王繼明，于大國，孟曉華

(1.中北大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，太原 030051；2.山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心，太原 030051)

動車空心車軸中孔加工工藝與裝備研究*

王繼明1,2，于大國1,2，孟曉華1,2

(1.中北大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，太原 030051；2.山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心，太原 030051)

針對動車車軸中孔加工過程中軸線易偏斜、孔的表面粗糙度難以保證的問題，從結(jié)構(gòu)和材料分析，對其加工工藝及裝備做了研究，從工裝設(shè)計(jì)方面，利用支撐架及導(dǎo)向套等措施解決加工過程中BTA單齒鉆的偏斜問題;從加工工藝方面，利用“二次珩磨”保證孔的表面粗糙度。結(jié)果表明：采用該工藝加工動車空心車軸中孔，孔的直線度可達(dá)到0.05mm/m，內(nèi)表面粗糙度可達(dá)到Ra(0.2-0.4)μm，均能夠滿足相應(yīng)的技術(shù)要求。經(jīng)檢驗(yàn)，動車空心車軸內(nèi)部探傷無缺陷，符合標(biāo)準(zhǔn)。

動車車軸；BTA單齒鉆；偏斜；二次珩磨；粗糙度

0 引言

高速動車組采用空心車軸，不僅可以減輕列車的簧下重量,從而減少列車對路軌的磨損，而且可以將探測頭放入中孔進(jìn)行超聲檢測，提高車軸的超聲波探傷精度，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

然而，動車車軸不僅體積大，而且重，所要加工的孔長徑比超過了70，屬于大長徑比的深孔，鉆頭在加工過程中極易走偏，加之鉆頭的工作狀態(tài)難以觀察，使得孔的直線度更加難以保證，更不用說孔的內(nèi)表面精度問題[1]。目前我國動車空心車軸中孔的加工設(shè)備主要從國外引進(jìn)，而利用國內(nèi)設(shè)備進(jìn)行動車空心車軸中孔加工的很少，為此，開展此項(xiàng)研究顯得尤為必要。

中國晉西車軸股份有限公司從事包括動車車軸在內(nèi)的各種車軸的加工，中北大學(xué)承擔(dān)了動車車軸中孔的加工。本文以直徑30mm，深度2250mm的動車車軸中孔的加工為研究對象，選擇了合適的加工機(jī)床及刀具，通過試驗(yàn)，確定了鉆頭的最佳幾何參數(shù),并制定了相關(guān)的加工工藝，采用該工藝可保證孔的加工質(zhì)量。

1 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工難點(diǎn)

1.1 零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如圖1所示，該動車空心車軸在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)為：通孔；孔徑無變化；長徑比達(dá)到75；孔的直線度要求不超過0.1mm/m，孔的內(nèi)表面粗糙度要求不大于Ra1.6μm。

圖1 動車空心車軸結(jié)構(gòu)圖

對于動車空心車軸來說，提高強(qiáng)度、增大橫截面積都能夠提高車軸的承載能力。由于列車運(yùn)行中安全要求是首要的，車軸的塑性、沖擊韌性以及斷裂韌性越高，則安全性越好。在同等規(guī)格下EA4T鋼性能最好，因此EA4T鋼是動車車軸首選鋼[2]。

1.2 加工難點(diǎn)分析

一般深孔零件的加工具有以下特點(diǎn)：①加工過程是在封閉或半封閉狀態(tài)下進(jìn)行，鉆頭的切削情況難以觀察；②由于容屑空間有限，導(dǎo)致切削熱不易排出，鉆頭潤滑和冷卻效果差，影響加工質(zhì)量和鉆頭壽命[3]。該車軸除具有上述加工特點(diǎn)外，還有以下問題需要解決。

(1)內(nèi)孔難加工。該動車車軸中孔的直線度、尺寸精度及表面粗糙度都要求很高，為保證孔的加工質(zhì)量，必須在加工之前先鉆出中心孔，以引導(dǎo)鉆頭。為保證其表面粗糙度，中孔鉆出后還需對其內(nèi)表面進(jìn)行珩磨。

(2)孔的長徑比達(dá)到75，受刀桿自身剛度的影響，鉆削過程中極易產(chǎn)生振動[4]，從而導(dǎo)致孔的軸線產(chǎn)生偏斜，因此，必須采取有效的措施來保證孔的精度。

