地鐵車輛測力輪對深孔鉆削工藝改進

湯志鈞 楊紅偉 李建兵

摘要：本文通過對地鐵車輛測力輪對車軸穿線孔現有深孔鉆削方法進行分析，并結合實際應用情況對車軸深孔加工方法進行了優化，解決了鉆頭易斷、鉆孔排屑難、加工耗時長、加工表面質量差等問題。試驗對比表明：車軸Φ30孔采用新型槍鉆并改進鉆削方法后，其排屑性能得到明顯改善、加工時間縮短、孔表面質量得到明顯改善。同時本文通過實例為廣大讀者介紹一種深孔鉆削解決方法，希望能給大家提供幫助。

關鍵詞：深孔鉆削;槍鉆;變參數鉆孔切削循環

1、引言

測力輪對主要用于地鐵車輛正線動力學試驗，通過動力學試驗數據來評判試驗車輛的動力學性能指標是否滿足相關標準要求[1]。測力輪對作為動力學試驗中的關鍵部件之一，其車軸穿線孔、車輪斜孔、軸端孔的尺寸、車輪刻線的位置精度關系到測試信號應變片粘貼位置、測試信號方便穿線，測試信號輸出穩定，數據準確、誤差小，因此機加工尺寸精度尤為重要。

測力輪對加工車軸Φ30孔時最常見的問題是孔內鐵屑排出難、鉆桿兩條刃帶與孔壁摩擦阻力大導致加工過程中鉆桿后半部分越容易疲勞斷裂[2-3]。根據現場使用情況，鉆桿疲勞斷裂集中出現在鉆桿中部到尾部之間的區域，且鉆桿使用過程中疲勞斷裂失效概率為8%～10%，見圖1和圖2。若鉆頭斷裂比較淺可用工具將斷裂鉆頭直接取出，若鉆頭斷裂較深取出比較困難，一般是對原車軸直接進行更換。一般來說更換新車軸涉及到重新下單、采購、生產、到貨、更換，整個采購周期得3～4個月。對拖車輪對通常在廠內直接更換新車軸就可以，對于含齒輪箱動車輪對，因廠內不具備齒輪箱更換條件，需將輪對和新車軸送回齒輪箱生產廠家進行更換。因此測力輪對因Φ30孔鉆頭斷裂故障造成的采購、更換周期較長，更換成本比較高。鑒于此，我們與山特維克合作，提出用槍鉆代替傳統麻花鉆頭，并優化了Φ30孔鉆削方法和加工路徑，改進效果比較明顯，文章后面進一步介紹運用方法。

2、深孔鉆削加工難點介紹

測力輪對最大的加工難點是輪對車軸Φ30孔加工和輪對車輪Φ12斜孔加工，其中車軸Φ30孔加工也是鉆頭最容易斷裂的工序。為了方便測試信號線從車輪內側引到車輪外側，輪對車軸Φ30孔和車輪Φ12斜孔加工后必須貫通，圖3所示。目前測力輪對車軸Φ30孔最大加工深度為450mm，鉆孔深度與孔直徑比約15倍徑，加上鉆頭尾部排屑槽設計，車軸Φ30孔加工所需的鉆頭不含刀具夾持部分懸深總長要達到550mm（約18倍徑）以上，若含刀具夾持及刀柄部分則總長達到650mm以上，屬于典型的深孔鉆削加工。

目前市面上可選的標準系列鉆頭包括硬質合金麻花鉆及可換刃轉位鉆頭可選鉆孔深度在10倍徑以內，甚至有些廠家只能提供8倍徑以內的標準系列鉆頭。而有效鉆孔深度在15倍徑以上的鉆頭市場上沒有標準系列型號可選，除非是生產廠家根據用戶需求進行特殊定制。我們改進前是采用高速鋼麻花鉆來加工測力輪對Φ30底孔，因高速鋼材料延展性好，易于扭轉成型，刀具長度可以做到17倍徑且成本低廉。但是加工過程中缺點也很多：①高速鋼麻花鉆鉆頭不帶內冷出水，孔內鐵屑不能通過機床內冷水壓排出。雖然車軸Φ30孔采用啄鉆循環加工方法以方便鉆頭斷屑和排屑，但是孔加工效率低、孔表面質量差、同時加工過程中刀具振動及噪聲比較大。②加工前需手工修磨鉆頭兩個主切削刃、主切削刃與排屑槽夾角。由于是手工修磨，人員修磨技術參差不齊，加上沒有專用設備來檢測修磨后的鉆刃尺寸，因此修磨精度低。最常見的是左右主切削刃刃磨后高度不一致，排屑角度修磨不合理，加工過程中出現低的切削刃將高的切削刃加工出的鐵屑擠壓成鐵末，且鉆頭鉆得越深振動聲音越大。③鉆頭的硬度不足、壽命低。加工材料是50鋼，鉆頭加工車軸刃口容易過早磨損和鈍化。同時高速鋼鉆頭加工主軸轉速不能過高，我們現場切削參數是主軸轉速120轉/分鐘，倍率25mm/分鐘。若強行提高主軸轉速會導致高速鋼鉆刃因溫度過高而發黑，甚至主切削刃外邊緣出現豁口，俗稱：“燒刃現象”;④鉆頭刃帶與孔壁之間接觸摩擦阻力對鉆桿的變形影響較大。鉆孔越深其鐵屑在鉆桿排屑槽累積量增多及鉆頭韌帶與孔壁接觸面積變大，導致鉆桿加工過程中出現扭曲變形，這個就是Φ30鉆頭斷裂的根本原因。

