地鐵車輛鉤體五軸工裝的設(shè)計及應(yīng)用

秦磊

地鐵車輛鉤體五軸工裝的設(shè)計及應(yīng)用

秦磊

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島266041）

在密接式鉤緩裝置研制過程中，為提高鉤體的制造精度及生產(chǎn)效率，通過對鉤體進(jìn)行分析，提出了鉤體的五軸加工工藝路線。針對五軸加工工藝的需要，設(shè)計了兩套五軸機(jī)床用工裝夾具，并對工裝的使用情況進(jìn)行了相應(yīng)驗證。

鉤體；五軸機(jī)床；工裝夾具；工藝路線

目前，發(fā)展城軌地鐵交通已成為解決城市交通問題的必由之路，密接式鉤緩裝置是地鐵車輛中最基本也是最重要的部件之一，其安裝于車輛車體兩端，起連接車輛、緩沖縱向力、提高舒適性的作用，具體由鉤體、連掛組成、主風(fēng)管組成、電氣連接器、氣動解鉤組成、緩沖器、對中機(jī)構(gòu)、安裝吊掛機(jī)構(gòu)及連接卡環(huán)等組成。而鉤體則是密接式鉤緩裝置中最為關(guān)鍵的鑄鋼零件，密接式鉤緩裝置的連掛組成、主風(fēng)管組成、電氣連接器、氣動解鉤組成以及連接卡環(huán)皆固定于鉤體相應(yīng)的部位上。

鉤體加工的關(guān)鍵是保證鉤體凸錐、凹腔、連掛面、連掛組成鉤舌及主軸安裝部位、主風(fēng)管組成安裝部位、電器連接器安裝部位、氣動解鉤組成安裝部位及鉤尾連接卡環(huán)處的尺寸精度、位置精度，以便地鐵車輛可以長期穩(wěn)定地完成連掛、通風(fēng)制動、信號傳遞及解鉤等功能，且隨著各地地鐵項目快速發(fā)展帶來的密接式車鉤產(chǎn)能亟需提高的迫切需求，鉤體的加工必須有一套高質(zhì)、高效的先進(jìn)制造工藝來保證鉤體的加工質(zhì)量及產(chǎn)能需要。鑒于鉤體為復(fù)雜的鑄造件，采用五軸這種先進(jìn)的設(shè)備工藝制造，必須有相應(yīng)的專用工裝來保證五軸加工工藝的準(zhǔn)確性及高效性。

1 鉤體結(jié)構(gòu)簡介及加工工藝流程

1.1 鉤體結(jié)構(gòu)簡介

圖1所示鉤體為地鐵車輛用鉤體一種，主要由鉤體凸錐、鉤體凹腔、鉤體連掛面、鉤身及鉤尾等組成。此鉤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，六面全需加工且要求加工的面及孔系較多，尺寸精度及位置精度的要求也比較高，屬于難加工的復(fù)雜機(jī)械零件。

圖1 鉤體示意圖

1.2 設(shè)備簡介

目前我司的五軸機(jī)床為DMG公司生產(chǎn)的一擺頭一轉(zhuǎn)臺五軸聯(lián)動機(jī)床，此機(jī)床可在一次裝夾后，加工其余五面的零件，最大程度地保證加工精度并節(jié)省時間。

1.3 工藝路線

原機(jī)加工工藝路線為：劃線→臥鏜→臥加→普車→臥鏜→鉗→探傷→檢查。需多次裝夾，多次周轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生裝夾、找正誤差及其它方面的精度誤差，且由于多次裝夾、多次周轉(zhuǎn)，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，為提高產(chǎn)品制造精度及勞動生產(chǎn)率，擬用五軸聯(lián)動加工中心加工此鉤體。根據(jù)此鉤體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及五軸機(jī)床的的特性，制定新機(jī)加工工藝路線：劃線→臥鏜（鏜銑定位基準(zhǔn)）→五軸→鉗→探傷→檢查。

2 工裝夾具設(shè)計

鉤體的工藝路線確定后，為保證鉤體能高質(zhì)、高效地批量生產(chǎn)，相應(yīng)的五軸機(jī)床用工裝夾具是必不可少的。按上述確定的工藝路線結(jié)合鉤體自身的特點(diǎn)，設(shè)計了用于本鉤體的以下兩套五軸機(jī)床用工裝夾具。

