空心车轴精加工工艺改进及加工自动化的研究应用

2013-08-14贾广跃蔡育冰张峰徐锋

机械工程师 2013年5期

贾广跃，蔡育冰，张峰，徐锋

（南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111）

1 引言

为开发研制具有自主知识产权、国际竞争力强、时速达350km/h 以上的高速列车及配套系统，提高我国高速铁路技术水平，“十一五”国家科技支撑计划启动了“中国高速列车关键技术研究及装备研制”项目［1］。空心车轴加工属高速列车生产核心制造技术，现国产动车组中的空心轴均为进口的成品或半成品，国内虽然已引进先进的车轴精加工设备，但空心车轴自动加工技术仍不成熟，基本采用半自动加工。工件自动装卸、内孔偏心、铁屑缠绕等严重影响车轴的加工质量和自动化加工，为了实现车轴精加工工艺的自动化，必须对车轴精加工工艺进行优化设计，以提高加工质量、加工效率和设备利用率。

2 工艺流程

图1 空心车轴示意图

我公司采用Teamcenter为设计及制造工艺管理平台，在这个平台下进行加工工艺文档的管理，其中空心轴零件加工程序采用NX CAM 模块进行，通过使用设备、刀具、车轴等3D模型在三维环境下进行数控程序设计，并可对车轴加工过程进行模拟仿真验证。空心车轴见图1。

车轴精加工采用车削中心，见图2，该设备具有双主轴、双刀塔、双中心架配置，刀塔带动力刀可以安装钻头、丝锥、工件测头，中心架上安装工件上料架，可以一次装夹全自动完成车轴内孔中心测量、倒角、端面加工、端面三螺孔、外圆加工。车轴精加工刀具为外圆粗车刀、外圆精车刀、螺纹车刀、钻头、丝锥、工件测头等。在NX CAM中建立工件坐标系，利用同步建模技术生成车轴毛坯，创建工序，根据不同加工方式，建立不同导轨路径。再对导轨进行仿真验证，及时发现数控程序问题。

3 半自动空心车轴工艺流程分析

以前车轴加工工艺流程为：利用普通车床车内孔倒角，纠正偏心→手工装夹车轴→外圆粗车→右侧内孔倒角、端面、三螺孔精加工→左侧内孔倒角、端面、三螺孔精加工→外圆精车。

经过研究分析，影响车轴精加工自动化因素主要有：①手动纠正内孔偏心。传统方法利用打表测量车轴内孔，通过调整中心架使车轴内孔和普通车床主轴轴线重合，再倒角，利用尾座顶紧车轴，粗车外圆达到偏心纠正目的。采用工序分散方式加工，单件车轴偏心纠正平均需要20min。②手动安装工件。手工对刀后设置工件坐标系，人工参与，手工进行平均需要10min。③铁屑影响。切削铁屑不断，易缠绕至中心架中，导致车轴报废，铁屑形状见图3。④车轴内孔残留铁屑。精车内孔倒角后，细小铁屑易残留至车轴中心倒角锥面处，尾座顶紧车轴后，导致最终精车外圆中心和内孔中心不重合，导致工件报废。⑤切削余料挡圈影响自动化加工。挡圈位置如图4。⑥刀具寿命影响。精车外圆单个刀尖仅能加工2 件车轴。刀片更换频繁，影响车轴自动化加工。

图3 铁屑缠绕

图4 车轴余料挡圈

4 自动化加工工艺研究

4.1 自动化工艺分析和工艺改进

对影响车轴自动化加工因素进行分析，逐条提出解决方案。

（1）对于手工安装工件，在中心架上设置工件安装架，在工件加工完成后，两中心架首先夹紧车轴移动至上下料工位，上料架升起并支撑车轴，中心架松开，机械手取走车轴，上料架下降至毛坯装卸位置，机械手将车轴运输至上料架上，随中心架一起移动，使车轴左侧靠近主轴中心顶紧，利用刀塔专用刀具，顶紧右侧车轴端部，两中心架夹紧，刀塔后退，达到自动安装工件目的。

（2）对内孔偏心纠正。利用车削中心的工件测头（图5 所示）自动测量车轴内孔偏心侧的偏心位置和偏心角度，自动计算偏心孔位置，再以偏心孔做基准，铣中心孔倒角，利用车削中心尾座顶尖，自动顶紧车轴，松开中心架后粗车车轴外圆，最后中心架夹紧车轴，精车中心孔。通过该工艺，可以实现偏心的空心车轴在车削中心上，自动偏心校正，为空心车轴全自动加工提供一种解决方案。

图5 工件测头

图6 倒角铣刀

（3）铁屑断屑问题。车轴材料选用EA4T，通过调制处理硬度达到260～300HB，硬度范围较大，传统方法采用R8 圆弧车刀粗车外圆见图6，通过修改切削参数方法，切削断屑效果不稳定，断屑时好时坏，R8 车刀对于圆弧处切削断屑更差。将R8 车刀更换为DDNNN 55°车刀，左右刀塔同时加工，生产效率提高20%。因采用55°粗车刀，车轴断屑效果明显，可以解决铁屑断屑问题。

（4）车轴内孔残余铁屑处理。在中心孔铣倒角工序后，增加内孔冲洗功能，利用刀塔切削液自动喷淋功能，设计数控程序，利用内孔车削刀具，对车轴端部和车轴内孔进行重新加工，解决内孔倒角处残余铁屑导致车轴报废问题。

图7 R8 外圆车刀

图8 DDNNN 55°外圆车刀

（5）切削余料挡圈问题。改变切削方式和工步顺序，利用斜面切削，将挡圈取消。

（6）刀具寿命问题。通过修改切削参数可影响刀具使用寿命，通过工序分散加工，精车采用2 把刀具可使刀片更换频次降低。

3.2 工艺验证

通过以上工艺分析，首先编制车削中心用G 代码程序，实现自动工件装夹和车轴偏心孔自动测量、偏心纠正。经现场调试，车轴从机械手安装到偏心纠正完成，仅需6min，和手工操作相比生产效率提高5 倍。利用该工艺车轴偏心量由0.3～0.8mm 自动纠正至0.3mm 以内，符合设计要求。

在使用R8 车刀时只能使用左侧刀塔，切削深度aP=3mm，转速n=280m/min，f=1mm/r，不仅加工效率低，且因车轴材料热处理后硬度不均匀，铁屑不断影响车轴自动化加工，严重影响车轴加工生产效率。通过更换DDNNN 55°刀具后，切削深度aP=3mm，转速n=280m/min，f=0.6mm/r，断屑效果明显，跟踪60 件车轴加工后未发现有铁屑缠绕现象，铁屑长度一般小于80mm，见图9。使用55°车刀通过改变切削方式，有效解决余料挡圈影响。

图9 铁屑断屑后形状

刀具寿命问题。精车外圆时，首先改变切削参数，在满足图纸要求粗糙度情况下，将转速Vc=280m/min降低至Vc=220m/min，进给量由f=0.2mm/r 提高至f=0.3mm/r，可有效提高刀具寿命25%～30%。对精车外圆进行分析，将精车外圆分为两步，增加一套刀具，平衡刀具磨损，减少刀片更换频次，工艺改进后，刀片更换可满足1次/5 件频次，最大程度实现车轴自动化运行。