量探針選用雷尼紹RP1系列,具有較高的測量精度,通過與被測輪對踏面表面的接觸來反饋脈沖信號,從而完成測量工作.TF2000型數(shù)控不落輪鏇床輪測量時,在被測量輪對表面選擇7個特征點進行測量,見圖6.

圖6 TF2000型數(shù)控不落輪鏇床測量探針測量點示意圖

在圖6中,位置1為確定輪對X軸方向的點,用于確定X軸方向上輪對裝夾定位是否正確;位置2為確定輪對Z軸方向的點,用于確定Z軸方向上輪對裝夾定位是否正確;位置3位于輪緣頂部,通過這個點和點5可以得到輪緣的高度;位置4為Z軸的初始測量位置,通過這個點和點6可以得到輪緣的厚度;位置7用于計算被測輪對的Qr值.

TF2000型數(shù)控不落輪鏇床的測量滾輪選用海德漢ERN1080系列編碼器,具有良好的精度與穩(wěn)定性.測量滾輪與被測輪對接觸時,通過被測輪對的轉(zhuǎn)動帶動測量滾輪轉(zhuǎn)動,見圖7.當(dāng)被測輪對轉(zhuǎn)動一周時,計算測量滾輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù),根據(jù)圓周法即可得到被測輪對的直徑,公式為:πD=nπd,其中,D為被測輪對的直徑;d為測量滾輪的直徑;n為測量輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù).

圖7 TF2000型數(shù)控不落輪鏇床直徑測量示意圖

2 TF2000型數(shù)控不落輪鏇床的加工流程

當(dāng)完成輪對加載及裝夾后就可以進入輪對踏面的加工環(huán)節(jié).加工后,如果輪對踏面數(shù)據(jù)仍然不符合技術(shù)要求,可以再運行加工程序,直到加工后的數(shù)據(jù)符合技術(shù)要求為止.

2.1 加工前測量

加工前測量是TF2000型數(shù)控不落輪鏇床加工流程的準(zhǔn)備環(huán)節(jié).TF2000 型數(shù)控不落輪鏇床加工前測量界面截圖見圖8.

圖8 TF2000型數(shù)控不落輪鏇床加工前測量界面截圖

通過加工前測量,可得到當(dāng)前被加工輪對踏面的直徑、徑向跳動、端面跳動、輪緣高度、輪緣厚度、Qr等技術(shù)參數(shù)的值.

2.2 輪對加工

根據(jù)加工前測量得到的結(jié)果來計算輪對加工后的目標(biāo)參數(shù).TF2000 型數(shù)控不落輪鏇床輪對加工界面截圖見圖9.

圖9 TF2000型數(shù)控不落輪鏇床輪對加工界面截圖

在加工過程中,以加工后的輪對直徑作為加工目標(biāo),或者以切削深度換算成加工后的直徑作為加工目標(biāo).根據(jù)輪對測量結(jié)果,切削量由切削深度和徑向跳動兩部分組成.輪對加工后目標(biāo)直徑的計算公式應(yīng)為:加工后目標(biāo)直徑=測量直徑-2×切削深度-2×徑向跳動.

當(dāng)切削深度為1 mm 時,根據(jù)輪對加工后目標(biāo)直徑計算公式可以分別得到左右兩側(cè)的加工后目標(biāo)直徑,由于同軸輪對直徑要符合直徑超差范圍的要求,因此得到左右兩側(cè)的目標(biāo)直徑后,需要將兩側(cè)直徑數(shù)值進行對比,取較小直徑作為加工后的目標(biāo)直徑.以圖9為例,該輪對左右兩側(cè)的測量數(shù)據(jù)分別為:左側(cè)直徑804.00 mm,左側(cè)徑向跳動0.20 mm;右側(cè)直徑802.50 mm,右側(cè)徑向跳動0.10 mm.左側(cè)直徑=左側(cè)測量直徑-2×左側(cè)徑向跳動=804.00-0.20×2=803.60, 右側(cè)直徑=右側(cè)測量直徑-2×右側(cè)徑向跳動=802.50-0.10×2=802.30.比較左側(cè)直徑和右側(cè)直徑的大小知,右側(cè)加工后的目標(biāo)直徑較小,因此取較小的802.30 mm 為目標(biāo)直徑.確認加工后目標(biāo)直徑以后,將相應(yīng)數(shù)據(jù)輸入程序中,即可進行加工操作.

