大型數(shù)控裝備優(yōu)化對(duì)軌道交通典型零部件加工精度的影響

總工程師 虞行國

軌道交通裝備的發(fā)展是一個(gè)系統(tǒng)工程，它涉及到多個(gè)領(lǐng)域，特別是在加工軌道交通典型關(guān)鍵零部件（如柴油機(jī)機(jī)體、曲軸、缸頭蓋等）方面，這些型腔復(fù)雜、精度高的關(guān)鍵零部件對(duì)數(shù)控設(shè)備有特殊的要求和功能。關(guān)鍵零部件加工的工藝要求和設(shè)備的相互關(guān)系到底如何？

軌道交通裝備前景

我國軌道交通裝備制造在以國家實(shí)施的“中國制造2025”、“一帶一路”戰(zhàn)略思路下有廣闊的前景。設(shè)備制造業(yè)在創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、智能轉(zhuǎn)型、強(qiáng)化基礎(chǔ)、綠色環(huán)保等方向的發(fā)展有許多功課要做，有許多疑問要去研究探討，有許多問題要去解決。根據(jù)目前的形勢(shì)，全球軌道交通裝備市場(chǎng)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的增長態(tài)勢(shì)，軌道交通裝備市場(chǎng)需求潛力巨大。

我國軌道交通裝備（見圖1）大概包括：電力機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車、動(dòng)車組、鐵道客車、鐵道貨車、城軌車輛、機(jī)車車輛關(guān)鍵部件、信號(hào)設(shè)備、牽引供電設(shè)備及軌道工程機(jī)械設(shè)備等系統(tǒng)，它有力地支撐著我國軌道交通事業(yè)的發(fā)展。

圖1

早在2004年，我國就在廣深鐵路首次開行時(shí)速達(dá)160km的國產(chǎn)快速旅客列車。當(dāng)時(shí)廣深鐵路就被譽(yù)為中國高速鐵路成長、成熟的“試驗(yàn)田”。其實(shí)在此前的京滬鐵路線上已經(jīng)進(jìn)行了多次提速試驗(yàn)，速度從120km/h、140km/h提高到了160km/h。當(dāng)時(shí)全國鐵路通過6次大提速，在軌道交通機(jī)車車輛性能結(jié)構(gòu)、線路基礎(chǔ)、信號(hào)及通信等方面都得到了鍛煉并取得了一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為高鐵和動(dòng)車組打下良好的基礎(chǔ)和鋪墊，而全國先后6次大提速的主力車型是東風(fēng)型內(nèi)燃機(jī)車而不是東風(fēng)型電力機(jī)車。在現(xiàn)階段中國四橫四縱高鐵網(wǎng)絡(luò)線路中，在高速行駛的和諧號(hào)動(dòng)車組的今天，還是不能扔掉和忘記東風(fēng)型內(nèi)燃機(jī)車在自然災(zāi)害面前和戰(zhàn)爭時(shí)期的作用。

結(jié)合實(shí)例，分析大型數(shù)控設(shè)備在加工軌道交通典型關(guān)鍵零部件時(shí)，對(duì)軌道交通典型零部件精度的影響。

加工內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)機(jī)體的數(shù)控設(shè)備及產(chǎn)品

內(nèi)燃機(jī)車的柴油機(jī)（見圖2）是一個(gè)典型的箱體，其型腔復(fù)雜、相關(guān)尺寸鏈多并且還有許多空間立體交叉孔系，是柴油機(jī)中最關(guān)鍵的支撐大部件，是裝配各個(gè)零部件的基礎(chǔ)件，目前柴油機(jī)機(jī)體大體有整體鑄造和板材焊接件兩種。各端面上大約有大小螺栓孔上千個(gè)。而V型柴油機(jī)機(jī)體主要精度尺寸體現(xiàn)在三孔，即主軸承孔、二側(cè)凸輪軸孔和氣缸孔上，與這三孔有著緊密的空間相交尺寸。這些孔徑等精度尺寸將直接影響到柴油機(jī)的使用壽命，且造成機(jī)破事件發(fā)生的機(jī)率增大。對(duì)柴油機(jī)機(jī)體主軸孔和凸輪軸孔的精度有著較高的精度要求，在5m長九擋孔徑上，主軸孔直線度誤差要控制在0.06mm，相鄰誤差要控制在0.03mm，同樣凸輪軸孔直線度誤差要控制在0.10mm，相鄰誤差要控制在0.03mm的精度，這就需要嚴(yán)格控制機(jī)體本身材質(zhì)的變形、加工時(shí)的工件壓裝變形和對(duì)將近十幾米長的機(jī)床本身的精度要求。同時(shí)內(nèi)燃機(jī)車在線路上高速運(yùn)行要承受高溫、振動(dòng)，工況比較惡劣，這就要求柴油機(jī)機(jī)體在加工時(shí)有一個(gè)良好的精度，為了使加工的產(chǎn)品符合工藝要求，必須有設(shè)備和合理的加工工藝來保證。在柴油機(jī)機(jī)體加工時(shí)，因設(shè)備原因影響加工精度的主要因素是主軸頸孔、凸輪軸孔的直線度和孔頸的中心距（見圖3）。

