高振興，鄭小花

(中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

隨著我國(guó)軌道交通的高速發(fā)展，對(duì)軌道交通車輛性能的要求越來(lái)越高，作為走形部件轉(zhuǎn)向架的車輪質(zhì)量尤為關(guān)鍵，如果車輪出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，將發(fā)生難以估量的后果。例如某車型轉(zhuǎn)向架車輪內(nèi)孔尺寸為φX(0，+0.052)mm，表面粗糙度為Ra1.6。目前加工車輪內(nèi)孔時(shí)主要存在裝夾定位時(shí)間長(zhǎng)、刀具使用壽命短、內(nèi)孔測(cè)量尺寸不準(zhǔn)確等問(wèn)題。本次研究從車輪正確快速裝夾定位和校正、刀具和切削參數(shù)合理選擇、選擇正確的量具及測(cè)量方法等多方面開(kāi)展，確保加工的車輪內(nèi)孔滿足設(shè)計(jì)尺寸要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1 車輪加工工藝難點(diǎn)

圖1的某車型轉(zhuǎn)向架車輪內(nèi)孔尺寸公差要求為φXH6(0，+0.052)mm，圓柱度要求在0.02 mm以內(nèi)，表面粗糙度要求Ra1.6，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中主要存在以下難點(diǎn)。

1)由于車輪內(nèi)孔圓柱度要求是0.02 mm，在車輪裝夾定位時(shí)首先需要保證車輪外側(cè)輪輞面定位在同一水平面上，平面度誤差在0.02 mm以內(nèi)，車輪定位精度高。因此，選擇合理的工裝夾具尤為重要。

2)車輪內(nèi)孔尺寸精度在0.052 mm以內(nèi)，加工精度要求高，且每天約加工40件車輪，因此須選擇合理的切削刀具。

3)車輪內(nèi)孔精度高，在測(cè)量時(shí)應(yīng)消除量具本身對(duì)車輪內(nèi)孔尺寸的影響。

圖1 車輪內(nèi)孔尺寸示意

2 車輪加工過(guò)程中產(chǎn)生誤差的原因

車輪內(nèi)孔加工后實(shí)際幾何參數(shù)與理想幾何參數(shù)之間的符合程度即為加工精度。通過(guò)分析影響加工誤差的各種因素及其存在的規(guī)律，可以幫助找到減少加工誤差、提高加工精度的合理途徑。車輪內(nèi)孔加工過(guò)程主要受5種因素影響。

1)加工工藝誤差。加工工藝對(duì)工件加工精度的影響至關(guān)重要，加工工藝中規(guī)定加工工藝所需要的設(shè)備、刀具、參數(shù)、工具、操作人員、加工工序流程，加工過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)選定都直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。

2)定位誤差。車輪的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與加工時(shí)的工序基準(zhǔn)不重合時(shí)，將產(chǎn)生定位誤差。

3)調(diào)整誤差。在機(jī)械加工的每一工序中，須對(duì)工件進(jìn)行不同程度的調(diào)整。由于調(diào)整不可能絕對(duì)準(zhǔn)確，因而產(chǎn)生調(diào)整誤差。

4)刀具的幾何誤差。刀具的幾何誤差對(duì)工件的加工精度有直接的影響，尤其是數(shù)控加工，工件加工程序都是按照刀具的理論尺寸進(jìn)行編程。如果刀具的尺寸有誤差，將導(dǎo)致加工出來(lái)的零件產(chǎn)生相應(yīng)的誤差。

5)受熱變形產(chǎn)生的誤差。熱變形對(duì)工件加工精度的影響較大，特別是精密加工和大工件加工中，由熱變形所引起的加工誤差可占工件總誤差的50%。機(jī)床、刀具和工件受到各種熱源的作用，溫度會(huì)逐漸升高，同時(shí)通過(guò)各種傳熱方式向周圍的物質(zhì)和空間散發(fā)熱量。