3 TF2000型數(shù)控不落輪鏇床的加工工藝優(yōu)化方案

TF2000型數(shù)控不落輪鏇床設(shè)定的最大切削深度為5 mm,每根輪對從測量到加工結(jié)束的時間約70 min.科學(xué)合理地安排切削量能夠節(jié)約加工時間.當(dāng)單次切削量過小時,需要多次進刀,增加輪對加工時長;當(dāng)單次切削量過大時,設(shè)備的加工精度開始波動,刀具的磨損率和折斷率也大幅度提升,容易出現(xiàn)刀具折斷或者精度不達標(biāo)的情況,從而導(dǎo)致二次加工,增加輪對加工時長.為解決這一問題,筆者進行了多次試驗,發(fā)現(xiàn)以單次切削量不超過3 mm 為標(biāo)準(zhǔn)分次進刀較好[45],第一步進行輪緣高度加工,第二步粗加工踏面輪型,第三步精加工輪對踏面.在保證加工精度和加工效率的前提下,采取先多后少、先粗后細、先慢后快的加工方式合理安排切削量和設(shè)備進給率,可提高刀具壽命,降低刀具折斷率和打火次數(shù),減少輪對加工過程中刀具折斷、磨損導(dǎo)致的二次作業(yè)問題,提高鏇輪作業(yè)的加工效率.

(1)優(yōu)先進行輪緣部分加工

TF2000 型數(shù)控不落輪鏇床以直徑為加工目標(biāo),雖然能夠通過公式計算出加工后輪對直徑的準(zhǔn)確數(shù)據(jù),但僅依靠標(biāo)準(zhǔn)輪廓模型走刀無法精準(zhǔn)地對輪緣高度和輪緣厚度進行加工.在列車運行工況下,輪緣外側(cè)與軌道長期在轉(zhuǎn)彎時相互作用,由于塑性變形,輪緣厚度不斷減小,輪緣高度不斷增加,見圖10.

圖10 輪對廓形加工前后對比圖

若不考慮輪緣高度的變化,僅參照輪對直徑設(shè)置切削量將導(dǎo)致輪緣處實際切削量遠大于根據(jù)輪對直徑數(shù)值計算出的切削量.如果此時按目標(biāo)直徑直接加工,輪緣頂點處的切削深度有可能超出機床單次加工能力.多次試驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)不考慮輪緣高度,直接按照目標(biāo)直徑進行輪對加工時,輪緣部分切削量比踏面部分切削量平均多1 mm～2 mm.輪緣處結(jié)構(gòu)突出,受力面積小,結(jié)構(gòu)強度差,受到刀具作用強,切削量過大時容易崩刀.為避免該問題,在使用TF2000型數(shù)控不落輪鏇床加工輪對時,應(yīng)先對輪緣進行加工,再根據(jù)目標(biāo)直徑進行后續(xù)加工.

根據(jù)上述分析,首次加工輪對時以當(dāng)前輪對直徑為目標(biāo)直徑“走空刀”,即首次加工不對直徑方向進行切削,僅利用加工程序T2刀部分對輪緣進行切削.這樣可避免由于輪緣部分與踏面部分切削量不同導(dǎo)致刀具折損、輪緣擦傷的情況出現(xiàn).完成第一次輪緣部分的加工后,輪緣高度恢復(fù)至標(biāo)準(zhǔn)輪緣高度,此時再進行切削,輪緣和踏面處的切削量基本保持一致,不會再出現(xiàn)切削量超過機床加工能力導(dǎo)致刀具崩折、精度下降的情況.此后便可進行第二步,即輪緣踏面的粗加工.

