某車型轉向架車輪內孔加工工藝]分析及優化研究

高振興，鄭小花

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

隨著我國軌道交通的高速發展，對軌道交通車輛性能的要求越來越高，作為走形部件轉向架的車輪質量尤為關鍵，如果車輪出現質量問題，將發生難以估量的后果。例如某車型轉向架車輪內孔尺寸為φX(0，+0.052)mm，表面粗糙度為Ra1.6。目前加工車輪內孔時主要存在裝夾定位時間長、刀具使用壽命短、內孔測量尺寸不準確等問題。本次研究從車輪正確快速裝夾定位和校正、刀具和切削參數合理選擇、選擇正確的量具及測量方法等多方面開展，確保加工的車輪內孔滿足設計尺寸要求，保證產品質量。

1 車輪加工工藝難點

圖1的某車型轉向架車輪內孔尺寸公差要求為φXH6(0，+0.052)mm，圓柱度要求在0.02 mm以內，表面粗糙度要求Ra1.6，在實際生產過程中主要存在以下難點。

1)由于車輪內孔圓柱度要求是0.02 mm，在車輪裝夾定位時首先需要保證車輪外側輪輞面定位在同一水平面上，平面度誤差在0.02 mm以內，車輪定位精度高。因此，選擇合理的工裝夾具尤為重要。

2)車輪內孔尺寸精度在0.052 mm以內，加工精度要求高，且每天約加工40件車輪，因此須選擇合理的切削刀具。

3)車輪內孔精度高，在測量時應消除量具本身對車輪內孔尺寸的影響。

圖1 車輪內孔尺寸示意

2 車輪加工過程中產生誤差的原因

車輪內孔加工后實際幾何參數與理想幾何參數之間的符合程度即為加工精度。通過分析影響加工誤差的各種因素及其存在的規律，可以幫助找到減少加工誤差、提高加工精度的合理途徑。車輪內孔加工過程主要受5種因素影響。

1)加工工藝誤差。加工工藝對工件加工精度的影響至關重要，加工工藝中規定加工工藝所需要的設備、刀具、參數、工具、操作人員、加工工序流程，加工過程中的各項參數選定都直接影響著產品的質量。

2)定位誤差。車輪的設計基準與加工時的工序基準不重合時，將產生定位誤差。

3)調整誤差。在機械加工的每一工序中，須對工件進行不同程度的調整。由于調整不可能絕對準確，因而產生調整誤差。

4)刀具的幾何誤差。刀具的幾何誤差對工件的加工精度有直接的影響，尤其是數控加工，工件加工程序都是按照刀具的理論尺寸進行編程。如果刀具的尺寸有誤差，將導致加工出來的零件產生相應的誤差。

5)受熱變形產生的誤差。熱變形對工件加工精度的影響較大，特別是精密加工和大工件加工中，由熱變形所引起的加工誤差可占工件總誤差的50%。機床、刀具和工件受到各種熱源的作用，溫度會逐漸升高，同時通過各種傳熱方式向周圍的物質和空間散發熱量。

3 保證車輪內孔加工精度的技術方案

3.1 正確的裝夾方式

工件的正確裝夾方式往往能夠達到事半功倍的效果，車輪質量約900 kg，如果直接校正裝夾，在加工過程中會出現車輪跳動甚至飛離的情況。大批量連續生產是現場加工的特點。因此，應采用設計專用夾具(見圖2)，這樣就減少更換，降低調整誤差；針對不同車輪，在工作臺上增加不同尺寸的等高墊；采用4個等高墊保證車輪裝夾在同一平面上，且等高墊高度差須保證在0.02 mm以內等措施，才能保證車輪平面度。

圖2 夾具和等高墊

加工前，將車輪吊上工作臺，并使車輪外側面靠貼在等高墊上，用千分表校正車輪踏面，校正誤差在0.02 mm以內。

為對比使用專用夾具和等高墊與未使用專用夾具和等高墊對車輪內孔加工的裝夾定位時間和加工后質量的影響，分別統計了100個該項目車輪內孔的加工情況，具體情況如圖3所示。

圖3 車輪裝夾定位所用時間和車輪內孔返工數量對比柱狀圖

通過對比分析，使用專用夾具和等高墊，每件車輪裝夾定位時間縮短12 min，裝夾效率提高60%；每100件加工的車輪內孔返工數量減少4件，一次性加工合格率從94%提升至98%。