3 保證車輪內(nèi)孔加工精度的技術(shù)方案

3.1 正確的裝夾方式

工件的正確裝夾方式往往能夠達(dá)到事半功倍的效果，車輪質(zhì)量約900 kg，如果直接校正裝夾，在加工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)車輪跳動(dòng)甚至飛離的情況。大批量連續(xù)生產(chǎn)是現(xiàn)場(chǎng)加工的特點(diǎn)。因此，應(yīng)采用設(shè)計(jì)專用夾具(見(jiàn)圖2)，這樣就減少更換，降低調(diào)整誤差；針對(duì)不同車輪，在工作臺(tái)上增加不同尺寸的等高墊；采用4個(gè)等高墊保證車輪裝夾在同一平面上，且等高墊高度差須保證在0.02 mm以內(nèi)等措施，才能保證車輪平面度。

圖2 夾具和等高墊

加工前，將車輪吊上工作臺(tái)，并使車輪外側(cè)面靠貼在等高墊上，用千分表校正車輪踏面，校正誤差在0.02 mm以內(nèi)。

為對(duì)比使用專用夾具和等高墊與未使用專用夾具和等高墊對(duì)車輪內(nèi)孔加工的裝夾定位時(shí)間和加工后質(zhì)量的影響，分別統(tǒng)計(jì)了100個(gè)該項(xiàng)目車輪內(nèi)孔的加工情況，具體情況如圖3所示。

圖3 車輪裝夾定位所用時(shí)間和車輪內(nèi)孔返工數(shù)量對(duì)比柱狀圖

通過(guò)對(duì)比分析，使用專用夾具和等高墊，每件車輪裝夾定位時(shí)間縮短12 min，裝夾效率提高60%；每100件加工的車輪內(nèi)孔返工數(shù)量減少4件，一次性加工合格率從94%提升至98%。

3.2 合理選擇刀具參數(shù)及切削參數(shù)

3.2.1 刀具優(yōu)化

車輪內(nèi)孔粗加工中選用42210HO刀片(見(jiàn)圖4)，由于車輪內(nèi)孔單邊加工量為2～3 mm，加工量較大，且加工過(guò)程中鐵屑不斷屑，易產(chǎn)生積屑瘤，在加工油槽車削時(shí)刀片容易蹦韌，造成刀片極大的浪費(fèi)，甚至?xí)斐绍囕唸?bào)廢。通過(guò)工藝分析對(duì)刀片進(jìn)行改進(jìn)，即對(duì)刀片重新開(kāi)刃(見(jiàn)圖5)，改變刀具前角，減少加工過(guò)程中的切削變形和切削力，抑制積屑瘤的產(chǎn)生，使加工產(chǎn)生的鐵屑斷屑。

圖4 原刀片

圖5 修改刀具前角后的刀片

為了對(duì)比刀具優(yōu)化前后對(duì)車輪內(nèi)孔加工的影響，分別統(tǒng)計(jì)了100件刀片可加工車輪內(nèi)孔的平均數(shù)量，具體如圖6所示。

圖6 每件刀片可加工車輪內(nèi)孔數(shù)量的對(duì)比柱狀圖

通過(guò)修改刀具前角解決了刀片過(guò)油槽時(shí)蹦韌的問(wèn)題，原來(lái)每個(gè)刀片可加工3件車輪內(nèi)孔，優(yōu)化后的刀片可加工9個(gè)車輪內(nèi)孔，刀具壽命提高3倍。

3.2.2 切削參數(shù)優(yōu)化

車削ER8材質(zhì)的車輪內(nèi)孔：切削速度150 m，吃刀深度1.5 mm，進(jìn)給0.5 mm/轉(zhuǎn)，刀尖圓角R1.2。則車削表面最大粗糙度=0.5×0.5/1.2/8×1 000=26.04 μm，那么Ra=最大粗糙度/10=2.6 μm，為考慮加工效率，因此選用了帶修光刃的刀片，粗糙度會(huì)降低1/2(約Ra1.3)。由此可以保障車輪內(nèi)孔粗糙度符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 合理選擇和使用切削液

粗車、精車加工時(shí)，選用潤(rùn)滑性能好的乳化液或切削油，連續(xù)、充分地澆注，可以減小刀具與切屑、刀具與工件過(guò)渡表面之間的摩擦，主要是降低切削溫度、減小了切削變形，改善已加工表面的質(zhì)量和提高刀具使用壽命。同時(shí)工件不受切削熱的影響降低工件變形量。在粗車、精車時(shí)，用冷卻液與不用冷卻液的比較，如表1和表2所示。

