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        某車型轉(zhuǎn)向架車輪內(nèi)孔加工工藝]分析及優(yōu)化研究

        2022-09-23 09:18:54高振興鄭小花
        技術(shù)與市場 2022年9期
        關(guān)鍵詞:量具內(nèi)孔裝夾

        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

        隨著我國軌道交通的高速發(fā)展,對軌道交通車輛性能的要求越來越高,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)孔時主要存在裝夾定位時間長、刀具使用壽命短、內(nèi)孔測量尺寸不準(zhǔn)確等問題。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量方法等多方面開展,確保加工的車輪內(nèi)孔滿足設(shè)計尺寸要求,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,在測量時應(yīng)消除量具本身對車輪內(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)孔加工過程主要受5種因素影響。

        1)加工工藝誤差。加工工藝對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)計基準(zhǔn)與加工時的工序基準(zhǔn)不重合時,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,須對工件進(jìn)行不同程度的調(diào)整。由于調(diào)整不可能絕對準(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,溫度會逐漸升高,同時通過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,在加工過程中會出現(xiàn)車輪跳動甚至飛離的情況。大批量連續(xù)生產(chǎn)是現(xiàn)場加工的特點(diǎn)。因此,應(yīng)采用設(shè)計專用夾具(見圖2),這樣就減少更換,降低調(diào)整誤差;針對不同車輪,在工作臺上增加不同尺寸的等高墊;采用4個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,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)。

        為對比使用專用夾具和等高墊與未使用專用夾具和等高墊對車輪內(nèi)孔加工的裝夾定位時間和加工后質(zhì)量的影響,分別統(tǒng)計了100個該項(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間和車輪內(nèi)孔返工數(shù)量對比柱狀圖

        通過對比分析,使用專用夾具和等高墊,每件車輪裝夾定位時間縮短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,且加工過程中鐵屑不斷屑,易產(chǎn)生積屑瘤,在加工油槽車削時刀片容易蹦韌,造成刀片極大的浪費(fèi),甚至?xí)斐绍囕唸髲U。通過工藝分析對刀片進(jìn)行改進(jìn),即對刀片重新開刃(見圖5),改變刀具前角,減少加工過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

        為了對比刀具優(yōu)化前后對車輪內(nèi)孔加工的影響,分別統(tǒng)計了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)量的對比柱狀圖

        通過修改刀具前角解決了刀片過油槽時蹦韌的問題,原來每個刀片可加工3件車輪內(nèi)孔,優(yōu)化后的刀片可加工9個車輪內(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)計要求。

        3.3 合理選擇和使用切削液

        粗車、精車加工時,選用潤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。同時工件不受切削熱的影響降低工件變形量。在粗車、精車時,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,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(見圖7)測量,由于內(nèi)徑千分尺上沒有測力裝置,測量壓力的大小完全靠感覺,且測量時很容易出現(xiàn)如圖8所示的錯誤位置,導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確;同時因操作者接觸量具導(dǎo)致測量尺受熱變形而影響測量精度。當(dāng)內(nèi)孔錐度小于0.005 mm時,無法確定車輪內(nèi)孔是否保證了順錐。且車輪內(nèi)孔尺寸的測量點(diǎn)為內(nèi)側(cè)孔口往下25 mm的位置,測量位置不易確定。

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

        圖7 內(nèi)徑千分尺

        圖8 內(nèi)徑千分尺測量的錯誤位置

        圖9 改善后使用的量具

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

        圖10 量具優(yōu)化前后測量車輪內(nèi)孔時間和復(fù)量對比柱狀圖

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

        3.5 正確的測量方法

        溫度對測量結(jié)果影響很大,車輪的精密測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,使測量結(jié)果不準(zhǔn)確。測量前應(yīng)把量具的測量面和車輪的內(nèi)孔都要揩干凈,以免因有臟物存在而影響測量精度。測量內(nèi)孔時,須采用“十字”交叉方式,沿內(nèi)孔深度方向測量3個截面直徑尺寸,根據(jù)測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

        通過對車輪內(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,使刀片壽命延長了3倍;在加工過程中不斷澆注切削液,減少加工過程中的變形量;使用車輪內(nèi)孔測量專用量具,每件車輪內(nèi)孔的測量時間由60 s縮短至30 s,測量效率提升50%,車輪內(nèi)孔一次性測量合格率從90%提升至99%;測量車輪內(nèi)孔時采用正確的測量方法等措施。通過以上幾種措施解決了車輪內(nèi)孔加工過程中的工藝難點(diǎn),車輪內(nèi)孔加工合格率為99.9%,同時為后續(xù)同類產(chǎn)品的生產(chǎn)積累了制造經(jīng)驗(yàn)。

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