(3)由于EA4T鋼具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性，故加工過程中刀具容易磨損，耐用度降低，且EA4T鋼在鉆削過程中粘性較高，極不容易斷屑，使加工過程變得更加困難。

2 鉆深孔

根據(jù)上述零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工難點(diǎn)，確定動車空心車軸中孔的加工工藝為：銑端面—鉆中心孔—車外圓—鉆深孔—珩磨。

鉆深孔是整個加工過程中最重要的環(huán)節(jié)，其加工質(zhì)量直接決定著后續(xù)工作能否順利進(jìn)行，故此階段機(jī)床、刀具的選用及工裝、工藝參數(shù)等的確定顯得尤為重要。

在鉆深孔之前需要先在CW6163E機(jī)床上對動車車軸鉆出最大直徑φ3-5mm，深度約20mm的中心孔，然后采用“一夾一頂”的裝夾方式，切除工件外表面單邊0.2～0.4mm的余量。對工件處理完之后，開始“鉆深孔”這一工序。

2.1 機(jī)床結(jié)構(gòu)及自動排屑方案

本次加工采用T2120型深孔機(jī)床，如圖2所示，其最大加工直徑為200mm，最大加工深度為3000mm，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速共12級，最低轉(zhuǎn)速為61r/min，最高轉(zhuǎn)速為1000r/min，公比φ=1.25，可滿足加工需求。

1.主軸電機(jī) 2.主軸箱 3.卡盤 4.工件中心架 5.工件 6.輸油器 7.鉆桿 8.支撐架 9.鉆桿進(jìn)給座 10.排屑管 11.進(jìn)給電機(jī)

圖2 T2120深孔機(jī)床加工示意圖

鉆頭的柄部由方牙螺紋與鉆桿相連接。高壓切削液進(jìn)入輸油器6后通過鉆桿外部的環(huán)狀空隙流向切削刃部，將切削刃上形成的切屑反向壓入鉆頭的出屑口，經(jīng)鉆桿的中空內(nèi)腔向后排出，直至集屑盤。切削液經(jīng)過濾網(wǎng)回落到油箱中，經(jīng)過若干次過濾后，重新被供油泵抽出，反復(fù)使用。

輸油器是T2120深孔機(jī)床的一個重要部件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，它的作用是將高壓切削液輸送至鉆頭切削刃，以完成冷卻、潤滑和排屑三重使命[5]。

1.工件 2.導(dǎo)向套 3.鉆頭 4.鉆桿 5.刀桿密封件圖3 輸油器

加工過程中切削液從輸油器中間的孔口進(jìn)入空腔后，由于其右方是封閉的，切削液只能向左通過導(dǎo)向套與鉆桿之間的環(huán)狀空隙及切削刃與導(dǎo)向條間的空隙流入切削刃部，對其進(jìn)行冷卻潤滑，然后將切屑以反方向推入鉆頭出屑口，使其進(jìn)入鉆桿內(nèi)腔并向后排出。

在動車車軸中孔加工試驗(yàn)初期，曾因?yàn)檩斢推髀┯蛯?dǎo)致切削刃冷卻潤滑不足，排屑不暢，影響了加工質(zhì)量，后經(jīng)改善油壓，彌補(bǔ)了上述缺陷，提高了加工質(zhì)量。

2.2 鉆頭的結(jié)構(gòu)

鉆深孔的關(guān)鍵是鉆頭的選擇與使用，由于所加工孔屬于大、中直徑的孔，且孔的內(nèi)表面加工質(zhì)量要求較高，故采用內(nèi)排屑深孔鉆，切屑從鉆桿內(nèi)部排出，不會劃傷已加工孔表面。

在內(nèi)排屑深孔鉆中，BTA錯齒鉆由于參數(shù)繁多，復(fù)雜程度較高，適用于加工直徑大于60mm的孔[5-7]，本次加工的孔徑為30mm，若采用BTA錯齒鉆，則不僅會降低鉆頭的剛度，同時(shí)由于孔的限制，使得鉆頭容易打刀，難以加工，故對于該動車空心車軸中孔的加工選用BTA單齒鉆。

