火車車軸車削加工表面質(zhì)量問(wèn)題分析及對(duì)策

魯元和　張彥臣

摘 要：在大量調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)火車車軸零件在粗車、半精車、精車等三個(gè)車削工序中出現(xiàn)的主要表面質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了分析，提出了針對(duì)產(chǎn)生質(zhì)量缺陷的不同原因的對(duì)策，保證了火車車軸的車削質(zhì)量，為后續(xù)磨削加工打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：火車車軸；車削加工；表面質(zhì)量；分析與對(duì)策

中圖分類號(hào)：TG51 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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

火車車軸是鐵道車輛行走部分的關(guān)鍵零件，其加工工藝復(fù)雜、加工精度要求高，其中，車軸軸頸、防塵板座、輪座等部位的加工質(zhì)量好壞直接影響車輛的運(yùn)行品質(zhì)，保證各部的車削尺寸公差和形位公差，是車軸整個(gè)加工過(guò)程中最關(guān)鍵的質(zhì)量控制點(diǎn)。

對(duì)貨車車軸工藝分析、加工工藝方法及制造工序中容易產(chǎn)生的質(zhì)量問(wèn)題有闡述[1]，但是不夠全面。對(duì)車軸磨削工序中容易出現(xiàn)的波紋、燒傷等缺陷進(jìn)行分析的較多[2][3]，其中車削特別是精車產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷是產(chǎn)生磨削缺陷的主要原因之一，如果車削產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷如刀花、波紋、形狀誤差等較為明顯，那么到磨削時(shí)將難以根除這些缺陷，所以保證車削質(zhì)量是保證磨削質(zhì)量乃至整個(gè)車軸加工最終質(zhì)量的基礎(chǔ)，加強(qiáng)車軸車削質(zhì)量控制至關(guān)重要。

文獻(xiàn)[4]從工件裝夾、機(jī)床輔具、工藝方法、刀具選用和切削參數(shù)等方面采取措施，研究了車軸車削加工工藝，本文側(cè)重分析車軸表面質(zhì)量問(wèn)題及其控制。

1 車軸車削加工表面質(zhì)量問(wèn)題

面對(duì)各種鐵道車輛及世界各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，車軸結(jié)構(gòu)有多種形式，不管哪種結(jié)構(gòu)形式，火車車軸的所有外圓面均要車削，其中，三頸（軸頸、輪座、剎車盤座）需半精車、精車，軸身需半精車，車軸結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

根據(jù)制造車間的現(xiàn)場(chǎng)加工總結(jié)，可以將車軸車削加工過(guò)程中常見(jiàn)的表面質(zhì)量缺陷歸納于表1。

2 車軸粗車質(zhì)量問(wèn)題分析及對(duì)策

車軸的所有外圓面均要粗車，只是軸徑、輪座、剎車盤座這三徑和軸身的粗車質(zhì)量對(duì)后續(xù)精車和磨削質(zhì)量有影響，對(duì)于這三個(gè)部分出現(xiàn)的粗車質(zhì)量問(wèn)題必須及時(shí)解決。

2.1 外圓表面出現(xiàn)黑皮、表皮折疊

車軸圓周外表面經(jīng)過(guò)粗車后出現(xiàn)目視就能見(jiàn)到的黑皮（如圖2所示）、表皮折疊（如圖3所示），經(jīng)過(guò)分析研究，可以判定表面出現(xiàn)黑皮是因?yàn)殄懺斓妮S坯彎曲度過(guò)大或因?yàn)榇周嚂r(shí)所定中心孔相對(duì)于大部分軸身偏心所致，表皮折疊基本為鍛造缺陷所致。

產(chǎn)生上述缺陷的原因顯而易見(jiàn)，應(yīng)該及時(shí)采取的對(duì)策是，提高鍛造水平減少鍛造折疊和軸坯彎曲度，可能的情況下，在軸坯制造工藝中，增加車軸毛坯矯直工序以減少粗車后黑皮的產(chǎn)生。

