總工程師 虞行國

軌道交通裝備的發(fā)展是一個系統工程，它涉及到多個領域，特別是在加工軌道交通典型關鍵零部件（如柴油機機體、曲軸、缸頭蓋等）方面，這些型腔復雜、精度高的關鍵零部件對數控設備有特殊的要求和功能。關鍵零部件加工的工藝要求和設備的相互關系到底如何？

軌道交通裝備前景

我國軌道交通裝備制造在以國家實施的“中國制造2025”、“一帶一路”戰(zhàn)略思路下有廣闊的前景。設備制造業(yè)在創(chuàng)新驅動、智能轉型、強化基礎、綠色環(huán)保等方向的發(fā)展有許多功課要做，有許多疑問要去研究探討，有許多問題要去解決。根據目前的形勢，全球軌道交通裝備市場呈現出強勁的增長態(tài)勢，軌道交通裝備市場需求潛力巨大。

我國軌道交通裝備（見圖1）大概包括：電力機車、內燃機車、動車組、鐵道客車、鐵道貨車、城軌車輛、機車車輛關鍵部件、信號設備、牽引供電設備及軌道工程機械設備等系統，它有力地支撐著我國軌道交通事業(yè)的發(fā)展。

圖1

早在2004年，我國就在廣深鐵路首次開行時速達160km的國產快速旅客列車。當時廣深鐵路就被譽為中國高速鐵路成長、成熟的“試驗田”。其實在此前的京滬鐵路線上已經進行了多次提速試驗，速度從120km/h、140km/h提高到了160km/h。當時全國鐵路通過6次大提速，在軌道交通機車車輛性能結構、線路基礎、信號及通信等方面都得到了鍛煉并取得了一些經驗教訓，為高鐵和動車組打下良好的基礎和鋪墊，而全國先后6次大提速的主力車型是東風型內燃機車而不是東風型電力機車。在現階段中國四橫四縱高鐵網絡線路中，在高速行駛的和諧號動車組的今天，還是不能扔掉和忘記東風型內燃機車在自然災害面前和戰(zhàn)爭時期的作用。

結合實例，分析大型數控設備在加工軌道交通典型關鍵零部件時，對軌道交通典型零部件精度的影響。

加工內燃機車柴油機機體的數控設備及產品

內燃機車的柴油機（見圖2）是一個典型的箱體，其型腔復雜、相關尺寸鏈多并且還有許多空間立體交叉孔系，是柴油機中最關鍵的支撐大部件，是裝配各個零部件的基礎件，目前柴油機機體大體有整體鑄造和板材焊接件兩種。各端面上大約有大小螺栓孔上千個。而V型柴油機機體主要精度尺寸體現在三孔，即主軸承孔、二側凸輪軸孔和氣缸孔上，與這三孔有著緊密的空間相交尺寸。這些孔徑等精度尺寸將直接影響到柴油機的使用壽命，且造成機破事件發(fā)生的機率增大。對柴油機機體主軸孔和凸輪軸孔的精度有著較高的精度要求，在5m長九擋孔徑上，主軸孔直線度誤差要控制在0.06mm，相鄰誤差要控制在0.03mm，同樣凸輪軸孔直線度誤差要控制在0.10mm，相鄰誤差要控制在0.03mm的精度，這就需要嚴格控制機體本身材質的變形、加工時的工件壓裝變形和對將近十幾米長的機床本身的精度要求。同時內燃機車在線路上高速運行要承受高溫、振動，工況比較惡劣，這就要求柴油機機體在加工時有一個良好的精度，為了使加工的產品符合工藝要求，必須有設備和合理的加工工藝來保證。在柴油機機體加工時，因設備原因影響加工精度的主要因素是主軸頸孔、凸輪軸孔的直線度和孔頸的中心距（見圖3）。

圖2 數控龍門加工中心及柴油機機體

圖3 主軸頸孔的加工

該柴油機機體的加工設備是數控式龍門加工中心，因為這種設備比較適合加工箱體零件。針對零件加工精度的特殊性和加工方法，對設備幾項精度嚴格進行控制。在加工機體時，要完成加工精度難點，就需要設備本身X軸的直線度精度達到技術指標。X軸直線度精度包括：靜態(tài)精度和動態(tài)運動精度，首先要保證靜態(tài)精度的兩項指標，即床身在垂直水平面內的直線度和水平面的直線度，以及工作臺在床身上運動的動態(tài)運動精度。因為床身這兩項精度會直接影響到柴油機機體主軸頸孔、凸輪軸孔的直線度，在精度調整中會用框式水平儀檢測機床安裝水平，用光學準直儀檢測床身的直線度（見圖4）。