3、鉆頭優化改進

測力輪對深孔鉆削加工優化改進需遵循新鉆頭預先設計、內冷設計、避免或少啄鉆、定心好、加工風險低這五條基本規則[4]。鉆頭設計不僅要滿足鉆孔深度要求，還要保證阻抗小、扭力小、易排屑、定心穩、切削部位冷卻充分。因此參與優化改進后的設備要求具備主軸內冷功能、同時還要優化鉆削方法，讓鉆削過程中阻力小、切削輕快、振動小、鉆頭斷裂風險低、讓鉆頭實現加工效率最大化。

為實現以上目標，山特維克設計出新型槍鉆替代原始高速鋼麻花鉆，新型槍鉆結構見圖4所示。新型槍鉆采用單切削刃、單排屑槽來增加排屑空間和容積。鉆刃后刀面設置兩內冷孔實現內冷加工。鉆頭設置長45mm、直徑30mm的導向面來實現孔加工過程中定位和定心。通過鉆桿（直徑28mm）比導向面半徑差小1mm，避免了鉆削過程中鉆桿側刃與孔壁之間的接觸摩擦。新型槍鉆也有以下缺點：刀具總長（含刀柄）達到650mm，鉆桿在夾套外的懸深長度達到了550mm，受自身自重原因，主軸速度越高，鉆頭頭部跳動越大，對刀具預鉆和定位特別不利。因此加工前必須給鉆頭做預留引導孔，引導孔深度最好在50～55mm左右，引導孔直徑尺寸最好比鉆頭導向定位面直徑大0.05～0.1mm，引導孔最好通過精鏜進行加工，保證孔尺寸符合要求且孔中心不偏心。

為測試新型槍鉆鉆削工藝性，用30新型槍鉆對測力輪對車軸（材質50鋼）進行鉆削試驗。測試機床為在尼古拉斯機床，主軸帶中心內冷功能。測試前先將車軸孔鉆到29.6mm，深60mm，后改用精鏜刀將預留定位孔精鏜到30.05mm，深50mm。驗證一次鉆到底（西門子系統81循環）和啄鉆（西門子系統83循環）兩種鉆削加工方式對比試驗，見圖5。測試過程中兩種鉆削加工方法及效果均不理想。采用一次鉆到底循環（西門子系統81循環）加工有以下幾個問題：①鉆頭入刀、出刀主軸轉速和進給量不可控，鉆頭入鉆時以主軸轉速400轉/分鐘，進給量40mm/分鐘，槍鉆鉆頭部分進入車軸預留定位孔時振動大。加上內冷從進刀前就開啟導致刀尖端部跳動增大，對鉆頭定位非常不利。鉆頭退刀是以機床最大進給量退刀，鉆頭導向面和鉆桿交接處會出現鐵屑擠壓拉傷刀桿。②鉆削過程中容易出現間斷性蠕滑假切削現象。這種現象是由鉆桿懸伸過長，鉆桿加工過程中出現扭曲變形到扭轉變形回彈到鉆桿再扭轉變形循環，鉆刃與工件間不斷出現暫停運動-快速滑動-暫停運動-快速滑動的這種間斷切削模式，這種間斷切削模式同時伴隨著鉆刃的振動，對鉆頭的壽命產生比較大的影響。啄鉆（西門子系統83循環）加工中除了出現一次鉆到底（西門子系統81循環）常見兩個問題外，還出現鉆頭退出孔外重復進入孔內再定位問題，由于西門子系統81循環采用恒定轉速不變的加工方式，鉆頭導向面進入或出車軸預留孔其導向面與孔壁會產生接觸振動。

通過以上兩個試驗可得出以下結論：在主軸轉速400轉/分鐘不變，進給量20mm/分鐘～25mm/分鐘可獲得圖6第1種14卷以上連續卷屑。由于鐵屑排不出底孔，鐵屑留在孔內擠壓成餅狀，再高的內冷水壓也無法將鐵屑沖出孔外，這種鐵屑對深孔加工特別不利。主軸轉速400轉/分鐘不變，進給量上升到28mm/分鐘～30mm/分鐘之間可以獲得圖6第2種帶刺狀鐵屑，這種鐵屑雖然有所改善，它在孔深200mm前能順利排出，在孔深200mm后排出變慢，甚至排不出。主軸轉速400轉/分鐘轉，進給量升到35mm/分鐘～40mm/分鐘之間可以獲得圖6第3種比較理想的鐵屑，這種形狀的鐵屑完全可以通過內冷水壓帶出孔外，然而這個參數范圍產生間斷性蠕滑假切削概率比較大。

