摇枕组合加工机床的研制

彭彦虎，东伟，刘涛，王春雷

中车石家庄车辆有限公司 河北石家庄 050000

1 序言

摇枕（见图1）是铁路货车转向架的主要构成部件之一，铸造完成后需要对相应的心盘面440mm×490mm铣削加工；心盘螺栓孔8×φ23mm和安全链吊座孔4×φ17mm钻加工。由于工件原始定位面均为毛面，心盘面为铸造冒口位置，使用通用机床加工存在定位难度高、切削余量大（一般在7～15mm）和加工效率低等困难，所以无法经济地实现大批量加工，有必要设计专用机床进行生产。在充分调研论证的基础上，我们结合公司当时年产4000辆份（8000件）摇枕的需要，设计制作了摇枕组合加工机床。

图1 摇枕

2 主要技术参数

摇枕组合加工机床主要技术参数见表1。

表1 摇枕组合加工机床主要技术参数

3 主要结构及特点

摇枕组合加工机床由机体、铣削动力系统、铣削进给系统、12孔钻钻削系统、上料与夹紧装置等组成，如图2所示。机体为多个焊接箱体通过连接板、钢管支撑、螺栓组装而成的框架结构；铣削动力系统主要包括1T X50铣削头和X217-520-2铣刀盘，铣削进给系统采用H Y63液压滑台，共同完成铣削动作；12孔钻钻削系统主要包括动力箱、12孔钻箱、12孔钻模及钻头、配重组成、1H J B50机械滑台组成，共同完成12孔钻削动作；上料与夹紧装置由2个上（下）料工位、2个上（下）料定位小车和1套夹紧工装组成。

图2 摇枕组合加工机床

3.1 机体

机体主要由基座组成、铣头立柱组成、12孔钻立柱组成及连接板通过螺栓联接组成一个整体框架结构，以保证足够刚性，用于承载工件，抵消铣削加工、钻削加工抗力。各构件均采用20mm厚碳素结构钢钢板焊接而成，内部合理布置隔板，保证结构刚性；焊后进行了整体时效处理，消除焊接残余应力，以减小后续可能的应力变形对设备加工精度的影响；各安装面进行了找平粗加工。

3.2 铣削动力系统和铣削进给系统

摇枕工件材质为B级钢（ZG25MnNi），各元素含量：w（C）≤0.28%，w（Si）≤0.40%，w（Mn）≤1.00%，w（P）≤0.040%，w（S）≤0.040%，w（Cu）≤0.30%，w（Ni）≥0.30%。被加工材料性能参数：σb≥485MPa，σs≥260MPa，δ4≥24%，ψ≥36%，AKV ≥20J（-7℃）。

KFz＝KSV×铣削速度系数＝0.9×0.88＝0.792。

根据设计节拍优选切削参数：铣削深度aP＝7mm，每齿进给量af＝0.06mm/齿，铣削宽度aw＝490mm，齿数Z＝26，铣刀盘直径d0＝520mm。分两层切削：铣削力Fz＝＝7750×(7/2)1.1×0.060.75×4901.1×26×0.792/（5201.3×630.2）＝8892（N），铣削扭矩M＝Fzd0/（2×1000）＝8892×520/（2×1000）＝2312（N·m），铣削功率Pm＝Fzv/（6×10000）＝8892×102.9/（6×10000）＝15.25（kW）。

根据切削参数计算结果，选取功率15kW的1TX50铣削头[3]和X217-520-2铣刀盘[2]进行铣削，选取HY63滑台[4]进行铣削进给，均能够满足设计要求。

3.3 12孔钻钻削系统

12孔钻钻削系统主要由动力箱、12孔钻箱（见图3）、12孔钻模及钻、1HJB50液压滑台组成。动力箱通过主轴输出动力给12孔钻箱，在12孔钻箱内经过齿轮传动分别传递给12根钻轴提供旋转动力。钻箱分两层设计，上层为齿轮箱，下层为油池，润滑油通过液压泵进行强制循环和飞溅润滑，润滑效果良好，并能保证整个钻箱快速同温。钻杆上设置有甩油盖和挡油套，利用离心作用，防止润滑油通过钻杆泄漏。12根钻杆长度方向分三层布置，保证同时只有4根钻头参与切削，减少了切削抗力，降低了动力箱功率需求。为保证12个孔的孔距尺寸公差，钻箱下设计有钻模，用于控制钻头相对位置精度，钻模通过导柱导套与钻箱相连，保证钻头进给过程中，钻套与工件距离不变。钻箱通过动力箱与1H J B50机械滑台相连，实现钻削进给。