針對(duì)車軸鍛坯，研究中心孔加工機(jī)床增加找正功能的方法，給機(jī)床制造廠家提出合理化建議，如果針對(duì)每一個(gè)車軸鍛坯個(gè)案，中心孔加工機(jī)床能根據(jù)軸坯實(shí)際圓度，先找到能最大限度地利用材料的中心孔位置，再打中心孔，那么將大大減少粗車黑皮缺陷。目前采取較為笨拙的改進(jìn)方法是，在中心孔加工機(jī)床上每旋轉(zhuǎn)車軸毛坯60度，在軸坯兩端面上分別畫一個(gè)中心點(diǎn)，以各端面上的三個(gè)點(diǎn)的中心點(diǎn)作為打中心孔的位置，黑皮缺陷明顯減少。

另外，合理分配車軸三頸和軸身的直徑及長(zhǎng)度的鍛造比例，可以在不增加車軸毛坯直徑（即材料量）的情況下明顯減少黑皮。

2.2 車軸端面損傷

車軸端面損傷見(jiàn)圖4所示，壓痕深淺不同，這是由于頂爪設(shè)計(jì)不合理致使頂爪打滑造成的。

原來(lái)所采用的車軸裝夾用頂爪，沒(méi)有沿中心向外呈放射狀排列、頂爪高度不一致，部分頂爪沒(méi)有頂住車軸端面。

經(jīng)過(guò)幾次改進(jìn)，裝夾頂爪的新結(jié)構(gòu)如圖5所示，六個(gè)裝夾頂爪裝上安裝盤后的新結(jié)構(gòu)如圖6所示。

裝夾車軸后，項(xiàng)爪沿中心向外呈放射狀排列，頂爪基本不再打滑。加工前應(yīng)檢查頂爪排列，加工后檢查車軸端面的頂爪痕跡，如果不是放射狀的6個(gè)頂爪淺痕，或頂爪深淺不一，應(yīng)及時(shí)更換新結(jié)構(gòu)頂爪。

2.3 外圓表面振刀紋

外圓表面振刀紋見(jiàn)圖7a所示，車軸鍛坯局部加工余量大或彎偏是其主要原因。

某VE914車軸鍛造毛坯至粗加工余量如圖8所示，經(jīng)過(guò)粗車試刀，發(fā)現(xiàn)車軸鍛造毛坯軸徑處留給粗加工的半徑單邊余量為8mm，防塵板座處為斜角處理，此處局部加工余量較大，防塵板座引錐處最大加工余量達(dá)到28mm，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出粗加工機(jī)床及刀具所能承受的加工范圍（該范圍一般設(shè)定為10-12mm），需要改進(jìn)加工程序。

根據(jù)圖8所示余量分布，改進(jìn)加工防塵板座引錐處的程序，增加程序加工刀數(shù)，由原來(lái)的一刀加工改為三刀加工，每刀切削余量為10mm。改進(jìn)后的車軸表面粗糙度明顯提高，全部達(dá)到圖7b正常加工的質(zhì)量。

對(duì)于明顯彎偏的車軸鍛坯，只有將其剔出，編制對(duì)應(yīng)的程序單獨(dú)加工。

3 車軸半精車質(zhì)量問(wèn)題分析及對(duì)策

3.1 軸身表面粗糙度不夠

軸身表面粗糙度不夠的主要原因是，走刀程序、刀具選用與要求不匹配。選用幾款刀具進(jìn)行試用，選取最優(yōu)的，對(duì)應(yīng)選用的刀具編寫適合的加工程序。

比較肯納和廈門金鷺兩種可轉(zhuǎn)位機(jī)夾刀片（型號(hào)均為DNMG150608），在CKA6136數(shù)控車床上加工VE914車軸試件，加工過(guò)程中，調(diào)整采用不同的稍變的進(jìn)給速度、切削線速度，切深為1-2mm，軸頸、輪座為一片刀先后加工，試驗(yàn)完成后采用TR200手持粗糙度儀測(cè)試加工表面粗糙度值見(jiàn)表2。

檢查加工粗糙度，發(fā)現(xiàn)進(jìn)給速度對(duì)車軸車削加工表面粗糙度的影響較為明顯，考慮刀具消耗及加工效率，最優(yōu)進(jìn)給速度取0.2-0.3mm/r、切削線速度取150-200mm/min，表面粗糙度為Ra 1.65-3.1。同等加工參數(shù)下，肯納刀具比廈門金鷺刀具加工的粗糙度要好些，刀具消耗基本相同，故刀具優(yōu)先選用肯納DNMG160508刀片加工。

