賈廣躍，蔡育冰，張峰，徐鋒

（南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

1 引言

為開(kāi)發(fā)研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)、時(shí)速達(dá)350km/h 以上的高速列車及配套系統(tǒng)，提高我國(guó)高速鐵路技術(shù)水平，“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃啟動(dòng)了“中國(guó)高速列車關(guān)鍵技術(shù)研究及裝備研制”項(xiàng)目［1］?？招能囕S加工屬高速列車生產(chǎn)核心制造技術(shù)，現(xiàn)國(guó)產(chǎn)動(dòng)車組中的空心軸均為進(jìn)口的成品或半成品，國(guó)內(nèi)雖然已引進(jìn)先進(jìn)的車軸精加工設(shè)備，但空心車軸自動(dòng)加工技術(shù)仍不成熟，基本采用半自動(dòng)加工。工件自動(dòng)裝卸、內(nèi)孔偏心、鐵屑纏繞等嚴(yán)重影響車軸的加工質(zhì)量和自動(dòng)化加工，為了實(shí)現(xiàn)車軸精加工工藝的自動(dòng)化，必須對(duì)車軸精加工工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高加工質(zhì)量、加工效率和設(shè)備利用率。

2 工藝流程

圖1 空心車軸示意圖

我公司采用Teamcenter為設(shè)計(jì)及制造工藝管理平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)下進(jìn)行加工工藝文檔的管理，其中空心軸零件加工程序采用NX CAM 模塊進(jìn)行，通過(guò)使用設(shè)備、刀具、車軸等3D模型在三維環(huán)境下進(jìn)行數(shù)控程序設(shè)計(jì)，并可對(duì)車軸加工過(guò)程進(jìn)行模擬仿真驗(yàn)證?？招能囕S見(jiàn)圖1。

車軸精加工采用車削中心，見(jiàn)圖2，該設(shè)備具有雙主軸、雙刀塔、雙中心架配置，刀塔帶動(dòng)力刀可以安裝鉆頭、絲錐、工件測(cè)頭，中心架上安裝工件上料架，可以一次裝夾全自動(dòng)完成車軸內(nèi)孔中心測(cè)量、倒角、端面加工、端面三螺孔、外圓加工。車軸精加工刀具為外圓粗車刀、外圓精車刀、螺紋車刀、鉆頭、絲錐、工件測(cè)頭等。在NX CAM中建立工件坐標(biāo)系，利用同步建模技術(shù)生成車軸毛坯，創(chuàng)建工序，根據(jù)不同加工方式，建立不同導(dǎo)軌路徑。再對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行仿真驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)控程序問(wèn)題。

3 半自動(dòng)空心車軸工藝流程分析

以前車軸加工工藝流程為：利用普通車床車內(nèi)孔倒角，糾正偏心→手工裝夾車軸→外圓粗車→右側(cè)內(nèi)孔倒角、端面、三螺孔精加工→左側(cè)內(nèi)孔倒角、端面、三螺孔精加工→外圓精車。

經(jīng)過(guò)研究分析，影響車軸精加工自動(dòng)化因素主要有：①手動(dòng)糾正內(nèi)孔偏心。傳統(tǒng)方法利用打表測(cè)量車軸內(nèi)孔，通過(guò)調(diào)整中心架使車軸內(nèi)孔和普通車床主軸軸線重合，再倒角，利用尾座頂緊車軸，粗車外圓達(dá)到偏心糾正目的。采用工序分散方式加工，單件車軸偏心糾正平均需要20min。②手動(dòng)安裝工件。手工對(duì)刀后設(shè)置工件坐標(biāo)系，人工參與，手工進(jìn)行平均需要10min。③鐵屑影響。切削鐵屑不斷，易纏繞至中心架中，導(dǎo)致車軸報(bào)廢，鐵屑形狀見(jiàn)圖3。④車軸內(nèi)孔殘留鐵屑。精車內(nèi)孔倒角后，細(xì)小鐵屑易殘留至車軸中心倒角錐面處，尾座頂緊車軸后，導(dǎo)致最終精車外圓中心和內(nèi)孔中心不重合，導(dǎo)致工件報(bào)廢。⑤切削余料擋圈影響自動(dòng)化加工。擋圈位置如圖4。⑥刀具壽命影響。精車外圓單個(gè)刀尖僅能加工2 件車軸。刀片更換頻繁，影響車軸自動(dòng)化加工。

圖3 鐵屑纏繞

圖4 車軸余料擋圈

4 自動(dòng)化加工工藝研究

4.1 自動(dòng)化工藝分析和工藝改進(jìn)

對(duì)影響車軸自動(dòng)化加工因素進(jìn)行分析，逐條提出解決方案。

（1）對(duì)于手工安裝工件，在中心架上設(shè)置工件安裝架，在工件加工完成后，兩中心架首先夾緊車軸移動(dòng)至上下料工位，上料架升起并支撐車軸，中心架松開(kāi)，機(jī)械手取走車軸，上料架下降至毛坯裝卸位置，機(jī)械手將車軸運(yùn)輸至上料架上，隨中心架一起移動(dòng)，使車軸左側(cè)靠近主軸中心頂緊，利用刀塔專用刀具，頂緊右側(cè)車軸端部，兩中心架夾緊，刀塔后退，達(dá)到自動(dòng)安裝工件目的。

