分體式軸箱體軸承孔加工工藝改進(jìn)

■ 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 （山東 266111） 管益輝 陶有朋 安 迪

1. 軸箱體結(jié)構(gòu)及工藝要求

軸箱體是動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的重要部件，是連接輪對(duì)和構(gòu)架的活動(dòng)關(guān)節(jié)，可用來(lái)傳導(dǎo)動(dòng)車組在行駛過(guò)程中的牽引力、制動(dòng)力、橫向力和垂向力，并實(shí)現(xiàn)輪對(duì)與構(gòu)架的定向相對(duì)運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)動(dòng)車軸箱體多為轉(zhuǎn)臂式結(jié)構(gòu)。本文介紹的是一種新型軸箱體，如圖1所示，分上箱體、下箱體和壓蓋，通過(guò)螺栓聯(lián)接。

圖1 分體式軸箱體結(jié)構(gòu)

該分體式結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)臂式軸箱體具有如下優(yōu)點(diǎn)：①能為制動(dòng)夾鉗的安裝留出足夠空間。②密封性更好，上、下箱體設(shè)置了排水槽，可避免液體直接進(jìn)入軸箱體內(nèi)部。③極大地簡(jiǎn)化了工序，更換輪對(duì)時(shí)不需抬車，僅拆卸下箱體便可實(shí)現(xiàn)快速更換。

輪對(duì)軸箱組裝前，用螺栓將上、下箱體組裝。尺寸要求為：測(cè)量距離箱體端面一定距離下任意十字交叉的4個(gè)點(diǎn)數(shù)值，最大值滿足φ230+0.067+0.011m m，平均值滿足φ230+0.047+0.011mm。

在現(xiàn)車試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)70%左右的軸箱體均超出上差，16%直接報(bào)廢。

2. 超差原因分析

（1）試驗(yàn)內(nèi)容。為解決上述問(wèn)題，進(jìn)一步提高軸箱體加工質(zhì)量，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)6套分體式軸箱體進(jìn)行如下試驗(yàn)：①對(duì)鑄鐵材質(zhì)分體式軸箱體進(jìn)行加工試驗(yàn)，驗(yàn)證材質(zhì)對(duì)軸承孔尺寸變化的影響。②增加退火工序，驗(yàn)證是否有鑄造、粗加工及焊補(bǔ)應(yīng)力殘留，造成精加工后的軸承孔尺寸變化。③通過(guò)先噴漆后精加工試驗(yàn)，驗(yàn)證噴漆與精加工的先后順序?qū)S承孔尺寸變化的影響。④增加錐面新結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)對(duì)軸承孔尺寸變化的影響。⑤采用錐度定位銷定位，驗(yàn)證定位銷對(duì)軸承孔尺寸變化的影響。

（2）要因確定。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，確定軸承孔尺寸超差原因如下：①定位銷與定位孔間存在間隙，上、下箱體的定位孔中心距存在偏差，造成上、下箱體的重復(fù)定位精度不夠，此為主要原因。②上、下箱體薄壁厚度不均勻，存在剛度差。③加工及焊修應(yīng)力。

3. 優(yōu)化方案

分體式軸箱體組裝是通過(guò)下箱體2個(gè)定位圓銷與上箱體2個(gè)定位銷孔進(jìn)行定位安裝的。因此，分體式軸箱體軸承孔精度主要取決于定位圓銷與定位銷孔的重復(fù)定位精度，可通過(guò)以下措施提高再定位精度：

（1）改變夾緊方式，提高上、下箱體組裝定位面平面度。改變夾緊方式消除夾緊變形，增加側(cè)面頂緊力。精加工定位平面及定位銷孔時(shí)取消壓緊力，只用側(cè)面4個(gè)螺栓頂緊（見(jiàn)圖2），提高定位面平面度及上箱體2個(gè)定位銷孔中心距的加工精度。

