分體式軸箱體軸承孔加工工藝改進

■ 中車青島四方機車車輛股份有限公司 （山東 266111） 管益輝 陶有朋 安 迪

1. 軸箱體結構及工藝要求

軸箱體是動車組轉向架的重要部件，是連接輪對和構架的活動關節，可用來傳導動車組在行駛過程中的牽引力、制動力、橫向力和垂向力，并實現輪對與構架的定向相對運動。傳統動車軸箱體多為轉臂式結構。本文介紹的是一種新型軸箱體，如圖1所示，分上箱體、下箱體和壓蓋，通過螺栓聯接。

圖1 分體式軸箱體結構

該分體式結構相對于傳統的轉臂式軸箱體具有如下優點：①能為制動夾鉗的安裝留出足夠空間。②密封性更好，上、下箱體設置了排水槽，可避免液體直接進入軸箱體內部。③極大地簡化了工序，更換輪對時不需抬車，僅拆卸下箱體便可實現快速更換。

輪對軸箱組裝前，用螺栓將上、下箱體組裝。尺寸要求為：測量距離箱體端面一定距離下任意十字交叉的4個點數值，最大值滿足φ230+0.067+0.011m m，平均值滿足φ230+0.047+0.011mm。

在現車試驗驗證過程中，發現70%左右的軸箱體均超出上差，16%直接報廢。

2. 超差原因分析

（1）試驗內容。為解決上述問題，進一步提高軸箱體加工質量，對現場6套分體式軸箱體進行如下試驗：①對鑄鐵材質分體式軸箱體進行加工試驗，驗證材質對軸承孔尺寸變化的影響。②增加退火工序，驗證是否有鑄造、粗加工及焊補應力殘留，造成精加工后的軸承孔尺寸變化。③通過先噴漆后精加工試驗，驗證噴漆與精加工的先后順序對軸承孔尺寸變化的影響。④增加錐面新結構，驗證結構對軸承孔尺寸變化的影響。⑤采用錐度定位銷定位，驗證定位銷對軸承孔尺寸變化的影響。

（2）要因確定。通過對試驗結果的分析，確定軸承孔尺寸超差原因如下：①定位銷與定位孔間存在間隙，上、下箱體的定位孔中心距存在偏差，造成上、下箱體的重復定位精度不夠，此為主要原因。②上、下箱體薄壁厚度不均勻，存在剛度差。③加工及焊修應力。

3. 優化方案

分體式軸箱體組裝是通過下箱體2個定位圓銷與上箱體2個定位銷孔進行定位安裝的。因此，分體式軸箱體軸承孔精度主要取決于定位圓銷與定位銷孔的重復定位精度，可通過以下措施提高再定位精度：

（1）改變夾緊方式，提高上、下箱體組裝定位面平面度。改變夾緊方式消除夾緊變形，增加側面頂緊力。精加工定位平面及定位銷孔時取消壓緊力，只用側面4個螺栓頂緊（見圖2），提高定位面平面度及上箱體2個定位銷孔中心距的加工精度。

（2）提高定位銷孔的加工精度。定位銷孔尺寸要求為φ10+0.009+0mm，偏差范圍較小，需改進定位銷孔加工工藝來提高定位銷孔的加工精度：將鉆鉸工序改為鉆、擴、粗鉸和精鉸。精鉸孔時，使用花生油潤滑冷卻刀具，同時，在每次鉸孔前清除鉸刀殘留切屑，防止殘留切屑劃傷孔壁。

圖2 分體式軸箱體側面夾緊方式

（3）提高定位圓銷與定位銷孔的配合精度。用三坐標測量儀檢測上箱體定位銷孔、下箱體定位圓銷中心距，同時統計變化規律，對數控加工中心的程序進行改進，通過調整加工程序，使此兩種中心距一致。按上、下箱體中心距≤0.01mm進行選配組裝。

定位圓銷、定位銷孔加工精度高，對測量定位圓銷、定位銷孔的量具采用專尺專用的計量方式。測量選配定位圓銷與定位銷孔配合公差，將精確至0.001mm的結果分別記錄在上、下箱體上。上、下箱體組裝時，采用銷、孔直徑差值0.001mm的標準過渡配合以控制組裝精度。

（4）控制裝配過程精度。制造專用定位銷安裝工裝，專人裝配，提高裝配精度。

4. 殘余應力分析

為進一步提高軸箱體加工質量，降低上、下箱體剛度差異和焊修、加工應力對軸承孔尺寸的影響，持續優化分體式軸箱體加工工藝。先后對6件分體式軸箱體加工研究，得出以下結論：分體軸箱體精加工后，軸承孔表面殘余應力為拉應力（約500MPa），且結構上存在薄懸臂結構，易引起軸承孔尺寸的變化。殘余應力為拉應力狀態還是壓應力狀態主要取決于切削參數。