3.2 合理選擇刀具參數及切削參數

3.2.1 刀具優化

車輪內孔粗加工中選用42210HO刀片(見圖4)，由于車輪內孔單邊加工量為2～3 mm，加工量較大，且加工過程中鐵屑不斷屑，易產生積屑瘤，在加工油槽車削時刀片容易蹦韌，造成刀片極大的浪費，甚至會造成車輪報廢。通過工藝分析對刀片進行改進，即對刀片重新開刃(見圖5)，改變刀具前角，減少加工過程中的切削變形和切削力，抑制積屑瘤的產生，使加工產生的鐵屑斷屑。

圖4 原刀片

圖5 修改刀具前角后的刀片

為了對比刀具優化前后對車輪內孔加工的影響，分別統計了100件刀片可加工車輪內孔的平均數量，具體如圖6所示。

圖6 每件刀片可加工車輪內孔數量的對比柱狀圖

通過修改刀具前角解決了刀片過油槽時蹦韌的問題，原來每個刀片可加工3件車輪內孔，優化后的刀片可加工9個車輪內孔，刀具壽命提高3倍。

3.2.2 切削參數優化

車削ER8材質的車輪內孔：切削速度150 m，吃刀深度1.5 mm，進給0.5 mm/轉，刀尖圓角R1.2。則車削表面最大粗糙度=0.5×0.5/1.2/8×1 000=26.04 μm，那么Ra=最大粗糙度/10=2.6 μm，為考慮加工效率，因此選用了帶修光刃的刀片，粗糙度會降低1/2(約Ra1.3)。由此可以保障車輪內孔粗糙度符合設計要求。

3.3 合理選擇和使用切削液

粗車、精車加工時，選用潤滑性能好的乳化液或切削油，連續、充分地澆注，可以減小刀具與切屑、刀具與工件過渡表面之間的摩擦，主要是降低切削溫度、減小了切削變形，改善已加工表面的質量和提高刀具使用壽命。同時工件不受切削熱的影響降低工件變形量。在粗車、精車時，用冷卻液與不用冷卻液的比較，如表1和表2所示。

從表1和表2中可以看出，在相同的轉速、進給量時，選擇不同的切削深度，使用冷卻液與不用冷卻液工件變形量有明顯差異。

表1 粗車、精車切削不用冷卻液加工數據表

表2 粗車、精車切削使用冷卻液加工數據表

3.4 正確選擇量具

車輪內孔原采用內徑千分尺(見圖7)測量，由于內徑千分尺上沒有測力裝置，測量壓力的大小完全靠感覺，且測量時很容易出現如圖8所示的錯誤位置，導致測量結果不準確；同時因操作者接觸量具導致測量尺受熱變形而影響測量精度。當內孔錐度小于0.005 mm時，無法確定車輪內孔是否保證了順錐。且車輪內孔尺寸的測量點為內側孔口往下25 mm的位置，測量位置不易確定。

設計車輪內孔尺寸測量專業量具，避免操作者直接與量具接觸，同時固定測量深度，從而準確、快速地測量出車輪內孔尺寸。

圖7 內徑千分尺

圖8 內徑千分尺測量的錯誤位置

圖9 改善后使用的量具

為對比量具優化前后對車輪內孔尺寸測量的影響，使用2種量具分別測量100件車輪內孔，測量數據如圖10所示。

圖10 量具優化前后測量車輪內孔時間和復量對比柱狀圖

通過對量具的優化，每件車輪內孔的測量時間由60 s縮短至30 s，測量效率提升50%，車輪內孔一次性測量合格率從90%提升至99%，保證了測量效率和測量準確性。

3.5 正確的測量方法

溫度對測量結果影響很大，車輪的精密測量一定要使車輪和量具都在20℃的情況下進行，一般可在室溫下進行測量，但必須使工件與量具的溫度一致，否則，由于金屬材料的熱脹冷縮的特性，使測量結果不準確。測量前應把量具的測量面和車輪的內孔都要揩干凈，以免因有臟物存在而影響測量精度。測量內孔時，須采用“十字”交叉方式，沿內孔深度方向測量3個截面直徑尺寸，根據測量值可分析出直徑尺寸、圓柱度、錐度等是否均在合格范圍內。

4 結語

通過對車輪內孔加工工藝分析和研究，優化了車輪的裝夾和定位方式，使用專用夾具和等高墊，每件車輪裝夾定位時間縮短12 min，裝夾效率提高60%；改變車削內孔刀片的前角，使刀片壽命延長了3倍；在加工過程中不斷澆注切削液，減少加工過程中的變形量；使用車輪內孔測量專用量具，每件車輪內孔的測量時間由60 s縮短至30 s，測量效率提升50%，車輪內孔一次性測量合格率從90%提升至99%；測量車輪內孔時采用正確的測量方法等措施。通過以上幾種措施解決了車輪內孔加工過程中的工藝難點，車輪內孔加工合格率為99.9%，同時為后續同類產品的生產積累了制造經驗。