BTA單齒鉆結(jié)構(gòu)如圖4所示，實(shí)物圖如圖5所示，鉆頭材質(zhì)采用硬質(zhì)合金，鉆頭切削部分主要由內(nèi)刃、外刃、鉆尖、導(dǎo)向條及排屑孔組成，鉆頭圓周上布置有2個導(dǎo)向條，可對鉆頭進(jìn)行導(dǎo)向，切削刃磨有3個分屑臺階，更易斷屑。

BTA單齒鉆適于加工直徑范圍為6～60mm的孔，長徑比可達(dá)100；加工精度達(dá)IT7～I(xiàn)T8，加工表面粗糙度可達(dá)Ra0.8-3.2μm，其排屑口張角約為135°；同時(shí)，由于采用機(jī)夾式結(jié)構(gòu)，使得鉆頭重磨更加方便。圖4為磨出分屑刃的BTA單齒鉆。

圖4 BTA單齒鉆結(jié)構(gòu)圖

圖5 BTA單齒鉆實(shí)物圖

2.3 鉆頭幾何參數(shù)的確定

經(jīng)試驗(yàn)加工，確定了鉆頭的幾何參數(shù)如下：

①為加強(qiáng)內(nèi)刃強(qiáng)度，外刃前角取γ°=0°,內(nèi)刃前角取γoτ=-5°～-15°,。

②外刃余偏角通常取ψr=10°～20°，對于有階梯刃的深孔鉆，為使各段所產(chǎn)生的切屑流相互沖擊以達(dá)到斷屑、排屑的目的，各段上余偏角的取值應(yīng)有所區(qū)別，鉆尖處最小，中間次之，鉆頭邊緣最大，本文中φr1=10°,φr2=12°,φr3=16°。

③內(nèi)刃余偏角ψrτ取ψrτ=20°，其作用是使中心刃在孔底切出反錐面，利于定心，并將鉆心處的切屑尖劈分屑。

④外刃后角α°取8°～12°，內(nèi)刃后角αoτ取12°～15°，外緣副切削刃的副后角取α°＇=8°。

⑤鉆頭偏心量e取3.75～7.5mm,它決定著鉆頭徑向合力的大小和方向。

⑥斷屑臺的寬度Wn取1～2mm，深度Hn取0.4～0.5mm。

⑦導(dǎo)向條滯后量L取0.5～1.2mm。

2.4 工裝及工藝分析

定位方式采用“左夾右頂”，即：工件左端裝夾在機(jī)床的三爪卡盤上，右端則用錐堵來定位。由于工件的體積、重量都較大，其中間部位用中心架支撐。針對鉆桿長，剛性差，容易產(chǎn)生振動的情況，在鉆桿中部安裝1～2個支撐架，支撐架可沿導(dǎo)軌滑動，直至鉆孔結(jié)束。鉆頭套在導(dǎo)向套上，并與其緊密接觸，導(dǎo)向套加工成60°錐面，內(nèi)外徑高度精確同軸[3,7]，與導(dǎo)向條一起實(shí)現(xiàn)對鉆頭的導(dǎo)向。

圖6 鉆深孔

中孔的加工采用工件旋轉(zhuǎn)、鉆頭進(jìn)給的方式，如圖6所示，通過主軸旋轉(zhuǎn)帶動工件旋轉(zhuǎn)，鉆頭直徑為29.5mm，為減小刀具磨損，通常不采用較高的切削速度，取為219r/min，進(jìn)給量8mm/min；同時(shí)，切削液在高壓、高速下才能產(chǎn)生足以推動切屑迅速排出的動量，才能迅速帶走切削熱[8-9]，故為了便于排屑和對鉆頭切削刃進(jìn)行冷卻潤滑，需通入1MPa的高壓切削液。油壓過低，會使得切削液流量過小，從而導(dǎo)致切削刃冷卻潤滑不足，排屑不暢。該加工可實(shí)現(xiàn)自動排屑，整個加工過程一次性完成，避免了頻繁退刀、進(jìn)刀所產(chǎn)生的誤差。

3 深孔珩磨

要想獲得高精度孔，需要對孔進(jìn)行珩磨。珩磨是動車空心車軸中孔加工的最后一道工序，其目的主要是保證內(nèi)孔表面粗糙度和內(nèi)孔尺寸精度。

3.1 機(jī)床的結(jié)構(gòu)