圖4 光學準直儀

在對機床床身的精度考核中注重安裝水平，因為X軸的左右高低將會多少影響工作臺運動電機的電流大小，造成運動速度的不均勻。垂直水平面內的直線度和水平面的直線度將直接影響柴油機主軸頸的直線度精度，這是靜態(tài)精度方面的要求。在動態(tài)方面，因為加工主軸孔和凸輪軸孔時，都是通過X軸工作臺移動一定的尺寸后，Z軸附件銑頭一擋一擋地上下運動進行加工，因為是兩軸運動，在Y和Z軸運行插補時重復定位精度指標更為重要（見圖5）。

圖5 機體加工示意圖

在加工零件的五面時，95%的工作量是由附件銑頭來完成的，所以附件銑頭本體的精度決定著產品的加工精度，因此對附件銑頭有兩項精度的考核：①附件銑頭的主軸中心線與滑枕主軸中心線的中心偏置精度。②附件銑頭180°回轉中心的偏置精度都應該＜0.015mm，同時對附件銑頭旋轉后的重復定位精度也要進行嚴格的考核，精度指標盡量要小，才能達到產品的加工工藝要求。

機體同軸度測量記錄在表格中，表中數據記錄了產品的孔徑間直線度和相鄰的實際誤差，這個精度是在精密調整機床床身以后達到的數據，主軸承孔全長同軸度0.416mm，左凸輪軸孔全長同軸度0.747mm，右凸輪軸孔全長同軸度0.687mm，完全符合產品工藝精度要求。為了正確判斷產品直線度精度超差的問題，會采用在機床上在線測量，即不松螺釘、不松夾具的加工工況和離機測量的方法來判斷產生問題的原因出在何處。如果用在線測量的方法，用本機測量本機加工的產品，這個精度的好壞只能反映本機床精度，而不能正確地反映出產品的真實精度，特別是直線度這種形式的精度，應該通過測量平臺或者是三坐標進行（見圖6）。

加工內燃機車柴油機曲軸的數控設備及產品

曲軸（見圖7）是屬于形狀不規(guī)則的細長軸零件，主軸頸和連桿頸尺寸精度以及形位公差和位置公差要求比較高，產品零件要達到工藝要求，對于曲軸加工磨床設備來講，能夠加工長度超過6m、質量超過5t的工件，工件的主軸頸和連桿頸表面粗糙度值要達到Ra=0.4～0.6μm，主軸頸、連桿頸直徑公差在0.01mm，主軸頸和連桿頸直線度在0.01mm/200mm，連桿頸圓柱度0.015mm，連桿頸分度±15″的技術要求，并且能加工不同角度和不同偏心量的連桿頸磨削的大型曲軸磨床的要求就更難了。雖然主軸頸和連桿頸的中心線不是連續(xù)的，但是它必須在同一母線且平行，并做到差值要小，這對設備要求極高。

目前加工設備的現狀和加工工藝。大型曲軸在磨床上加工的工藝流程按照設備本身的加工功能和形式有兩種方法，加工磨削主軸頸和連桿頸是分兩種機型和兩種工藝分開實施的，這主要是受到設備結構的限制和功能約束。磨削主軸頸是選擇在大型普通外圓磨床上進行的，曲軸旋轉運動是依靠外圓磨床的頭架單邊驅動的形式，在兩頂尖和中心架的支撐下，逐擋對主軸頸進行磨削，在磨削主軸頸的過程中，產品的尺寸精度和技術要求都有人工的直接干預，特別是對中心架兩個方向支撐力量的控制，這就要看操作工人的熟練掌握程度（見圖8）。

普通標配的外圓磨床是不能夠加工曲軸的連桿頸的，在加工磨削連桿頸直徑時，只能選擇專用的曲軸磨床來進行加工。這種曲軸磨床的頭尾架卡盤是可以以頭尾架中心軸線為基準的，按照曲軸主軸頸和連桿頸的沖程偏心量進行調整，使頭尾架卡盤夾持連桿頸的中心圍繞頭尾架主軸的旋轉中心，對連桿頸直徑進行磨削加工。

圖6 機體在測量平臺上檢測

圖7 內燃機車柴油機曲軸

圖8 曲軸在普通磨床上加工

因為曲軸技術設計的原因，存在著比較大的偏心，如果不采取措施，曲軸在加工旋轉中會存在不均勻的運轉現象并產生有離心力，從而使磨削加工的表面粗糙度受到影響。所以在機床的頭尾架后側都配制了配重裝置，通過觀察頭尾架的驅動電機電流的情況進行調整，改善和均衡頭尾架的旋轉穩(wěn)定性。