图3 12孔钻箱示意

3.4 上料与夹紧装置构成

上料与夹紧装置分为五部分，左右各有1个上（下）料工位，2个上（下）料定位滑车和1套夹紧工装。夹紧工装固定在HY63液压滑台上，用限位块实现上（下）料定位滑车在滑台上的限位，夹紧工装底部有2个液压缸，推动楔块顶起装置处于顶起状态，采用4个液压缸和杠杆装置把工件与滑车一起定位夹紧后，随液压滑台向前移动实现铣削进给；切削完成后，液压缸推动楔块顶起装置落下，实现让刀，防止液压滑台快退时刀具划伤工件。左右各一个上（下）料工位，可以实现1个工件加工的同时，进行上（下）料、找正作业，缩短了工作节拍。两个工位设有独立的基础，避免上下料时震动对切削精度产生影响。上（下）料定位滑车以弹簧承台面为水平毛基准，由4个支撑钉定位，其中3个上平面调整至与HY63滑台平行后锁死，第4个高低可手动微调，保证支撑受力面足够稳定；以摇枕八字面为纵向中心毛基准，采用弹性支撑上加“八”字形滚轮实现自动找正；以摇枕L尺寸定位面为横向中心毛基准，通过与滑车上的定位块比较，保证工件中心与滑车中心重合。

3.5 液压系统

整台机床采用1套液压站，设计压力25MPa，分别为HY63液压滑台、液压夹紧装置、铣削头液压让刀装置提供液压动力。实现HY63液压滑台的快进、工进、工退、快退动作；实现液压夹紧装置中6个液压缸的顶起、落下、夹紧和松开动作。

3.6 电气控制系统

整台机床采用1套电气控制系统，采用PLC编程控制，共100个输入/输出点。工件上料夹紧后，能够配合接近开关完成自动铣削、钻削动作，具有多项联锁、互锁设计，保证了整个系统的运行安全。

4 设计及使用情况

该装备自2004年12月底通过公司设计方案评审，2005年2月中旬完成蓝图下发，6月制造完成投产使用。通过1个月的人机磨合，加工节拍最终稳定在15min/件，双班日产达到了25辆份的生产能力，为公司顺利实现年产4000辆份大部件目标提供了坚实的装备保障。

本设计采用定柱吊人工上料，加工流程：左侧小车上料→工件与小车附带夹具对正→小车推入钻削工位→小车与钻削工位左右找正夹紧→启动铣削加工→自动让刀退刀回到钻削工位→钻削加工→钻削退出→松开工位夹具退出小车→左侧小车下料。其中，第6步自动让刀退刀期间，操作人员可进行右侧小车上料及找正工作。相对于常用的铣、钻分体式设计，本设计减少上、下料及找正各1次，可减少机床操作人员1人，铣、钻定位误差为0，效率相当高，且结构紧凑，占地面积小，具有明显的经济效益优势。

由于该设计采用了项目制的组织模式，合理地制订了设计计划，采用了并行设计和模块化设计思路，优选了标准动力头和标准滑台，所以不仅降低了设计工作量30%以上，缩短了设计和制作周期，而且施工质量也得到了有效保证，圆满地完成了公司项目计划。

5 结束语

铁路机车车辆产品具有专用性强、升级换代周期较长及生产批量大的特点，比较适合专用的组合机床进行生产。随着铁路转向架技术的更新换代，K2型摇枕逐步被K4、K6等新技术产品替代，但是由于相关产品外形、材质变化不大，通过钻箱、钻模尺寸微调设计即可用于相关产品的生产，所以本设计方案对目前相关产品的加工仍然具有借鉴意义。