本次加工選用MK2120 臥式深孔珩磨機(jī)，其可加工直徑為8～1000mm的孔，經(jīng)該機(jī)床加工的零件孔徑精度達(dá)IT7級以上，表面粗糙度達(dá)Ra0.2～0.4μm。圖7所示為臥式深孔珩磨機(jī)簡圖。

1.活動夾具 2.空心車軸 3.珩磨頭 4.浮動支撐 5.珩磨桿 6.托板總裝

圖7 臥式深孔珩磨機(jī)簡圖

位于珩磨頭上的油石條，在張緊機(jī)構(gòu)的作用下，產(chǎn)生徑向微量進(jìn)給，將油石條壓向工件內(nèi)孔壁以產(chǎn)生一定的接觸面，增大壓力，可增大切削量；同時(shí)，珩磨頭在機(jī)床主軸的帶動下做旋轉(zhuǎn)和直線往復(fù)運(yùn)動，油石條上的磨粒在內(nèi)孔孔壁上形成交叉網(wǎng)紋，從而降低內(nèi)孔表面粗糙度[10-11]。

3.2 珩磨頭的結(jié)構(gòu)

珩磨頭為棱圓柱體，直徑為25mm，采用后進(jìn)給方式，當(dāng)椎體漲芯移動時(shí)，油石能在徑向均勻漲縮，珩磨頭簡圖如圖8所示。

1.珩磨頭體 2.油石座 3.錐形心軸 4.油石 5.推桿 6.珩磨桿 7.脹縮機(jī)構(gòu)

圖8 珩磨頭簡圖

珩磨油石的磨料是油石的一個重要性能，它直接影響著珩磨加工的表面質(zhì)量和生產(chǎn)率。珩磨油石磨料選用綠色碳化硅，油石粒度為W40。珩磨條尺寸為60mm×5mm×4mm，沿周向均勻安裝，每周三條油石，雙周排列。油石采用膠合式固定。

珩磨頭油石座在珩磨頭基體上對稱布置。由于深孔珩磨中油石比較長，故油石座采用多斜面支撐，并且要求研配，這樣簡化了進(jìn)給系統(tǒng)，保證了進(jìn)給運(yùn)動的穩(wěn)定性。

3.3 工裝及工藝分析

由于車軸較重，且珩磨過程中車軸所受軸向力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鉆削時(shí)所受軸向力，很難使其移動，故工件固定使用鏈條鎖緊即可，簡單可靠。

圖9 深孔珩磨

珩磨過程采用工件固定、珩磨頭旋轉(zhuǎn)并進(jìn)給的方式，如圖9所示。珩磨頭轉(zhuǎn)動采用交流變頻無級調(diào)速，往復(fù)運(yùn)動采用液壓無級調(diào)速，珩磨過程中電壓為30.78V，電流為10.69A～10.74A，單邊磨去0.2～0.25mm的余量。

珩磨完成后，由于內(nèi)孔表面還殘留著珩磨過程中的網(wǎng)紋，故需要對內(nèi)孔進(jìn)行“二次珩磨”，以提高其表面加工質(zhì)量。將200目的砂紙纏繞固定于珩磨頭，并利用上述加工方法來實(shí)現(xiàn)二次珩磨，此次加工主要是磨去網(wǎng)紋，降低內(nèi)孔表面粗糙度，單邊磨去約0.01mm。

4 質(zhì)量檢驗(yàn)

深孔直線度是通過對車軸兩端壁厚測量間接得到的。在軸的一端面均勻任取3點(diǎn)A1、B1、C1，測量孔的內(nèi)表面與外圓間的壁厚，得到3個數(shù)據(jù)，然后標(biāo)記與上述3點(diǎn)相對應(yīng)的另一端面的點(diǎn)A2、B2、C2并測量該端面的壁厚，又可得到3個數(shù)據(jù)，將此6個數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果任意兩個數(shù)據(jù)之差的絕對值不大于0.2mm，則認(rèn)為產(chǎn)品的直線度符合要求，經(jīng)檢驗(yàn)，最大偏差不超過0.12mm。