從表1和表2中可以看出，在相同的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量時(shí)，選擇不同的切削深度，使用冷卻液與不用冷卻液工件變形量有明顯差異。

表1 粗車、精車切削不用冷卻液加工數(shù)據(jù)表

表2 粗車、精車切削使用冷卻液加工數(shù)據(jù)表

3.4 正確選擇量具

車輪內(nèi)孔原采用內(nèi)徑千分尺(見(jiàn)圖7)測(cè)量，由于內(nèi)徑千分尺上沒(méi)有測(cè)力裝置，測(cè)量壓力的大小完全靠感覺(jué)，且測(cè)量時(shí)很容易出現(xiàn)如圖8所示的錯(cuò)誤位置，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確；同時(shí)因操作者接觸量具導(dǎo)致測(cè)量尺受熱變形而影響測(cè)量精度。當(dāng)內(nèi)孔錐度小于0.005 mm時(shí)，無(wú)法確定車輪內(nèi)孔是否保證了順錐。且車輪內(nèi)孔尺寸的測(cè)量點(diǎn)為內(nèi)側(cè)孔口往下25 mm的位置，測(cè)量位置不易確定。

設(shè)計(jì)車輪內(nèi)孔尺寸測(cè)量專業(yè)量具，避免操作者直接與量具接觸，同時(shí)固定測(cè)量深度，從而準(zhǔn)確、快速地測(cè)量出車輪內(nèi)孔尺寸。

圖7 內(nèi)徑千分尺

圖8 內(nèi)徑千分尺測(cè)量的錯(cuò)誤位置

圖9 改善后使用的量具

為對(duì)比量具優(yōu)化前后對(duì)車輪內(nèi)孔尺寸測(cè)量的影響，使用2種量具分別測(cè)量100件車輪內(nèi)孔，測(cè)量數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 量具優(yōu)化前后測(cè)量車輪內(nèi)孔時(shí)間和復(fù)量對(duì)比柱狀圖

通過(guò)對(duì)量具的優(yōu)化，每件車輪內(nèi)孔的測(cè)量時(shí)間由60 s縮短至30 s，測(cè)量效率提升50%，車輪內(nèi)孔一次性測(cè)量合格率從90%提升至99%，保證了測(cè)量效率和測(cè)量準(zhǔn)確性。

3.5 正確的測(cè)量方法

溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大，車輪的精密測(cè)量一定要使車輪和量具都在20℃的情況下進(jìn)行，一般可在室溫下進(jìn)行測(cè)量，但必須使工件與量具的溫度一致，否則，由于金屬材料的熱脹冷縮的特性，使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。測(cè)量前應(yīng)把量具的測(cè)量面和車輪的內(nèi)孔都要揩干凈，以免因有臟物存在而影響測(cè)量精度。測(cè)量?jī)?nèi)孔時(shí)，須采用“十字”交叉方式，沿內(nèi)孔深度方向測(cè)量3個(gè)截面直徑尺寸，根據(jù)測(cè)量值可分析出直徑尺寸、圓柱度、錐度等是否均在合格范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)車輪內(nèi)孔加工工藝分析和研究，優(yōu)化了車輪的裝夾和定位方式，使用專用夾具和等高墊，每件車輪裝夾定位時(shí)間縮短12 min，裝夾效率提高60%；改變車削內(nèi)孔刀片的前角，使刀片壽命延長(zhǎng)了3倍；在加工過(guò)程中不斷澆注切削液，減少加工過(guò)程中的變形量；使用車輪內(nèi)孔測(cè)量專用量具，每件車輪內(nèi)孔的測(cè)量時(shí)間由60 s縮短至30 s，測(cè)量效率提升50%，車輪內(nèi)孔一次性測(cè)量合格率從90%提升至99%；測(cè)量車輪內(nèi)孔時(shí)采用正確的測(cè)量方法等措施。通過(guò)以上幾種措施解決了車輪內(nèi)孔加工過(guò)程中的工藝難點(diǎn)，車輪內(nèi)孔加工合格率為99.9%，同時(shí)為后續(xù)同類產(chǎn)品的生產(chǎn)積累了制造經(jīng)驗(yàn)。