3.2 軸身跳動(dòng)量大

加工軸身時(shí)，原加工工藝中是以粗車的軸頸來(lái)定位的，而粗車后的軸頸與軸中心孔不同心，故軸身表面跳動(dòng)量大。

先進(jìn)行半精車三頸（軸頸、輪座、剎車盤座），半精車后的軸頸與中心孔同心，以半精車后的軸頸為軸身加工定位基準(zhǔn)來(lái)加工軸身，滿足了軸身圓跳動(dòng)形狀公差的要求。

3.3 殘余刀花流入下工序

防止殘余刀花流入下工序最有效的辦法是，在上道工序加工時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)。消除車軸表面的明顯刀具切削劃痕，可通過(guò)加強(qiáng)工序檢查減少此類缺陷的發(fā)生。如不慎流入下道工序，根據(jù)工序的加工余量確定處理方式，如果單邊加工余量大于0.1mm，可通過(guò)機(jī)加工即再進(jìn)尺加工一刀直接消除；如單邊加工余量小于0.1mm，需人工打磨消除缺陷，再進(jìn)行本道工序的加工。

3.4 半精車后出現(xiàn)圓環(huán)狀鐵圈

半精車后有圓環(huán)狀鐵圈，如圖9所示。

軸身圓弧與輪座夾角接近90°，車削加工輪座時(shí)形成碾壓無(wú)法斷屑，在車軸軸身上殘留未斷屑的圓環(huán)，加工接近輪座時(shí)，由于刀具對(duì)未加工部位形成擠壓，切削進(jìn)給速度快，阻力大，擠壓明顯，形成的擠壓瘤明顯，如圖10所示。

改變輪座末端處的加工進(jìn)給速度，即由0.2-0.3mm/r 減小為0.1-0.15mm/r，可降低鐵圈產(chǎn)生率，即使偶爾產(chǎn)生環(huán)狀圈，厚度較薄，可輕易用鉗子夾斷。

4 車軸精車質(zhì)量問(wèn)題分析及對(duì)策

粗車和半精車的質(zhì)量控制得好，精車的質(zhì)量就容易控制了。

精車出現(xiàn)的主要表面質(zhì)量問(wèn)題是，磨削車軸后輪座引入段時(shí)發(fā)現(xiàn)車軸偏心，究其原因是車軸精車時(shí)車軸中心孔偏心、或卡盤偏心、或卡盤磨損嚴(yán)重、或加工時(shí)頂尖及卡盤爪墊有異物附著，所以在精車前要仔細(xì)檢查，必要時(shí)更換卡盤或者更換頂尖，并認(rèn)真清理干凈卡盤爪內(nèi)側(cè)面和頂尖。

5 結(jié)束語(yǔ)

車軸表面車削過(guò)程中產(chǎn)生表面黑皮、折疊、振刀紋、刀花、劃痕等質(zhì)量缺陷的原因較多，常常是多種因素相互交叉，綜合影響，準(zhǔn)確的找到對(duì)癥原因并解決問(wèn)題是有一定的難度的，以下結(jié)論希望對(duì)相關(guān)制造有所幫助。

提高軸坯鍛造質(zhì)量減少鍛造缺陷和軸坯彎曲度能減少粗車表面折疊的發(fā)生，打正粗車中心孔有利于明顯減少粗車黑皮；采用裝夾頂爪新結(jié)構(gòu)消除了車軸端面損傷；增加加工刀次以消除加工余量過(guò)大產(chǎn)生的粗車加工表面振刀紋。

選用合適的刀具和進(jìn)給速度保證了半精車的粗糙度要求；以半精車后的軸頸為軸身加工定位基準(zhǔn)來(lái)加工軸身，滿足了軸身圓跳動(dòng)形狀公差的要求；提前發(fā)現(xiàn)上道工序的殘余刀花，以防其流入下道工序；半精車時(shí)，減小輪座末端處加工進(jìn)給速度，可降低切屑鐵圈的產(chǎn)生。精車前檢查消除引起車削和磨削偏心的因素。

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