在上述基礎(chǔ)上對內(nèi)孔的表面粗糙度進(jìn)行檢驗(yàn)，粗糙度能夠達(dá)到Ra0.2～0.4μm。

產(chǎn)品質(zhì)量符合要求。

5 結(jié)論

(1)從工裝設(shè)計(jì)方面采取措施，在鉆削時(shí)利用導(dǎo)

向套抑制鉆頭的偏斜，利用支撐架降低鉆桿的振動，能有效抑制孔的偏斜。

(2)經(jīng)試驗(yàn)確定了合理的鉆頭幾何參數(shù)和切削參數(shù)，采用上述各參數(shù)對動車車軸進(jìn)行加工，使得斷屑容易，排屑順暢。

(3)利用“二次珩磨”可使動車空心車軸中孔的表面粗糙度得到很大提高。

(4)利用上述工藝與裝備所加工的車軸孔直線度不超過0.1mm/m，表面粗糙度小于Ra1.6μm。能夠得到合格的產(chǎn)品且刀具使用壽命較長。

[1] 李曉東,何忠韜.高速動車車軸的CAD/CAE分析[J].機(jī)械工程與自動化，2012(1)：15-17.

[2] 梁益龍,王新,孟陽,等.國產(chǎn)EA4T車軸鋼的顯微組織與強(qiáng)韌性研究[J].熱加工工藝,2008,37(16):23-25.

[3] 王峻.現(xiàn)代深孔加工技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2005.

[4] 苗曉鵬,程建安.薄壁長筒零件深孔鏜削工藝與數(shù)控組合機(jī)床設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2013(5):117-119.

[5] 王世清.深孔加工技術(shù)[M].陜西：西北工業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[6] 趙榮，龐俊忠，彭小明，等，兩端小中間大異形深孔零件的鏜削工藝[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2011,27(5):80-83.

[7] 李迎華.(CKA6150—20701 A)數(shù)控車床主軸加工工藝難點(diǎn)分析[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2011(10):106-108.

[8] 姜雪梅.空心長軸深孔加工工藝研究[J].航空精密制造技術(shù),2011,47(4):46-49.

[9] K.Weinert,O.Webber,M.Husken andJ.Menen.Statistics and Time Series Analysis of BTA Deep Hole Drilling,COST P4, Nonlinear Dynamics in Mechanical Processing,EU-Frame Work COST Action P4, University of Dortmund, Dortmund,Germany,2009:245-258.

[10]P.Bayly,M.Lamar and S.Calvert. Low-Frequency Regenerative Vibration and the Formation of Lobed Holes in Drilling,Transactions of ASME,Journal of Manufacturing Science and Engineering,2008,124(8):275-285.

[11]雷竹峰.臥式深孔珩磨機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].太原：中北大學(xué),2013.

(編輯 李秀敏)

Research on Deep Hole Processing Technology and Equipment of EMU Hollow Axle

WANG Ji-ming1,2,YU Da-guo1,2,MENG Xiao-hua

(1.School of Mechanical and Power Engineering; 2.North University of China,Taiyuan 030051, China; 2.Research Center of Deep-hole Machining Engineering Technology, Taiyuan 03005l,China)

Aiming at axial deviation and surface roughness which are difficult to guarantee in EMU hollow axle drilling. This paper analyzes processing technic and machining equipment on the basis of structure and material properties. It solves the problem of BTA single tooth drilling′s skewing by using support frames and guide sleeves. Using "second honing" to guarantee hole surface roughness is based on processing technology. The results show that the straightness can reach 0.05mm / m and the inner surface roughness can be achieved Ra (0.2-0.4)μm when the technology is taken in processing EMU hollow axle hole. Both are able to reach the corresponding technical requirements. EMU hollow axle is non-defective after being tested, conforming to the standard.

EMU axle;BTA single tooth drilling;skew;second honing;roughness

1001-2265(2014)07-0132-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.038

2013-11-14；

2013-12-18

國家自然科學(xué)基金(51175482)；中北大學(xué)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2012111)

王繼明(1989—)，男，山西運(yùn)城人，中北大學(xué)碩士研究生，主要從事深孔加工技術(shù)研究，(E-mail)jiming0205@163.com。

TH162；TG65

A