5. 驗證方案

根據上述結論進行現場加工測量驗證。主要驗證對精鏜孔影響最大的切削參數，包括主軸轉速S及進給速度F。背吃刀量對精鏜孔影響最小，忽略不計，粗鏜留量不變，繼續按0.11～0.20mm控制。

前期生產時軸承孔的鏜削順序為粗鏜→半精鏜→精鏜，加工鏜削參數為S=430r/min、F=63mm/min，在此基礎上對工藝流程及切削參數進行了優化，設計了方案驗證，具體試驗情況如下：

（1）方案A：軸承孔的鏜削順序為粗鏜→半精鏜→精鏜，鏜削參數為S=140r/min、F=10mm/min。

（2）方案B：軸承孔的鏜削順序為粗鏜→半精鏜→拆箱4h→合箱→精鏜，鏜削參數為S=140r/min、F=10mm/min。精鏜時，須用電子尋邊器重新找正X、Y、Z、B軸等坐標系原點。不同工件找正時間長短不同，從試驗件的找正過程看，找正時間10～20min。

（3）方案C：軸承孔的鏜削順序為粗鏜→半精鏜→噴漆→拆箱4h→合箱→精鏜，鏜削參數為S=140r/min、F=10mm/min。在合箱后精鏜前，使用電子尋邊器進行重新找正，耗時10～20min。由于半精鏜后進行噴漆處理，排障器安裝面及垂向減振器座的φ17.5mm孔內存有多余油漆，導致二次裝夾擰緊過程不順暢，裝夾作用力影響軸承孔精度。

（4）方案D：軸承孔的鏜削順序為粗鏜→半精鏜→拆箱4h→合箱→精鏜，鏜削參數為S=200r/min、F=20mm/min。精鏜時，重新找正時間10～20min。

（5）方案E：軸承孔的鏜削順序為粗鏜→半精鏜→低溫回火→拆箱4h→合箱→精鏜，鏜削參數為S=200r/min、F=20mm/min。精鏜時，重新找正時間10～20min。

（6）方案F：軸承孔的鏜削順序為粗鏜→半精鏜→低溫回火→精鏜，鏜削參數為S=200r/min、F=20mm/min。精鏜時，重新找正時間10～20min。

6. 各方案對比

統計6種方案尺寸（見附表），其中開、合箱測量結果是按圖樣要求的φ230+0.047+0.011mm尺寸進行評價處理，優于制造技術條件要求的φ230+0.067+0.011mm尺寸。

由附表可以看出，方案E、F開、合箱測量結果最好，但已加工表面微黃且工序流轉時間長，增加2次車輛運輸，已精加工面存在磕碰危險。綜合考慮后，選用方案D作為批量車生產工藝流程。

方案D對分體軸箱體二工序加工進行了優化，具體操作流程為：裝夾找正（不變）→銑后蓋面（不變）→粗鏜孔（不變）→半精鏜孔（不變）→鉆攻螺紋孔（不變）→銑溝槽倒角（不變）→角度頭鉆注油孔（工序提前）→回裝卸臺位卸工件（增加）→拆開上下箱體（增加）→存放4h及清理上、下箱體（增加）→重新合箱（增加）→重新裝夾找正（增加）→精鏜軸承孔、后蓋孔，銑止推面（增加），精鏜參數為S=200r/min、F=20mm/min→檢測各部尺寸，流入下一工序。

7. 工藝改進效果

如圖3所示，測量1、2、3、4四個截面，每個截面上測量a、b、c、d、e五處直徑，記錄20個直徑數值，比較拆卸前后相同點的數值變化及所有點中的最大偏差。

拆卸前后比較相同點數值：工藝改進前最大變化量為0.030mm，而改進后最大變化量為0.015mm。

6種方案尺寸驗證情況

圖3 檢測部位示意圖

拆卸前后20處直徑最大偏差比較：設計制造條件要求的最大偏差為0.056mm，工藝改進前拆卸后最大偏差為0.069mm，而改進后為0.030mm，提高了0.039mm。

通過工藝驗證、改進，工藝改進后軸承孔加工質量得到提升，有效保證了分體式軸箱體的加工質量。

8. 后期打算

分體式軸箱體的加工質量得到保證后，后期重點工作是進行效率提升。①工裝優化：分析新工藝精鏜找正增加找正時間的原因，通過優化工裝定位件，減少找正時間。②刀具優化：分析軸承孔加工刀片切削參數，驗證新刀片，增加每個刀尖加工軸承孔數量，同時繼續優化新刀片切削參數。

[1] 王先逵. 機械制造工藝學[M]. 北京：機械工業出版社，2006.

[2] 陳為國. 數控加工編程技術[M].北京：機械工業出版社，2013.

[3] 彭林中，張宏. 簡明金屬機械加工工藝手冊[M]. 北京：化學工業出版社，2012.