HXD2系列貨運機車從動齒輪減重孔切割加工

鐵道部駐大同機車車輛驗收室 （山西 037038） 魏世明

河南鄭州機械研究所 （450001） 關 鶴 祁華偉 劉守雨 周 偉

1.概述

為提高我國鐵路客貨運輸能力，推進鐵路技術裝備現代化，中國北車集團大同電力機車先后引進和自主研發了HXD2系列大功率重載交流傳動貨運電力機車。該型系列機車的驅動單元在設計時，為嚴格控制機車軸重以保證機車和軌道的綜合運行性能，在其輻板上增加了8個φ130mm的減重孔（未加減重孔其重量為500kg，加后重量為440kg），其結構如圖1所示。

圖1 HXD2系列機車驅動單元從動齒輪結構

為降低從動齒輪的加工難度，提高其加工工藝性，本文對比了從動齒輪8個φ130mm減重孔的幾種加工方法，確定了最優加工方案為火焰切割留量精鏜銑，并針對實際狀況提出了相應的改善措施。

2.從動齒輪減重孔加工方法的對比

由于機車齒輪要求較高的可靠性和安全性，故為保證從動齒輪的技術特性和使用要求，從動齒輪的減重孔最終應為冷加工表面狀態。

由此，從動齒輪8個φ130mm去重孔有以下三種加工方法，加工中心銑削加工、數控鏜床鏜銑加工、火焰切割+精鏜，他們的加工效率、加工經濟性對比如表1所示。

從上述對比可知：三種加工方法中，火焰切割+精鏜加工時長最短、經濟性最好，故在實際加工過程中作為優先方案。

表1 三種加工方法對比

3.火焰切割過程易產生的缺陷

（1）割縫補償k不穩定，工件切割存在偏差 從理論上講，一個工件的切割程序確定且給定割縫補償k后，設備切割時的運行軌跡是一定的，切割出的零件尺寸就是固定的，而實際切割出的零件是存在一定偏差的。剛切割時被切割件的溫度接近室溫，由于切割速度很快，尤其當工件較小時，使得切割完成時工件還未來得及升溫和熱膨脹，或者有局部的升溫，但熱膨脹也受到了工件周圍室溫狀部分的約束，所以此時切割的零件尺寸比較精確。但隨著被切割件切割區域的增多，熱量的不斷輸入，工件的溫度不斷升高，熱膨脹量也不斷增大，此時工件體積就發生了變化（由于工件在不同溫度下產生的熱膨脹量不同），從而需要對割縫補償k加以修正（增加熱膨脹補償量△t ）；否則當切割軌跡不變時，被切割工件冷卻后體積就會縮小，尺寸同樣變小。

（2）工藝參數偏差 除火焰切割存在割縫補償k不穩定，致工件切割存在偏差的問題外，還會由于工藝參數的偏差產生相關切割缺陷（見表2）。

此外由于HXD2系列貨運機車從動齒輪輻板板較厚（需切割部位厚度為44～53mm），火焰切割時還存在以下難點：①預熱處工件上、下部受熱不均勻，如果操作不當，切割時往往不能沿厚度方向順利穿透而造成切割失敗。②由于工件較厚，燃燒反應沿厚度方向傳播需要一定時間，且越到切口下部，切割氧流動量越小、純度越低，故使后拖量增加。③熔渣多，切割氧流排渣能力減弱，容易在切口底部形成熔渣堵塞，使正常切割過程遭到破壞。

4.提高從動齒輪切割孔精度及質量的措施

切割氣體、切割速度、火焰類型及預熱火焰能效等是影響火焰切割質量的關鍵因素，為提高從動齒輪減重孔切割質量，我們針對上述要素提出以下改善措施。具體如下：

（1）切割氧氣純度和切割氧氣壓力 第一，切割時所用氧氣要有較高的純度，一般要求在99.5%以上。氧氣純度每降低0.5%，火焰切割速度就會降低10%左右；如果氧氣純度降低0.8%～1%，不僅切割速度下降15%～20%，而且割縫也隨之變寬，切口下端掛渣多并且清理困難，切割斷面質量亦明顯變差，氣體消耗量也隨著增加。為保證較高的生產效率和切割質量，在從動齒輪減重孔切割時要求氧氣純度≥99.7%。