（2）對(duì)內(nèi)孔偏心糾正。利用車削中心的工件測(cè)頭（圖5 所示）自動(dòng)測(cè)量車軸內(nèi)孔偏心側(cè)的偏心位置和偏心角度，自動(dòng)計(jì)算偏心孔位置，再以偏心孔做基準(zhǔn)，銑中心孔倒角，利用車削中心尾座頂尖，自動(dòng)頂緊車軸，松開(kāi)中心架后粗車車軸外圓，最后中心架夾緊車軸，精車中心孔。通過(guò)該工藝，可以實(shí)現(xiàn)偏心的空心車軸在車削中心上，自動(dòng)偏心校正，為空心車軸全自動(dòng)加工提供一種解決方案。

圖5 工件測(cè)頭

圖6 倒角銑刀

（3）鐵屑斷屑問(wèn)題。車軸材料選用EA4T，通過(guò)調(diào)制處理硬度達(dá)到260～300HB，硬度范圍較大，傳統(tǒng)方法采用R8 圓弧車刀粗車外圓見(jiàn)圖6，通過(guò)修改切削參數(shù)方法，切削斷屑效果不穩(wěn)定，斷屑時(shí)好時(shí)壞，R8 車刀對(duì)于圓弧處切削斷屑更差。將R8 車刀更換為DDNNN 55°車刀，左右刀塔同時(shí)加工，生產(chǎn)效率提高20%。因采用55°粗車刀，車軸斷屑效果明顯，可以解決鐵屑斷屑問(wèn)題。

（4）車軸內(nèi)孔殘余鐵屑處理。在中心孔銑倒角工序后，增加內(nèi)孔沖洗功能，利用刀塔切削液自動(dòng)噴淋功能，設(shè)計(jì)數(shù)控程序，利用內(nèi)孔車削刀具，對(duì)車軸端部和車軸內(nèi)孔進(jìn)行重新加工，解決內(nèi)孔倒角處殘余鐵屑導(dǎo)致車軸報(bào)廢問(wèn)題。

圖7 R8 外圓車刀

圖8 DDNNN 55°外圓車刀

（5）切削余料擋圈問(wèn)題。改變切削方式和工步順序，利用斜面切削，將擋圈取消。

（6）刀具壽命問(wèn)題。通過(guò)修改切削參數(shù)可影響刀具使用壽命，通過(guò)工序分散加工，精車采用2 把刀具可使刀片更換頻次降低。

3.2 工藝驗(yàn)證

通過(guò)以上工藝分析，首先編制車削中心用G 代碼程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)工件裝夾和車軸偏心孔自動(dòng)測(cè)量、偏心糾正。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，車軸從機(jī)械手安裝到偏心糾正完成，僅需6min，和手工操作相比生產(chǎn)效率提高5 倍。利用該工藝車軸偏心量由0.3～0.8mm 自動(dòng)糾正至0.3mm 以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

在使用R8 車刀時(shí)只能使用左側(cè)刀塔，切削深度aP=3mm，轉(zhuǎn)速n=280m/min，f=1mm/r，不僅加工效率低，且因車軸材料熱處理后硬度不均勻，鐵屑不斷影響車軸自動(dòng)化加工，嚴(yán)重影響車軸加工生產(chǎn)效率。通過(guò)更換DDNNN 55°刀具后，切削深度aP=3mm，轉(zhuǎn)速n=280m/min，f=0.6mm/r，斷屑效果明顯，跟蹤60 件車軸加工后未發(fā)現(xiàn)有鐵屑纏繞現(xiàn)象，鐵屑長(zhǎng)度一般小于80mm，見(jiàn)圖9。使用55°車刀通過(guò)改變切削方式，有效解決余料擋圈影響。

圖9 鐵屑斷屑后形狀

刀具壽命問(wèn)題。精車外圓時(shí)，首先改變切削參數(shù)，在滿足圖紙要求粗糙度情況下，將轉(zhuǎn)速Vc=280m/min降低至Vc=220m/min，進(jìn)給量由f=0.2mm/r 提高至f=0.3mm/r，可有效提高刀具壽命25%～30%。對(duì)精車外圓進(jìn)行分析，將精車外圓分為兩步，增加一套刀具，平衡刀具磨損，減少刀片更換頻次，工藝改進(jìn)后，刀片更換可滿足1次/5 件頻次，最大程度實(shí)現(xiàn)車軸自動(dòng)化運(yùn)行。

3.3 工藝數(shù)據(jù)的管理

工藝改進(jìn)后的車軸數(shù)控加工程序、工藝參數(shù)、車軸仿真驗(yàn)證AVI 動(dòng)畫(huà)直接存儲(chǔ)在工藝流程平臺(tái)Teamcenter中。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)影響空心車軸自動(dòng)化因素進(jìn)行分析研究，解決了空心車軸精加工過(guò)程中內(nèi)孔偏心、鐵屑、加工效率低等影響車軸自動(dòng)加工的關(guān)鍵問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)空心車軸全自動(dòng)化精加工，在實(shí)際應(yīng)用中取得良好效果，為后續(xù)動(dòng)車組等空心車軸自動(dòng)化加工提供技術(shù)依據(jù)。

［1］王普.高速鐵路建設(shè)發(fā)展概況研究［J］.鄭州科技通訊，2006（4）：4-6.

［2］周嶸.淺談高速動(dòng)車組空心車軸加工工藝及設(shè)備［J］.機(jī)車車輛工藝，2008（3）：8-9.

［3］上海市金屬切削技術(shù)協(xié)會(huì).金屬切削手冊(cè)（第三版）［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版，2000.

［4］王啟平.機(jī)械制造工藝學(xué)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999.

［5］王啟平.金屬切削實(shí)用刀具技術(shù)［M］.哈爾濱：工業(yè)大學(xué)出版社，1999.