圖2 數(shù)控龍門加工中心及柴油機(jī)機(jī)體

圖3 主軸頸孔的加工

該柴油機(jī)機(jī)體的加工設(shè)備是數(shù)控式龍門加工中心，因?yàn)檫@種設(shè)備比較適合加工箱體零件。針對(duì)零件加工精度的特殊性和加工方法，對(duì)設(shè)備幾項(xiàng)精度嚴(yán)格進(jìn)行控制。在加工機(jī)體時(shí)，要完成加工精度難點(diǎn)，就需要設(shè)備本身X軸的直線度精度達(dá)到技術(shù)指標(biāo)。X軸直線度精度包括：靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)精度，首先要保證靜態(tài)精度的兩項(xiàng)指標(biāo)，即床身在垂直水平面內(nèi)的直線度和水平面的直線度，以及工作臺(tái)在床身上運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)精度。因?yàn)榇采磉@兩項(xiàng)精度會(huì)直接影響到柴油機(jī)機(jī)體主軸頸孔、凸輪軸孔的直線度，在精度調(diào)整中會(huì)用框式水平儀檢測(cè)機(jī)床安裝水平，用光學(xué)準(zhǔn)直儀檢測(cè)床身的直線度（見圖4）。

圖4 光學(xué)準(zhǔn)直儀

在對(duì)機(jī)床床身的精度考核中注重安裝水平，因?yàn)閄軸的左右高低將會(huì)多少影響工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)電機(jī)的電流大小，造成運(yùn)動(dòng)速度的不均勻。垂直水平面內(nèi)的直線度和水平面的直線度將直接影響柴油機(jī)主軸頸的直線度精度，這是靜態(tài)精度方面的要求。在動(dòng)態(tài)方面，因?yàn)榧庸ぶ鬏S孔和凸輪軸孔時(shí)，都是通過X軸工作臺(tái)移動(dòng)一定的尺寸后，Z軸附件銑頭一擋一擋地上下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加工，因?yàn)槭莾奢S運(yùn)動(dòng)，在Y和Z軸運(yùn)行插補(bǔ)時(shí)重復(fù)定位精度指標(biāo)更為重要（見圖5）。

圖5 機(jī)體加工示意圖

在加工零件的五面時(shí)，95%的工作量是由附件銑頭來完成的，所以附件銑頭本體的精度決定著產(chǎn)品的加工精度，因此對(duì)附件銑頭有兩項(xiàng)精度的考核：①附件銑頭的主軸中心線與滑枕主軸中心線的中心偏置精度。②附件銑頭180°回轉(zhuǎn)中心的偏置精度都應(yīng)該＜0.015mm，同時(shí)對(duì)附件銑頭旋轉(zhuǎn)后的重復(fù)定位精度也要進(jìn)行嚴(yán)格的考核，精度指標(biāo)盡量要小，才能達(dá)到產(chǎn)品的加工工藝要求。

機(jī)體同軸度測(cè)量記錄在表格中，表中數(shù)據(jù)記錄了產(chǎn)品的孔徑間直線度和相鄰的實(shí)際誤差，這個(gè)精度是在精密調(diào)整機(jī)床床身以后達(dá)到的數(shù)據(jù)，主軸承孔全長同軸度0.416mm，左凸輪軸孔全長同軸度0.747mm，右凸輪軸孔全長同軸度0.687mm，完全符合產(chǎn)品工藝精度要求。為了正確判斷產(chǎn)品直線度精度超差的問題，會(huì)采用在機(jī)床上在線測(cè)量，即不松螺釘、不松夾具的加工工況和離機(jī)測(cè)量的方法來判斷產(chǎn)生問題的原因出在何處。如果用在線測(cè)量的方法，用本機(jī)測(cè)量本機(jī)加工的產(chǎn)品，這個(gè)精度的好壞只能反映本機(jī)床精度，而不能正確地反映出產(chǎn)品的真實(shí)精度，特別是直線度這種形式的精度，應(yīng)該通過測(cè)量平臺(tái)或者是三坐標(biāo)進(jìn)行（見圖6）。

加工內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)曲軸的數(shù)控設(shè)備及產(chǎn)品