4、變參數鉆孔切削循環

通過前面的兩個常用的鉆削循環示例表明：淺孔鉆削循環和啄鉆循環因主軸轉速恒定不可變、退刀速度快、采用固定參數加工法都不適合新型槍鉆深孔鉆削加工。因此我們提出一種適用于深孔鉆削的變參數鉆孔切削循環加工方法。這種加工方法就是根據槍鉆加工特點，在鉆削各個階段設置不同的鉆削參數，方便槍鉆以低轉速高進給量快速定位，采用啄鉆的模式在鉆孔各區間段實現變參數加工，讓切削力均勻過度。在保證切削輕快、振動小的前提下，實現切削效率最大化。

為測試新型槍鉆采用變參數鉆削循環加工工藝性，在測試所需設備、車軸材料、預留精鏜孔尺寸及深度與前面淺孔鉆削循環和啄鉆循環保持一致的基礎上制定了圖7所示加工方法。該方法有以下幾點改進：①預鉆孔進刀深度設置為50mm，新型槍鉆進預鉆孔和出預鉆孔主軸轉速降到60轉/分鐘，進給速度提到為1500mm/分鐘，關掉主軸內冷出水功能。在低轉速、沒有鉆頭內冷壓力造成鉆頭端部跳動條件下，鉆頭進刀和出刀非常平穩，鉆頭導向面與車軸預留孔壁間振動特別小。②鉆頭進入L1預鉆孔底部后可以將主軸轉速提高到400轉/分鐘，同時開切削液內冷功能，鉆孔過程中將鉆孔深度劃分100mm為一段（例如L2段）進行啄鉆加工，每一段保證主軸轉速400轉/分鐘不變，鉆削進給量從L2起始點28mm/分鐘均勻提速到L2終點35mm/分鐘。通過現場試驗驗證，該方法可以有效消除間斷性蠕滑假切削現象，同時鉆孔切削比較平穩。③每一段鉆孔起始點與上一段鉆孔最終點之間的安全距離設置為5mm，從預鉆孔位置快速到開始鉆孔位置和快速退刀到預鉆孔位置主軸轉速可保持在400轉/分鐘、進給量1500mm/分鐘不變，避免鉆頭快進快出鐵屑拉傷鉆桿和孔壁。通過以上三條改進基本解決了新型槍鉆排削問題和振動問題，同時降低了鉆頭斷裂風險，同時孔的表面質量也得到了明顯提高。

變參數鉆孔切削循環在深孔鉆削加工中是一個不錯是運用實例。目前許多新系統具備變參數鉆孔切削循環代碼，對于沒有變參數鉆孔切削循環代碼的機床，可以采用宏程序編程及調用的方法代替變參數鉆削循環代碼，這里不再詳細說明宏程序編程及調用的方法。

5、結語

1、對于刀具長度與直徑比在15倍徑以上的深孔加工。傳統麻花鉆不僅難買到，同時由于定心導向差、導向刃與孔壁摩擦阻力大、雙刃排屑槽截面面積小等缺點，會增加深孔加工鉆頭斷裂失效風險。

2、在15倍徑以上孔深鉆削加工中，槍鉆是一個不錯的加工選擇。因其有較長的導向側面、單切削刃、單排屑槽和較大的排屑槽截面及內冷孔。因此它能提高鉆頭的定位精度，孔壁表明質量好，適合深孔和孔的精加工。但前提是加工前必須做精鏜引導孔，精鏜孔尺寸要大于鉆頭導向面直徑0.05～0.1mm，深度要超過槍鉆導向面的長度，采用變參數鉆孔切削循環法進行加工。

參考文獻：

[1]王超.李冬梅.湯志鈞.地鐵車輛測力輪對加工工藝方案的研究[J]-軌道交通裝備與技術 2019（5）：35-39

[2]田衛軍.李郁.何扣芳.TC4鈦合金鉆削力和鉆削溫度仿真研究[J]-液壓與機床2014.42（21）：161-163

[3]仵珍謖.姜增輝.魯康平.孫晉亮.GH4169 高溫合金鉆削力的試驗研究[J]-機械設計與制造2018（8）：106-108

[4]Matt Danford.影響深孔鉆的5條規則[J]-現代制造﹒現代金屬加工2020-12：38-39

作者簡介：湯志鈞（1984-1-27），男，研究生學歷，高級工程師，從事轉向架工藝研究工作。