2.1 五軸工裝1設(shè)計

一般工裝主要由定位裝置、夾緊裝置、夾具體及其它裝置等組成，本工序五軸加工用的工裝也大體由此幾個裝置構(gòu)成，下面主要介紹這幾個機(jī)構(gòu)裝置（具體詳見圖2）。

圖2 五軸工裝1示意圖

2.1.1 定位裝置

根據(jù)六點(diǎn)定位原理及鉤體安放便利的原則，本工裝采用一面兩銷的方式來進(jìn)行定位。臥鏜（鏜銑定位基準(zhǔn)）工序在連掛面處精加工出兩個等高平面及兩風(fēng)管孔處精加工2預(yù)孔作為定位基準(zhǔn)。詳見下圖3箭頭所指的平面及風(fēng)管孔預(yù)孔。

圖3 定位基準(zhǔn)示意圖

（1）4個高度板由螺栓、銷釘固定在前后立板上，通過與連掛面上已加工好的光滑等高面接觸可限制鉤體的3個自由度，因鉤體與高度板頻繁接觸，故在設(shè)計時將高度板進(jìn)行淬硬處理，以防止高度板過快磨損而影響定位精度。為保證4個高度板在Z向上高度一致，要求4個高度板在總裝后進(jìn)行精加工。

（2）因采用圖1中的風(fēng)管孔預(yù)孔定位，若兩孔皆采用圓柱銷進(jìn)行限位，將會出現(xiàn)過定位的情況，為使同批工件都能順利安裝于工裝上，且不會增大鉤體的轉(zhuǎn)角誤差，故采用一圓柱定位銷、一菱形定位銷來定位兩風(fēng)管預(yù)孔[1]。為保證兩風(fēng)管孔與鉤體凸凹錐的相對位置精度，要求兩定位銷釘孔在總裝后，以工裝的基準(zhǔn)軸為基準(zhǔn)進(jìn)行找正加工。

2.1.2 壓緊裝置

為保證一次裝夾能完全加工出5個面，避免產(chǎn)生刀具干涉或因干涉產(chǎn)生重新裝夾工件現(xiàn)象，且提高夾具的使用壽命，特進(jìn)行了如下設(shè)計：

（1）將兩定位銷設(shè)計成中通結(jié)構(gòu)，壓緊螺釘從中穿過壓緊，壓緊大墊圈直徑比風(fēng)管孔預(yù)孔沉孔小1mm，以便壓緊時壓緊大墊圈正好位于沉孔內(nèi)，避免了加工過程中產(chǎn)生的干涉狀況。

（2）兩螺栓壓緊方式雖然可靠，但安全余量不足，為防止因螺栓失效而造成一定的安全問題，需再增加新的壓緊裝置。很明顯，設(shè)4個壓板，壓住鉤體的四邊，工裝的安全性最高。但此壓緊方式一容易造成銑鉤體周身時產(chǎn)生刀具干涉；二銑鉤體周邊時，正好銑著壓板，此時可采取撤掉塊壓板銑一部分周邊，銑完此部分周邊后此位置新上壓板，銑另一部分周邊的方式進(jìn)行加工，但此舉增加了太多的裝夾時間，也會相應(yīng)的產(chǎn)生接刀痕現(xiàn)象。故此壓緊方式雖可行，但不太實(shí)用。為徹底的解決干涉及更換壓板而導(dǎo)致生產(chǎn)效率低等問題，本工裝特設(shè)計了Z形壓板裝置，如圖4所示，此壓板裝置完全處于鉤體凹腔內(nèi)，無任何干涉問題，且Z形壓板的頂螺栓處于鉤體外部，可方便的擰緊或松開頂螺栓實(shí)現(xiàn)鉤體的預(yù)緊。

圖4 Z形壓板裝置示意圖

（3）因圖2中的壓緊螺栓預(yù)緊力為主要壓緊力，長時間使用會造成螺絲疲勞損壞，壓緊螺栓為標(biāo)準(zhǔn)件，損壞后更換比較方便，可內(nèi)絲為非標(biāo)件，若直接攻于夾具體上，損壞將影響整個夾具的使用壽命，為提高夾具的使用壽命，增加易損件的可維修性，特將壓緊裝置設(shè)計為一可更換的定位銷固定板，通過螺栓、銷釘固定于夾具體上，若內(nèi)絲損壞，可將此定位板直接更換，增加了夾具的使用壽命及可維修性。