曲軸（見圖7）是屬于形狀不規(guī)則的細(xì)長軸零件，主軸頸和連桿頸尺寸精度以及形位公差和位置公差要求比較高，產(chǎn)品零件要達(dá)到工藝要求，對(duì)于曲軸加工磨床設(shè)備來講，能夠加工長度超過6m、質(zhì)量超過5t的工件，工件的主軸頸和連桿頸表面粗糙度值要達(dá)到Ra=0.4～0.6μm，主軸頸、連桿頸直徑公差在0.01mm，主軸頸和連桿頸直線度在0.01mm/200mm，連桿頸圓柱度0.015mm，連桿頸分度±15″的技術(shù)要求，并且能加工不同角度和不同偏心量的連桿頸磨削的大型曲軸磨床的要求就更難了。雖然主軸頸和連桿頸的中心線不是連續(xù)的，但是它必須在同一母線且平行，并做到差值要小，這對(duì)設(shè)備要求極高。

目前加工設(shè)備的現(xiàn)狀和加工工藝。大型曲軸在磨床上加工的工藝流程按照設(shè)備本身的加工功能和形式有兩種方法，加工磨削主軸頸和連桿頸是分兩種機(jī)型和兩種工藝分開實(shí)施的，這主要是受到設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制和功能約束。磨削主軸頸是選擇在大型普通外圓磨床上進(jìn)行的，曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是依靠外圓磨床的頭架單邊驅(qū)動(dòng)的形式，在兩頂尖和中心架的支撐下，逐擋對(duì)主軸頸進(jìn)行磨削，在磨削主軸頸的過程中，產(chǎn)品的尺寸精度和技術(shù)要求都有人工的直接干預(yù)，特別是對(duì)中心架兩個(gè)方向支撐力量的控制，這就要看操作工人的熟練掌握程度（見圖8）。

普通標(biāo)配的外圓磨床是不能夠加工曲軸的連桿頸的，在加工磨削連桿頸直徑時(shí)，只能選擇專用的曲軸磨床來進(jìn)行加工。這種曲軸磨床的頭尾架卡盤是可以以頭尾架中心軸線為基準(zhǔn)的，按照曲軸主軸頸和連桿頸的沖程偏心量進(jìn)行調(diào)整，使頭尾架卡盤夾持連桿頸的中心圍繞頭尾架主軸的旋轉(zhuǎn)中心，對(duì)連桿頸直徑進(jìn)行磨削加工。

圖6 機(jī)體在測(cè)量平臺(tái)上檢測(cè)

圖7 內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)曲軸

圖8 曲軸在普通磨床上加工

因?yàn)榍S技術(shù)設(shè)計(jì)的原因，存在著比較大的偏心，如果不采取措施，曲軸在加工旋轉(zhuǎn)中會(huì)存在不均勻的運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)象并產(chǎn)生有離心力，從而使磨削加工的表面粗糙度受到影響。所以在機(jī)床的頭尾架后側(cè)都配制了配重裝置，通過觀察頭尾架的驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流的情況進(jìn)行調(diào)整，改善和均衡頭尾架的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。

因?yàn)榍S本身結(jié)構(gòu)的原因，在頭尾架同時(shí)夾緊曲軸兩頭時(shí)，頭尾架在旋轉(zhuǎn)時(shí)不同步就會(huì)造成曲軸的扭曲而影響加工精度。目前為了保證頭尾架的同步，曲軸磨床頭尾架的傳動(dòng)方式有兩種，一是通過同步軸傳遞，即頭架作為主傳動(dòng)，經(jīng)過一系列的傳動(dòng)鏈傳遞到尾架，使它們實(shí)現(xiàn)曲軸磨床的頭尾架卡盤同步，保證曲軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不造成扭曲。這種傳遞的方式制造成本低，但不可避免地存在機(jī)械傳動(dòng)鏈過長的問題，有間隙和磨損的現(xiàn)象，給調(diào)整帶來諸多的不便。二是利用頭尾架旋轉(zhuǎn)作為兩軸的數(shù)控同步技術(shù)，使頭尾架在旋轉(zhuǎn)過程中的旋轉(zhuǎn)誤差達(dá)到最小。有的制造廠家在采用了頭尾架旋轉(zhuǎn)作為二軸的數(shù)控同步技術(shù)后，為了防止因設(shè)備故障和突然停電造成頭尾架失步，導(dǎo)致設(shè)備損壞以及造成產(chǎn)品報(bào)廢等情況的出現(xiàn)，把砂輪電機(jī)突然停電后的大直徑砂輪慣性當(dāng)作發(fā)電機(jī)使用，把發(fā)出的電提供給頭尾架電機(jī)，作為臨時(shí)電源，臨時(shí)保持頭尾架能夠在短時(shí)間內(nèi)有旋轉(zhuǎn)的空間，防止故障的擴(kuò)大。同時(shí)為防止頭尾架電器系統(tǒng)本身的故障而引起的失步，在頭尾架機(jī)械部分設(shè)計(jì)有超越離機(jī)構(gòu)作為保護(hù)裝置，在實(shí)際運(yùn)行中，因頭架調(diào)速系統(tǒng)模板故障形成頭尾架失步3°，正因?yàn)樵谠撗b置的作用下防止了故障的進(jìn)一步擴(kuò)大（見圖9）。