（2）提高定位銷孔的加工精度。定位銷孔尺寸要求為φ10+0.009+0mm，偏差范圍較小，需改進(jìn)定位銷孔加工工藝來(lái)提高定位銷孔的加工精度：將鉆鉸工序改為鉆、擴(kuò)、粗鉸和精鉸。精鉸孔時(shí)，使用花生油潤(rùn)滑冷卻刀具，同時(shí)，在每次鉸孔前清除鉸刀殘留切屑，防止殘留切屑劃傷孔壁。

圖2 分體式軸箱體側(cè)面夾緊方式

（3）提高定位圓銷與定位銷孔的配合精度。用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x檢測(cè)上箱體定位銷孔、下箱體定位圓銷中心距，同時(shí)統(tǒng)計(jì)變化規(guī)律，對(duì)數(shù)控加工中心的程序進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)調(diào)整加工程序，使此兩種中心距一致。按上、下箱體中心距≤0.01mm進(jìn)行選配組裝。

定位圓銷、定位銷孔加工精度高，對(duì)測(cè)量定位圓銷、定位銷孔的量具采用專尺專用的計(jì)量方式。測(cè)量選配定位圓銷與定位銷孔配合公差，將精確至0.001mm的結(jié)果分別記錄在上、下箱體上。上、下箱體組裝時(shí)，采用銷、孔直徑差值0.001mm的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)渡配合以控制組裝精度。

（4）控制裝配過(guò)程精度。制造專用定位銷安裝工裝，專人裝配，提高裝配精度。

4. 殘余應(yīng)力分析

為進(jìn)一步提高軸箱體加工質(zhì)量，降低上、下箱體剛度差異和焊修、加工應(yīng)力對(duì)軸承孔尺寸的影響，持續(xù)優(yōu)化分體式軸箱體加工工藝。先后對(duì)6件分體式軸箱體加工研究，得出以下結(jié)論：分體軸箱體精加工后，軸承孔表面殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力（約500MPa），且結(jié)構(gòu)上存在薄懸臂結(jié)構(gòu)，易引起軸承孔尺寸的變化。殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力狀態(tài)還是壓應(yīng)力狀態(tài)主要取決于切削參數(shù)。

5. 驗(yàn)證方案

根據(jù)上述結(jié)論進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加工測(cè)量驗(yàn)證。主要驗(yàn)證對(duì)精鏜孔影響最大的切削參數(shù)，包括主軸轉(zhuǎn)速S及進(jìn)給速度F。背吃刀量對(duì)精鏜孔影響最小，忽略不計(jì)，粗鏜留量不變，繼續(xù)按0.11～0.20mm控制。

前期生產(chǎn)時(shí)軸承孔的鏜削順序?yàn)榇昼M→半精鏜→精鏜，加工鏜削參數(shù)為S=430r/min、F=63mm/min，在此基礎(chǔ)上對(duì)工藝流程及切削參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了方案驗(yàn)證，具體試驗(yàn)情況如下：

（1）方案A：軸承孔的鏜削順序?yàn)榇昼M→半精鏜→精鏜，鏜削參數(shù)為S=140r/min、F=10mm/min。

（2）方案B：軸承孔的鏜削順序?yàn)榇昼M→半精鏜→拆箱4h→合箱→精鏜，鏜削參數(shù)為S=140r/min、F=10mm/min。精鏜時(shí)，須用電子尋邊器重新找正X、Y、Z、B軸等坐標(biāo)系原點(diǎn)。不同工件找正時(shí)間長(zhǎng)短不同，從試驗(yàn)件的找正過(guò)程看，找正時(shí)間10～20min。

（3）方案C：軸承孔的鏜削順序?yàn)榇昼M→半精鏜→噴漆→拆箱4h→合箱→精鏜，鏜削參數(shù)為S=140r/min、F=10mm/min。在合箱后精鏜前，使用電子尋邊器進(jìn)行重新找正，耗時(shí)10～20min。由于半精鏜后進(jìn)行噴漆處理，排障器安裝面及垂向減振器座的φ17.5mm孔內(nèi)存有多余油漆，導(dǎo)致二次裝夾擰緊過(guò)程不順暢，裝夾作用力影響軸承孔精度。