因為曲軸本身結構的原因，在頭尾架同時夾緊曲軸兩頭時，頭尾架在旋轉時不同步就會造成曲軸的扭曲而影響加工精度。目前為了保證頭尾架的同步，曲軸磨床頭尾架的傳動方式有兩種，一是通過同步軸傳遞，即頭架作為主傳動，經過一系列的傳動鏈傳遞到尾架，使它們實現曲軸磨床的頭尾架卡盤同步，保證曲軸在運轉過程中不造成扭曲。這種傳遞的方式制造成本低，但不可避免地存在機械傳動鏈過長的問題，有間隙和磨損的現象，給調整帶來諸多的不便。二是利用頭尾架旋轉作為兩軸的數控同步技術，使頭尾架在旋轉過程中的旋轉誤差達到最小。有的制造廠家在采用了頭尾架旋轉作為二軸的數控同步技術后，為了防止因設備故障和突然停電造成頭尾架失步，導致設備損壞以及造成產品報廢等情況的出現，把砂輪電機突然停電后的大直徑砂輪慣性當作發(fā)電機使用，把發(fā)出的電提供給頭尾架電機，作為臨時電源，臨時保持頭尾架能夠在短時間內有旋轉的空間，防止故障的擴大。同時為防止頭尾架電器系統本身的故障而引起的失步，在頭尾架機械部分設計有超越離機構作為保護裝置，在實際運行中，因頭架調速系統模板故障形成頭尾架失步3°，正因為在該裝置的作用下防止了故障的進一步擴大（見圖9）。

圖9 頭尾架同步曲軸磨床

上述曲軸是經過兩種磨床的磨削方法和兩次裝夾后完成的產品。由于經過兩次裝夾，主軸頸中心線和連桿頸中心線的平行直線度精度是難以控制和保證的。為了能夠實現一次裝夾完成全部主軸頸和連桿頸的磨削，隨著數控技術的發(fā)展和機床功能部件水平的提高，目前國外已經有隨動磨削曲軸的新設備和先進的磨削工藝，它只要在同一臺機床上通過一次夾裝就可以同時磨削加工曲軸主軸頸和連桿頸，而不需要再用兩臺不同的設備依次分別對曲軸主軸頸和連桿頸進行磨削。該設備在電器系統上設計成全數控控制、全閉環(huán)反饋測量的控制模式，在機械設計上打破傳統磨床的結構分布，把原來頭尾架和工件Z軸移動更改為砂輪架移動而頭尾架及工件固定不動，因而床身長度就可以設計較短，由于采用了X橫向滑臺原理，就可以克服和消除因工件移動而造成的機床變形等諸多因素，并且還增強了機床的剛性。因設計結構的不同，從而磨削方法也不同于一般的傳統曲軸磨床，它的主軸頸磨削采用切入式磨削法，連桿頸的磨削采用切入式隨動磨削法（見圖10）。

圖10 數控隨動曲軸磨

采用數控隨動曲軸磨的磨削工藝，解決了因兩次裝夾后主軸頸中心線和連桿頸中心線的不重合、不平行且直線度超差的關鍵問題。這種設備在國外也沒有幾家能夠生產，在我國也只有個別廠家在試生產。

加工內燃機車柴油機缸頭的數控設備及產品

圖11 柴油機缸頭及設備

柴油發(fā)動機缸頭（見圖11、圖12和圖13）是典型的箱體零件，在這種型號缸頭里裝有4個閥門，即進排氣門。要求氣門芯（即氣閥）在凸輪軸的作用下，閥門閥面開啟、關閉、密封性能及接觸面良好，而且閥桿孔長度較長，又要與閥桿閥門保持同心度，這就要求加工的設備具有：工作臺B軸回轉精度誤差＜6″，主軸中心線要與工作臺保持較好的平行度，使加工的產品能夠達到工藝要求。根據使用的經驗，最好選用正T形床身的臥式加工中心，因為閥桿孔型腔比較復雜而且孔比較長，長短刀具換刀頻率高，一次一把刀是完成不了加工程序的，因此就要求臥式加工中心工作臺的基面與主軸中心線，無論在任何位置都要保持平行，不因立柱長時間作Z軸前后向的動作，造成主軸中心線變化而影響直線度和閥桿孔型腔的同心度。因立柱底面長期移動而造成磨損使產品精度超差0.15mm，從而引起閥桿和閥門發(fā)生密封性能差及閥桿斷裂的現象，降低燃燒室的爆發(fā)力和柴油機的做功功率。

圖12 柴油發(fā)動機缸頭總成

在生產現場經常會碰到產品不合格的情況，就要認真分析造成的原因和正確處理的方法，不但要從操作工、加工工藝著手，而且也要考慮到因設備、結構的不合理所造成的超差現象。