2.1.3 夾具體

夾具體是本工裝的基礎(chǔ)元件，定位裝置、壓緊裝置等都要安裝于此夾具體上，且整個工裝也是靠夾具體連接于機(jī)床上，故夾具體要有足夠的強(qiáng)度和剛度、良好的結(jié)構(gòu)工藝性等各方面的要求[2]。為達(dá)到整個工裝對夾具體的使用要求，在設(shè)計時底板為與工作臺連接的基準(zhǔn)面板，其與工作臺連接的安裝基面為加工其余零件表面的主要定位基面，需要精密加工并進(jìn)行淬硬處理；前立板、后立板作為夾具體的兩大支撐結(jié)構(gòu)板，高度板及定位板皆安裝于此兩立板上；為保證兩立板有足夠的剛度，在設(shè)計時增加了4個加強(qiáng)筋板，用于連接底板及前、后立板；為確定工裝在機(jī)床上的安裝位置，特設(shè)計了基準(zhǔn)軸，并在底板的十字線位置鉆鉸了定向銷孔，以便通過基準(zhǔn)軸及件定向銷與機(jī)床進(jìn)行正確的定位安裝。

2.1.4 動平衡配重裝置

因在本工序，鉤尾需要進(jìn)行車削加工，這就要求鉤尾中心需與工作臺中心重合，需要進(jìn)行動平衡考慮。由于本工裝全部應(yīng)用三維軟件NX8.0進(jìn)行三維設(shè)計，NX軟件可通過設(shè)置各個零件的材料，輸入相應(yīng)材料的密度，點(diǎn)擊“測量體”得出整個零件的重心位置，所以計算本工裝與鉤體的重心位置便變的簡單。由于鉤尾中心線通過鉤體質(zhì)心并與整個鉤體的中心線一致，且設(shè)計工裝時將鉤體的中心線與工裝的中心線重合，故本套工裝的配重比較簡單。

2.2 五軸工裝2設(shè)計

和五軸工裝1工裝一致，本工裝也大體由定位裝置、夾緊裝置、夾具體及其它裝置組成，，下面也主要介紹這幾個機(jī)構(gòu)裝置，具體詳見圖5.

圖5 五軸工裝2示意圖

2.2.1 定位裝置

（1）在上一步的五軸加工中，除連掛面部分及主軸孔未加工外，其余部分已全部加工完畢，故擬選用上一工序已加工好的三個平面作為定位基準(zhǔn)平面（詳見圖5工件圖所標(biāo)注）。定位裝置采用3個定位板三塊高度板3個已加工好的定位基準(zhǔn)面進(jìn)行6個自由度的限位。為防止定位板過快磨損而影響定位精度，在設(shè)計時，對定位板及高度板進(jìn)行了淬硬處理。為保證加工連掛面及凸、凹錐各尺寸時對已加工好的鉤身、鉤尾等各部位的尺寸及位置精度，要求定位板及高度板在總組裝后進(jìn)行加工，以保證定位板及高度板高度一致，且以工裝與機(jī)床的安裝基準(zhǔn)軸為加工基準(zhǔn)進(jìn)行加工,以滿足圖紙上標(biāo)注的尺寸公差要求。

（2）為保證鉤體定位精度更加準(zhǔn)確，特在三個高度板上加了3個輔助定位頂緊螺釘，此3個頂緊螺釘可保證鉤體基準(zhǔn)面與定位板無間隙的定位。

2.2.2 壓緊裝置

為避免加工過程中產(chǎn)生干涉等現(xiàn)象，根據(jù)鉤體的形狀特點(diǎn)，首先，選定已加工好的鉤尾為夾緊部位進(jìn)行夾緊，夾緊裝置由半環(huán)組成、半環(huán)組成壓板、半環(huán)組成螺栓組件等組成，裝夾時由夾緊裝置夾緊鉤尾臺階，通過螺栓進(jìn)行預(yù)緊；其次，考慮到壓緊安全裕量，特設(shè)計了由左側(cè)板組成、左壓板、輔助墊塊、螺栓組件等組成的左側(cè)面壓緊裝置和由右側(cè)板組成、彎頭壓板、螺栓組件等組成的右側(cè)面壓緊裝置。