圖9 頭尾架同步曲軸磨床

上述曲軸是經(jīng)過兩種磨床的磨削方法和兩次裝夾后完成的產(chǎn)品。由于經(jīng)過兩次裝夾，主軸頸中心線和連桿頸中心線的平行直線度精度是難以控制和保證的。為了能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾完成全部主軸頸和連桿頸的磨削，隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和機(jī)床功能部件水平的提高，目前國外已經(jīng)有隨動(dòng)磨削曲軸的新設(shè)備和先進(jìn)的磨削工藝，它只要在同一臺(tái)機(jī)床上通過一次夾裝就可以同時(shí)磨削加工曲軸主軸頸和連桿頸，而不需要再用兩臺(tái)不同的設(shè)備依次分別對(duì)曲軸主軸頸和連桿頸進(jìn)行磨削。該設(shè)備在電器系統(tǒng)上設(shè)計(jì)成全數(shù)控控制、全閉環(huán)反饋測(cè)量的控制模式，在機(jī)械設(shè)計(jì)上打破傳統(tǒng)磨床的結(jié)構(gòu)分布，把原來頭尾架和工件Z軸移動(dòng)更改為砂輪架移動(dòng)而頭尾架及工件固定不動(dòng)，因而床身長度就可以設(shè)計(jì)較短，由于采用了X橫向滑臺(tái)原理，就可以克服和消除因工件移動(dòng)而造成的機(jī)床變形等諸多因素，并且還增強(qiáng)了機(jī)床的剛性。因設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的不同，從而磨削方法也不同于一般的傳統(tǒng)曲軸磨床，它的主軸頸磨削采用切入式磨削法，連桿頸的磨削采用切入式隨動(dòng)磨削法（見圖10）。

圖10 數(shù)控隨動(dòng)曲軸磨

采用數(shù)控隨動(dòng)曲軸磨的磨削工藝，解決了因兩次裝夾后主軸頸中心線和連桿頸中心線的不重合、不平行且直線度超差的關(guān)鍵問題。這種設(shè)備在國外也沒有幾家能夠生產(chǎn)，在我國也只有個(gè)別廠家在試生產(chǎn)。

加工內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)缸頭的數(shù)控設(shè)備及產(chǎn)品

圖11 柴油機(jī)缸頭及設(shè)備

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭（見圖11、圖12和圖13）是典型的箱體零件，在這種型號(hào)缸頭里裝有4個(gè)閥門，即進(jìn)排氣門。要求氣門芯（即氣閥）在凸輪軸的作用下，閥門閥面開啟、關(guān)閉、密封性能及接觸面良好，而且閥桿孔長度較長，又要與閥桿閥門保持同心度，這就要求加工的設(shè)備具有：工作臺(tái)B軸回轉(zhuǎn)精度誤差＜6″，主軸中心線要與工作臺(tái)保持較好的平行度，使加工的產(chǎn)品能夠達(dá)到工藝要求。根據(jù)使用的經(jīng)驗(yàn)，最好選用正T形床身的臥式加工中心，因?yàn)殚y桿孔型腔比較復(fù)雜而且孔比較長，長短刀具換刀頻率高，一次一把刀是完成不了加工程序的，因此就要求臥式加工中心工作臺(tái)的基面與主軸中心線，無論在任何位置都要保持平行，不因立柱長時(shí)間作Z軸前后向的動(dòng)作，造成主軸中心線變化而影響直線度和閥桿孔型腔的同心度。因立柱底面長期移動(dòng)而造成磨損使產(chǎn)品精度超差0.15mm，從而引起閥桿和閥門發(fā)生密封性能差及閥桿斷裂的現(xiàn)象，降低燃燒室的爆發(fā)力和柴油機(jī)的做功功率。

圖12 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭總成

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常會(huì)碰到產(chǎn)品不合格的情況，就要認(rèn)真分析造成的原因和正確處理的方法，不但要從操作工、加工工藝著手，而且也要考慮到因設(shè)備、結(jié)構(gòu)的不合理所造成的超差現(xiàn)象。