火车车轴车削加工表面质量问题分析及对策

2019-03-29鲁元和张彦臣

科技创新与应用 2019年4期

鲁元和　张彦臣

摘要：在大量调研的基础上，对火车车轴零件在粗车、半精车、精车等三个车削工序中出现的主要表面质量问题进行了分析，提出了针对产生质量缺陷的不同原因的对策，保证了火车车轴的车削质量，为后续磨削加工打下良好的基础。

关键词：火车车轴；车削加工；表面质量；分析与对策

中图分类号：TG51 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）04-0028-04

Abstract： On the basis of a large number of investigations， this paper analyzes the main surface quality problems of the train axle parts in the three turning processes of rough turning， semi-finishing turning and finishing turning， and puts forward some countermeasures for the different causes of the quality defects. This guarantees the turning quality of the train axle and lays a good foundation for the subsequent grinding.

Keywords： train axle； turning process； surface quality； analysis and countermeasure

前言

火车车轴是铁道车辆行走部分的关键零件，其加工工艺复杂、加工精度要求高，其中，车轴轴颈、防尘板座、轮座等部位的加工质量好坏直接影响车辆的运行品质，保证各部的车削尺寸公差和形位公差，是车轴整个加工过程中最关键的质量控制点。

对货车车轴工艺分析、加工工艺方法及制造工序中容易产生的质量问题有阐述[1]，但是不够全面。对车轴磨削工序中容易出现的波纹、烧伤等缺陷进行分析的较多[2][3]，其中车削特别是精车产生的质量缺陷是产生磨削缺陷的主要原因之一，如果车削产生的质量缺陷如刀花、波纹、形状误差等较为明显，那么到磨削时将难以根除这些缺陷，所以保证车削质量是保证磨削质量乃至整个车轴加工最终质量的基础，加强车轴车削质量控制至关重要。

文献[4]从工件装夹、机床辅具、工艺方法、刀具选用和切削参数等方面采取措施，研究了车轴车削加工工艺，本文侧重分析车轴表面质量问题及其控制。

1 车轴车削加工表面质量问题

面对各种铁道车辆及世界各国标准，车轴结构有多种形式，不管哪种结构形式，火车车轴的所有外圆面均要车削，其中，三颈（轴颈、轮座、刹车盘座）需半精车、精车，轴身需半精车，车轴结构示意图见图1。

根据制造车间的现场加工总结，可以将车轴车削加工过程中常见的表面质量缺陷归纳于表1。

2 车轴粗车质量问题分析及对策

车轴的所有外圆面均要粗车，只是轴径、轮座、刹车盘座这三径和轴身的粗车质量对后续精车和磨削质量有影响，对于这三个部分出现的粗车质量问题必须及时解决。

2.1 外圆表面出现黑皮、表皮折叠

车轴圆周外表面经过粗车后出现目视就能见到的黑皮（如图2所示）、表皮折叠（如图3所示），经过分析研究，可以判定表面出现黑皮是因为锻造的轴坯弯曲度过大或因为粗车时所定中心孔相对于大部分轴身偏心所致，表皮折叠基本为锻造缺陷所致。

产生上述缺陷的原因显而易见，应该及时采取的对策是，提高锻造水平减少锻造折叠和轴坯弯曲度，可能的情况下，在轴坯制造工艺中，增加车轴毛坯矫直工序以减少粗车后黑皮的产生。

针对车轴锻坯，研究中心孔加工机床增加找正功能的方法，给机床制造厂家提出合理化建议，如果针对每一个车轴锻坯个案，中心孔加工机床能根据轴坯实际圆度，先找到能最大限度地利用材料的中心孔位置，再打中心孔，那么将大大减少粗车黑皮缺陷。目前采取较为笨拙的改进方法是，在中心孔加工机床上每旋转车轴毛坯60度，在轴坯两端面上分别画一个中心点，以各端面上的三个点的中心点作为打中心孔的位置，黑皮缺陷明显减少。

另外，合理分配车轴三颈和轴身的直径及长度的锻造比例，可以在不增加车轴毛坯直径（即材料量）的情况下明显减少黑皮。

2.2 车轴端面损伤

车轴端面损伤见图4所示，压痕深浅不同，这是由于顶爪设计不合理致使顶爪打滑造成的。

原来所采用的车轴装夹用顶爪，没有沿中心向外呈放射状排列、顶爪高度不一致，部分顶爪没有顶住车轴端面。

经过几次改进，装夹顶爪的新结构如图5所示，六个装夹顶爪装上安装盘后的新结构如图6所示。

装夹车轴后，项爪沿中心向外呈放射状排列，顶爪基本不再打滑。加工前应检查顶爪排列，加工后检查车轴端面的顶爪痕迹，如果不是放射状的6个顶爪浅痕，或顶爪深浅不一，应及时更换新结构顶爪。