2.2.3 夾具體

與上套工裝一樣，為保證定位裝置及壓緊裝置可靠的安裝于工裝上，且工裝能準(zhǔn)確地連接于機(jī)床上，特設(shè)計了由底板、后立板、前立板、左側(cè)板組成、右側(cè)板組成、加強(qiáng)筋板及基準(zhǔn)軸等組成的夾具體，其結(jié)構(gòu)及要求與上套夾具體大體一致，故不再累述。

2.2.4 動平衡配重裝置

因車削凸錐比銑削凸錐質(zhì)量佳、效率高，所以本工序凸錐的加工主要由車削完成。由于鉤體凸錐中心線不在整個鉤體的中心線上，故設(shè)計工裝時需要將凸錐中心線設(shè)計與工作臺中心線重合，這樣就造成了本序車削加工時，產(chǎn)生了嚴(yán)重的動不平衡。通過應(yīng)用NX8.0三維軟件，找出了現(xiàn)有工裝及鉤體的重心位置，設(shè)計相應(yīng)的配重塊。考慮到鑄件毛坯及配重加工的方便和調(diào)整配重的靈便，本配重塊設(shè)計成由多塊10mm厚的鋼板組成的配重塊組合，試車時，根據(jù)機(jī)床信息，增減相應(yīng)配重，從而在車削凸錐時達(dá)到機(jī)床的動平衡。

3 實(shí)踐驗證

根據(jù)上述的設(shè)計圖紙，制造了相應(yīng)的五軸工裝。按五軸加工工藝路線加工完2件車鉤鉤體后，在三坐標(biāo)測量機(jī)上對鉤體進(jìn)行了三維檢測，檢測結(jié)果完全達(dá)到了圖紙要求；組裝完成后在組裝試驗臺上進(jìn)行了車鉤的各項性能試驗，實(shí)驗結(jié)果完全滿足試驗要求。工裝及鉤體示意詳見圖6.到目前為止，工裝投入使用以來已加工地鐵車輛鉤體上千件，相較以往采用臥加及普通機(jī)床加工此鉤體，產(chǎn)品精度得到了更好的保證，生產(chǎn)效率更是提高了數(shù)倍以上。實(shí)踐證明，此工裝設(shè)計合理、定位準(zhǔn)確、裝夾可靠，無任何干涉現(xiàn)象，完全達(dá)到了提高產(chǎn)品制造精度及產(chǎn)品生產(chǎn)率的效果。

圖6 工裝及產(chǎn)品實(shí)物圖

4 結(jié)束語

城軌交通的發(fā)展離不開先進(jìn)制造技術(shù)的支撐，五軸加工機(jī)床作為先進(jìn)制造技術(shù)的代表已經(jīng)體現(xiàn)出了無可比擬的優(yōu)勢，但若無相應(yīng)工裝配套，五軸機(jī)床的優(yōu)勢將會大打折扣，故只有結(jié)合每個鉤體的特點(diǎn)，設(shè)計出相應(yīng)的工裝夾具，五軸的優(yōu)勢才能很好地體現(xiàn)出來，地鐵車輛鉤體產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)效率才能達(dá)到更高的臺階。

[1]李昌年．機(jī)床夾具設(shè)計與制造[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

[2]王光斗，王春福．機(jī)床夾具設(shè)計手冊[M]．上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2000．

Design and Application of5-axis Machine’s Fixture for Metro Vehicle Coupler

QIN Lei
（Qindao Sifang Rolling Stock Research Institute Co.，Ltd.，Qingdao Shandong 266041，China）

In the tightlock coupler draft gears in the development process，in order to improve the manufacturing precision of Leptospira and production efficiency，through the analysis of the hook，put forward five axis machining process route of leptospira.In order to meet the requirement of five axis machining technology，this paper designs the fixture of the two sets of five axis machine tools.

coupler；5-axis machine；fixture;process line

TG 751.9

B

1672-545X（2017）02-0092-04

2016-11-24

秦磊（1983-），男，山東沂南人，工程師，本科，研究方向為機(jī)械制造工藝。