（4）方案D：軸承孔的鏜削順序?yàn)榇昼M→半精鏜→拆箱4h→合箱→精鏜，鏜削參數(shù)為S=200r/min、F=20mm/min。精鏜時(shí)，重新找正時(shí)間10～20min。

（5）方案E：軸承孔的鏜削順序?yàn)榇昼M→半精鏜→低溫回火→拆箱4h→合箱→精鏜，鏜削參數(shù)為S=200r/min、F=20mm/min。精鏜時(shí)，重新找正時(shí)間10～20min。

（6）方案F：軸承孔的鏜削順序?yàn)榇昼M→半精鏜→低溫回火→精鏜，鏜削參數(shù)為S=200r/min、F=20mm/min。精鏜時(shí)，重新找正時(shí)間10～20min。

6. 各方案對(duì)比

統(tǒng)計(jì)6種方案尺寸（見(jiàn)附表），其中開(kāi)、合箱測(cè)量結(jié)果是按圖樣要求的φ230+0.047+0.011mm尺寸進(jìn)行評(píng)價(jià)處理，優(yōu)于制造技術(shù)條件要求的φ230+0.067+0.011mm尺寸。

由附表可以看出，方案E、F開(kāi)、合箱測(cè)量結(jié)果最好，但已加工表面微黃且工序流轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，增加2次車輛運(yùn)輸，已精加工面存在磕碰危險(xiǎn)。綜合考慮后，選用方案D作為批量車生產(chǎn)工藝流程。

方案D對(duì)分體軸箱體二工序加工進(jìn)行了優(yōu)化，具體操作流程為：裝夾找正（不變）→銑后蓋面（不變）→粗鏜孔（不變）→半精鏜孔（不變）→鉆攻螺紋孔（不變）→銑溝槽倒角（不變）→角度頭鉆注油孔（工序提前）→回裝卸臺(tái)位卸工件（增加）→拆開(kāi)上下箱體（增加）→存放4h及清理上、下箱體（增加）→重新合箱（增加）→重新裝夾找正（增加）→精鏜軸承孔、后蓋孔，銑止推面（增加），精鏜參數(shù)為S=200r/min、F=20mm/min→檢測(cè)各部尺寸，流入下一工序。

7. 工藝改進(jìn)效果

如圖3所示，測(cè)量1、2、3、4四個(gè)截面，每個(gè)截面上測(cè)量a、b、c、d、e五處直徑，記錄20個(gè)直徑數(shù)值，比較拆卸前后相同點(diǎn)的數(shù)值變化及所有點(diǎn)中的最大偏差。

拆卸前后比較相同點(diǎn)數(shù)值：工藝改進(jìn)前最大變化量為0.030mm，而改進(jìn)后最大變化量為0.015mm。

6種方案尺寸驗(yàn)證情況

圖3 檢測(cè)部位示意圖

拆卸前后20處直徑最大偏差比較：設(shè)計(jì)制造條件要求的最大偏差為0.056mm，工藝改進(jìn)前拆卸后最大偏差為0.069mm，而改進(jìn)后為0.030mm，提高了0.039mm。

通過(guò)工藝驗(yàn)證、改進(jìn)，工藝改進(jìn)后軸承孔加工質(zhì)量得到提升，有效保證了分體式軸箱體的加工質(zhì)量。

8. 后期打算

分體式軸箱體的加工質(zhì)量得到保證后，后期重點(diǎn)工作是進(jìn)行效率提升。①工裝優(yōu)化：分析新工藝精鏜找正增加找正時(shí)間的原因，通過(guò)優(yōu)化工裝定位件，減少找正時(shí)間。②刀具優(yōu)化：分析軸承孔加工刀片切削參數(shù)，驗(yàn)證新刀片，增加每個(gè)刀尖加工軸承孔數(shù)量，同時(shí)繼續(xù)優(yōu)化新刀片切削參數(shù)。

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[3] 彭林中，張宏. 簡(jiǎn)明金屬機(jī)械加工工藝手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.