表2 切割表面缺陷和原因分析

第二，切割時氧氣壓力不宜過低，同時也不能過高。當氧氣壓力過低時，切割過程中的氧化反應將減慢，切割的氧化物熔渣吹不掉，同時割縫背面形成難以清除掉的熔渣粘結物，甚至不能把工件割穿。當氧氣壓力增大時，氧流量相應增加，此時能夠切割的工件厚度增加，但隨著壓力增大到一定值，切割厚度也將達到最大值。切割氧氣壓力對切割速度的影響如圖2所示。由表3和實際切割試驗可知，從動齒輪的切割時要求的氧氣壓力為0.7MPa。

表3 不同切割厚度推薦氧氣壓力值

圖2 切割氧氣壓力與切割速度的影響

（2）選擇250mm/min的切割速度 切割速度與工件厚度、割嘴形式有關，一般隨工件厚度增大而減慢（見表4）。切割速度必須與切口內金屬的氧化速度相適應。切割速度直接影響到切割過程的穩定性和切割端面質量。切割速度太慢會降低生產效率，使切口上緣熔化塌邊，下邊緣產生圓角、切割斷面下半部分出現水沖狀的深溝凹坑等；反之，太快則后拖量過大，使切割斷面出現凹陷和掛渣等質量缺陷，嚴重的甚至割不透，造成切割中斷。時采用了火焰切割加余量精鏜銑的加工方案。為盡可能提高切割質量，以減少精鏜銑余量并兼顧切割效率，在實際切割時選用的切割速度為250mm/min。

表4 數控切割速度的推薦值

（3）選擇中性焰切割及13L/min的預熱火焰能效 第一，通過調整氧乙炔的比例可以得到三種切割火焰，即：中性焰（即正常焰）、氧化焰和還原焰，三種切割火焰類型如圖3所示。

中性焰是在還原區沒有自由氧和活性炭，有三個明顯的區域，焰芯有明顯的輪廓（接近于圓柱形）。其焰芯溫度為1000℃，還原區溫度達3000℃，外焰即完全燃燒區溫度在1200～2500℃.

氧化焰是在氧氣過剩的情況下產生的，氧化焰的溫度高于中性焰，如果使用氧化焰進行切割，將會使切割質量明顯的惡化。

還原焰是在乙炔過剩的情況下產生的。

圖3 切割火焰類型

根據大齒輪的輻板厚度和減重孔加工精度的要求，選擇使用的是中性焰。

第二，預熱火焰能效與切割速度、切口質量關系密切。隨著被切割工件厚度的增大和切割速度的加快，火焰能效需增加。在切割時，預熱火焰能效要恰當，若火焰太強（尤其在切割厚板時），金屬燃燒產生的反應熱增大，加快了對切割點前沿預熱能力，這樣就會對切口上邊緣嚴重熔化塌邊；反之，若預熱火焰較弱，工件得不到足夠能量，迫使切割速度降低，甚至造成切割過程中斷。表5為火焰能效與工件厚度的關系

表5 氧乙炔預熱火焰能效與工件厚度的關系

由于從動齒輪材料為18CrNiMo7－6，其合金元素含量較高，燃點較高，所以選擇的預熱火焰能效為13L/min。

5.切割余量的選擇

為保證從動齒輪的使用性能和技術要求，對其減重孔火焰切割時留冷機械加工余量。火焰切割熱影響區寬度5～6mm，同時為彌補割縫的不規則性，在實際火焰切割時留單邊10mm的機加工余量，即減重孔火焰切割直徑為110mm。

為驗證機加工余量能夠保證火焰切割熱影響區完全去除，在減重孔加工到φ128mm時取鐵屑和試塊，進行化學成分、力學性能和金相組織分析，其結果和原齒坯材料試驗對比相同，符合原材料技術指標。

6.結語

通過上述措施，在實際生產中獲得了較好的火焰切割質量，從而大大提高了HXD2系列機車驅動單元從動齒輪8個φ130mm減重孔的加工效率，并降低了其加工費用。實踐證明，以上措施為從動齒輪大批量生產提高效率和節約成本奠定了基礎。