空心車軸精加工工藝改進及加工自動化的研究應用

賈廣躍，蔡育冰，張峰，徐鋒

（南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

1 引言

為開發研制具有自主知識產權、國際競爭力強、時速達350km/h 以上的高速列車及配套系統，提高我國高速鐵路技術水平，“十一五”國家科技支撐計劃啟動了“中國高速列車關鍵技術研究及裝備研制”項目［1］。空心車軸加工屬高速列車生產核心制造技術，現國產動車組中的空心軸均為進口的成品或半成品，國內雖然已引進先進的車軸精加工設備，但空心車軸自動加工技術仍不成熟，基本采用半自動加工。工件自動裝卸、內孔偏心、鐵屑纏繞等嚴重影響車軸的加工質量和自動化加工，為了實現車軸精加工工藝的自動化，必須對車軸精加工工藝進行優化設計，以提高加工質量、加工效率和設備利用率。

2 工藝流程

圖1 空心車軸示意圖

我公司采用Teamcenter為設計及制造工藝管理平臺，在這個平臺下進行加工工藝文檔的管理，其中空心軸零件加工程序采用NX CAM 模塊進行，通過使用設備、刀具、車軸等3D模型在三維環境下進行數控程序設計，并可對車軸加工過程進行模擬仿真驗證。空心車軸見圖1。

車軸精加工采用車削中心，見圖2，該設備具有雙主軸、雙刀塔、雙中心架配置，刀塔帶動力刀可以安裝鉆頭、絲錐、工件測頭，中心架上安裝工件上料架，可以一次裝夾全自動完成車軸內孔中心測量、倒角、端面加工、端面三螺孔、外圓加工。車軸精加工刀具為外圓粗車刀、外圓精車刀、螺紋車刀、鉆頭、絲錐、工件測頭等。在NX CAM中建立工件坐標系，利用同步建模技術生成車軸毛坯，創建工序，根據不同加工方式，建立不同導軌路徑。再對導軌進行仿真驗證，及時發現數控程序問題。

3 半自動空心車軸工藝流程分析

以前車軸加工工藝流程為：利用普通車床車內孔倒角，糾正偏心→手工裝夾車軸→外圓粗車→右側內孔倒角、端面、三螺孔精加工→左側內孔倒角、端面、三螺孔精加工→外圓精車。

經過研究分析，影響車軸精加工自動化因素主要有：①手動糾正內孔偏心。傳統方法利用打表測量車軸內孔，通過調整中心架使車軸內孔和普通車床主軸軸線重合，再倒角，利用尾座頂緊車軸，粗車外圓達到偏心糾正目的。采用工序分散方式加工，單件車軸偏心糾正平均需要20min。②手動安裝工件。手工對刀后設置工件坐標系，人工參與，手工進行平均需要10min。③鐵屑影響。切削鐵屑不斷，易纏繞至中心架中，導致車軸報廢，鐵屑形狀見圖3。④車軸內孔殘留鐵屑。精車內孔倒角后，細小鐵屑易殘留至車軸中心倒角錐面處，尾座頂緊車軸后，導致最終精車外圓中心和內孔中心不重合，導致工件報廢。⑤切削余料擋圈影響自動化加工。擋圈位置如圖4。⑥刀具壽命影響。精車外圓單個刀尖僅能加工2 件車軸。刀片更換頻繁，影響車軸自動化加工。

圖3 鐵屑纏繞

圖4 車軸余料擋圈

4 自動化加工工藝研究

4.1 自動化工藝分析和工藝改進

對影響車軸自動化加工因素進行分析，逐條提出解決方案。

（1）對于手工安裝工件，在中心架上設置工件安裝架，在工件加工完成后，兩中心架首先夾緊車軸移動至上下料工位，上料架升起并支撐車軸，中心架松開，機械手取走車軸，上料架下降至毛坯裝卸位置，機械手將車軸運輸至上料架上，隨中心架一起移動，使車軸左側靠近主軸中心頂緊，利用刀塔專用刀具，頂緊右側車軸端部，兩中心架夾緊，刀塔后退，達到自動安裝工件目的。