2.3 外圆表面振刀纹

外圆表面振刀纹见图7a所示，车轴锻坯局部加工余量大或弯偏是其主要原因。

某VE914车轴锻造毛坯至粗加工余量如图8所示，经过粗车试刀，发现车轴锻造毛坯軸径处留给粗加工的半径单边余量为8mm，防尘板座处为斜角处理，此处局部加工余量较大，防尘板座引锥处最大加工余量达到28mm，已远远超出粗加工机床及刀具所能承受的加工范围（该范围一般设定为10-12mm），需要改进加工程序。

根据图8所示余量分布，改进加工防尘板座引锥处的程序，增加程序加工刀数，由原来的一刀加工改为三刀加工，每刀切削余量为10mm。改进后的车轴表面粗糙度明显提高，全部达到图7b正常加工的质量。

对于明显弯偏的车轴锻坯，只有将其剔出，编制对应的程序单独加工。

3 车轴半精车质量问题分析及对策

3.1 轴身表面粗糙度不够

轴身表面粗糙度不够的主要原因是，走刀程序、刀具选用与要求不匹配。选用几款刀具进行试用，选取最优的，对应选用的刀具编写适合的加工程序。

比较肯纳和厦门金鹭两种可转位机夹刀片（型号均为DNMG150608），在CKA6136数控车床上加工VE914车轴试件，加工过程中，调整采用不同的稍变的进给速度、切削线速度，切深为1-2mm，轴颈、轮座为一片刀先后加工，试验完成后采用TR200手持粗糙度仪测试加工表面粗糙度值见表2。

检查加工粗糙度，发现进给速度对车轴车削加工表面粗糙度的影响较为明显，考虑刀具消耗及加工效率，最优进给速度取0.2-0.3mm/r、切削线速度取150-200mm/min，表面粗糙度为Ra 1.65-3.1。同等加工参数下，肯纳刀具比厦门金鹭刀具加工的粗糙度要好些，刀具消耗基本相同，故刀具优先选用肯纳DNMG160508刀片加工。

3.2 轴身跳动量大

加工轴身时，原加工工艺中是以粗车的轴颈来定位的，而粗车后的轴颈与轴中心孔不同心，故轴身表面跳动量大。

先进行半精车三颈（轴颈、轮座、刹车盘座），半精车后的轴颈与中心孔同心，以半精车后的轴颈为轴身加工定位基准来加工轴身，满足了轴身圆跳动形状公差的要求。

3.3 残余刀花流入下工序

防止残余刀花流入下工序最有效的办法是，在上道工序加工时及时发现。消除车轴表面的明显刀具切削划痕，可通过加强工序检查减少此类缺陷的发生。如不慎流入下道工序，根据工序的加工余量确定处理方式，如果单边加工余量大于0.1mm，可通过机加工即再进尺加工一刀直接消除；如单边加工余量小于0.1mm，需人工打磨消除缺陷，再进行本道工序的加工。

3.4 半精车后出现圆环状铁圈

半精车后有圆环状铁圈，如图9所示。

轴身圆弧与轮座夹角接近90°，车削加工轮座时形成碾压无法断屑，在车轴轴身上残留未断屑的圆环，加工接近轮座时，由于刀具对未加工部位形成挤压，切削进给速度快，阻力大，挤压明显，形成的挤压瘤明显，如图10所示。

改变轮座末端处的加工进给速度，即由0.2-0.3mm/r 减小为0.1-0.15mm/r，可降低铁圈产生率，即使偶尔产生环状圈，厚度较薄，可轻易用钳子夹断。

4 车轴精车质量问题分析及对策

粗车和半精车的质量控制得好，精车的质量就容易控制了。

精车出现的主要表面质量问题是，磨削车轴后轮座引入段时发现车轴偏心，究其原因是车轴精车时车轴中心孔偏心、或卡盘偏心、或卡盘磨损严重、或加工时顶尖及卡盘爪垫有异物附着，所以在精车前要仔细检查，必要时更换卡盘或者更换顶尖，并认真清理干净卡盘爪内侧面和顶尖。

5 结束语

车轴表面车削过程中产生表面黑皮、折叠、振刀纹、刀花、划痕等质量缺陷的原因较多，常常是多种因素相互交叉，综合影响，准确的找到对症原因并解决问题是有一定的难度的，以下结论希望对相關制造有所帮助。

提高轴坯锻造质量减少锻造缺陷和轴坯弯曲度能减少粗车表面折叠的发生，打正粗车中心孔有利于明显减少粗车黑皮；采用装夹顶爪新结构消除了车轴端面损伤；增加加工刀次以消除加工余量过大产生的粗车加工表面振刀纹。

选用合适的刀具和进给速度保证了半精车的粗糙度要求；以半精车后的轴颈为轴身加工定位基准来加工轴身，满足了轴身圆跳动形状公差的要求；提前发现上道工序的残余刀花，以防其流入下道工序；半精车时，减小轮座末端处加工进给速度，可降低切屑铁圈的产生。精车前检查消除引起车削和磨削偏心的因素。

参考文献：