(2)以單次切削量不高于3 mm 進行踏面粗加工

TF2000型數(shù)控不落輪鏇床直徑的測量點在輪對踏面基點位置.在列車運行工況下,輪對常在踏面基點附近與軌道進行接觸,由于相互作用,在輪對踏面基點附近會形成一個凹陷的塑性形變區(qū),導(dǎo)致基點處的直徑值小于踏面的其他位置.由圖10可以看出,根據(jù)TF2000型數(shù)控不落輪鏇床測量得到的直徑計算的切削量僅代表基點處的切削量,并不能完全代表輪對在加工中的實際切削量,倒角處、輪緣根部等部位的切削量大于基點處直徑方向上的切削量[6].經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)單次切削深度超過3 mm,不考慮基點處直徑小于其他位置直徑,而直接按照目標(biāo)直徑進行輪對加工時,輪對鏇修后的精度穩(wěn)定性較差[7].為避免該問題,應(yīng)在粗加工階段對比目標(biāo)直徑,選取不超過3 mm 的切削量分次加工,直到加工結(jié)果接近目標(biāo)直徑3 mm 內(nèi)為止.

粗加工的目的是快速地將被加工輪對的直徑縮小到與加工后目標(biāo)直徑差值較小的范圍內(nèi),以便于后續(xù)進行精加工.這個步驟對于加工精度的要求較小,可以適當(dāng)調(diào)高進給率,提高加工速度.若一次粗加工未達到接近加工后目標(biāo)直徑的目的,可反復(fù)進行多次,直到加工后目標(biāo)直徑差值小于3mm 為止.

(3)采用中低轉(zhuǎn)速進給進行精加工

當(dāng)被加工輪對的直徑與加工后目標(biāo)直徑的差值小于3 mm 時,就可以進入精加工環(huán)節(jié).精加工是輪對加工的最后一個階段,由于鏇修后同轉(zhuǎn)向架輪對之間的直徑誤差要求控制在±1 mm 內(nèi),且輪對表面粗糙度不易過小,因此精加工階段選取進給速度和轉(zhuǎn)速尤為關(guān)鍵,且不宜采用粗加工階段高進給、深切削的加工方式.經(jīng)過反復(fù)試驗發(fā)現(xiàn),采用中低檔轉(zhuǎn)速進給,可以有效地提高精加工精度,避免因為精度問題導(dǎo)致輪對鏇修失敗、重新加工的情況出現(xiàn)[6].

(4)根據(jù)測量結(jié)果靈活選取加工方式

輪對鏇修是一項較為復(fù)雜的作業(yè)過程,實際加工時不一定要按照先加工輪緣高,再粗加工,最后精加工的方式,可針對具體情況,靈活選取不同的加工方式.當(dāng)輪緣高度較小時,輪緣加工和粗加工兩個步驟可合并為一個步驟.當(dāng)測量直徑和加工后目標(biāo)直徑的差值較小時,僅采用精加工就能達到目的,不需要進行輪緣高度加工和粗加工.有時按照計算出來的加工后目標(biāo)直徑加工,輪緣踏面仍存在大部分“黑皮”,說明計算的加工后目標(biāo)直徑過小,需要再進一步進行切削.

4 結(jié)語

針對TF2000型數(shù)控不落輪鏇床加工過程中,由于切削量不合理導(dǎo)致刀具崩折和切削次數(shù)增多等影響加工效率的情況,通過反復(fù)試驗對比,優(yōu)化了TF2000型數(shù)控不落輪鏇床的加工工藝,可提高加工效率約6%,每列車鏇修時長平均縮短3 min,節(jié)約了車輛維修時間.后續(xù)將在此基礎(chǔ)上結(jié)合刀具更換情況深入研究,將切削量與刀具磨損有機結(jié)合,以制定出效率更高、損耗更小的加工方案.