（2）對內孔偏心糾正。利用車削中心的工件測頭（圖5 所示）自動測量車軸內孔偏心側的偏心位置和偏心角度，自動計算偏心孔位置，再以偏心孔做基準，銑中心孔倒角，利用車削中心尾座頂尖，自動頂緊車軸，松開中心架后粗車車軸外圓，最后中心架夾緊車軸，精車中心孔。通過該工藝，可以實現偏心的空心車軸在車削中心上，自動偏心校正，為空心車軸全自動加工提供一種解決方案。

圖5 工件測頭

圖6 倒角銑刀

（3）鐵屑斷屑問題。車軸材料選用EA4T，通過調制處理硬度達到260～300HB，硬度范圍較大，傳統方法采用R8 圓弧車刀粗車外圓見圖6，通過修改切削參數方法，切削斷屑效果不穩定，斷屑時好時壞，R8 車刀對于圓弧處切削斷屑更差。將R8 車刀更換為DDNNN 55°車刀，左右刀塔同時加工，生產效率提高20%。因采用55°粗車刀，車軸斷屑效果明顯，可以解決鐵屑斷屑問題。

（4）車軸內孔殘余鐵屑處理。在中心孔銑倒角工序后，增加內孔沖洗功能，利用刀塔切削液自動噴淋功能，設計數控程序，利用內孔車削刀具，對車軸端部和車軸內孔進行重新加工，解決內孔倒角處殘余鐵屑導致車軸報廢問題。

圖7 R8 外圓車刀

圖8 DDNNN 55°外圓車刀

（5）切削余料擋圈問題。改變切削方式和工步順序，利用斜面切削，將擋圈取消。

（6）刀具壽命問題。通過修改切削參數可影響刀具使用壽命，通過工序分散加工，精車采用2 把刀具可使刀片更換頻次降低。

3.2 工藝驗證

通過以上工藝分析，首先編制車削中心用G 代碼程序，實現自動工件裝夾和車軸偏心孔自動測量、偏心糾正。經現場調試，車軸從機械手安裝到偏心糾正完成，僅需6min，和手工操作相比生產效率提高5 倍。利用該工藝車軸偏心量由0.3～0.8mm 自動糾正至0.3mm 以內，符合設計要求。

在使用R8 車刀時只能使用左側刀塔，切削深度aP=3mm，轉速n=280m/min，f=1mm/r，不僅加工效率低，且因車軸材料熱處理后硬度不均勻，鐵屑不斷影響車軸自動化加工，嚴重影響車軸加工生產效率。通過更換DDNNN 55°刀具后，切削深度aP=3mm，轉速n=280m/min，f=0.6mm/r，斷屑效果明顯，跟蹤60 件車軸加工后未發現有鐵屑纏繞現象，鐵屑長度一般小于80mm，見圖9。使用55°車刀通過改變切削方式，有效解決余料擋圈影響。

圖9 鐵屑斷屑后形狀

刀具壽命問題。精車外圓時，首先改變切削參數，在滿足圖紙要求粗糙度情況下，將轉速Vc=280m/min降低至Vc=220m/min，進給量由f=0.2mm/r 提高至f=0.3mm/r，可有效提高刀具壽命25%～30%。對精車外圓進行分析，將精車外圓分為兩步，增加一套刀具，平衡刀具磨損，減少刀片更換頻次，工藝改進后，刀片更換可滿足1次/5 件頻次，最大程度實現車軸自動化運行。

3.3 工藝數據的管理

工藝改進后的車軸數控加工程序、工藝參數、車軸仿真驗證AVI 動畫直接存儲在工藝流程平臺Teamcenter中。

4 結論

通過對影響空心車軸自動化因素進行分析研究，解決了空心車軸精加工過程中內孔偏心、鐵屑、加工效率低等影響車軸自動加工的關鍵問題，實現空心車軸全自動化精加工，在實際應用中取得良好效果，為后續動車組等空心車軸自動化加工提供技術依據。

［1］王普.高速鐵路建設發展概況研究［J］.鄭州科技通訊，2006（4）：4-6.

［2］周嶸.淺談高速動車組空心車軸加工工藝及設備［J］.機車車輛工藝，2008（3）：8-9.

［3］上海市金屬切削技術協會.金屬切削手冊（第三版）［M］.上海：上海科學技術出版，2000.

［4］王啟平.機械制造工藝學［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1999.

［5］王啟平.金屬切削實用刀具技術［M］.哈爾濱：工業大學出版社，1999.