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高速列車構架齒輪箱吊座加工

2024-09-28 00:00:06

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編者按

本文針對某高速列車構架關鍵部件齒輪箱吊座下的平面鉆床加工效率低的問題，結合齒輪箱吊座結構特點，基于現(xiàn)有工藝流程及數(shù)控機床加工技術水平，通過設計數(shù)控加工刀具和編制螺旋線銑削加工數(shù)控程序，開展數(shù)控加工工藝的對比試驗，在提高加工效率的同時，有效提升了產(chǎn)品質量和自動化程度。

1 序言

轉向架是高速列車上最為重要的部件之一，直接關系著高速列車的安全性、平穩(wěn)性、舒適性和可靠性。構架是轉向架的“骨架”，它不僅是轉向架輪對、軸箱、驅動等部件的安裝基礎，也是傳遞牽引力、制動力、橫向力及垂向力的基體，是一個受力復雜的結構部件，其加工效率及加工質量是衡量高速列車研制水平和制造能力的關鍵指標。

構架加工有著加工部位多、數(shù)量大及周期長的特點，并且受自身結構影響，加工過程中容易產(chǎn)生振動和彈性變形，造成空間關聯(lián)尺寸的控制難度較大。高速列車構架加工工序主要包括正裝銑削、反裝銑削、鉆削及鏜削等。正裝銑削和反裝銑削一般使用龍門加工中心，承擔構架大部分平面、光孔和螺紋孔的加工[1]。當部分加工部位受空間結構影響，使用龍門加工中心難以實現(xiàn)時，則需要在鉆削、鏜削工序時使用普通機床加工。受普通機床功能和精度影響，加工效率較低，平面度等幾何誤差和表面粗糙度值較大[2]。通過改進加工工藝，將普通機床承擔的鉆削、鏜削工序作業(yè)內容調整到數(shù)控銑削工序中，是提高構架加工效率、質量和自動化程度的有效途徑。

2 試驗過程

2.1 試驗設備及條件

我公司生產(chǎn)的某型高速列車構架為H型焊接結構，如圖1所示。其關鍵部件齒輪箱吊座焊接在構架橫梁上，如圖2所示，加工工藝見表1。下平面使用鉆床锪平加工，刀桿直徑60mm，高速鋼锪平刀的懸伸長度42.5mm 。由于锪平刀懸伸長度較長，剛性較差，加工過程中讓刀現(xiàn)象很嚴重，所以為同時保證加工尺寸、平面度和表面粗糙度要求，锪平需要分粗加工和精加工，采用手動慢速進給，并且需要多次暫停測量板厚及平面度，但該加工方式效率較低，每加工一個平面需要20min。

圖1　某型高速列車構架三維示意

圖2　齒輪箱吊座加工示意表1　某型高速列車構架齒輪箱吊座加工工藝

3 解決方案

3.1 確定工藝方案

將齒輪箱吊座下平面的加工方式由鉆床調整到數(shù)控機床，是提高加工效率的最有效途徑。數(shù)控機床上加工齒輪箱吊座下平面主要有3種工藝方法，具體見表2。通過表2分析可知，選用第3種工藝方法，使用面銑刀在反裝銑削工序對齒輪箱吊座下平面進行銑削加工，該方法可行性較好[3]。但是，該工藝方法仍然存在難點和問題，一是要使用非標刀桿，二是需要分層銑削。本文后續(xù)內容將重點闡述如何解決上述難點，一方面要根據(jù)齒輪箱吊座的空間結構，設計一種剛性優(yōu)良的加工刀具，最大限度地提高刀具快速銑削的能力，并且為其他類似結構的加工刀具設計提供解決思路和方法；另一方面要探索一種合適的銑削方式，克服分層銑削空跑刀、行程多的問題，從縮短刀具路徑的角度提高加工效率[4]。

表2　齒輪箱吊座數(shù)控加工工藝方法匯總

3.2 設計加工刀具

齒輪箱吊座銑削加工的面銑刀由刀桿和刀盤兩部分組成。刀桿為非標件，需要設計確定刀桿直徑和刀桿長度，刀盤可以根據(jù)計算情況選型使用，具體如下所述。

（1）確定刀具長度L刀具　齒輪箱吊座上焊有管支架，齒輪箱吊座下平面至管支架的高度差為292mm，如圖3所示。考慮理論加工余量5mm，允許焊接偏差3mm，并增加安全余量20mm，確定刀具有效長度 L刀具＝5＋3＋20＋292＝320（mm）。

圖3　齒輪箱吊座管支架尺寸一

（2）計算面銑刀刀盤直徑D的范圍齒輪箱吊座中心孔的直徑D孔為63.5mm，齒輪箱吊座下平面圓盤的直徑D圓盤為145mm。銑削區(qū)域的最小寬度Wmin＝（D圓盤－D孔）/2＝（145－63.5）/2＝40.75（mm），刀具最小直徑不能小于銑削區(qū)域寬度，即刀具最小直徑Dmin＝Wmin＝40.75mm，銑削寬度為最小值時，刀具直徑處于最大值，即刀具最大直徑Dmax＝D圓盤－Wmin＝145－40.75＝104.25（mm）。

根據(jù)上述計算可得，刀盤直徑D的取值范圍是40.74mm≤D≤104.25 mm。

（3）計算面銑刀刀桿的最大回轉直徑D1max 加工齒輪箱吊座下平面時，要避免刀桿與管支架干涉[5]。管支架距離齒輪箱吊座孔中心在X方向尺寸為37mm（見圖4），Y方向的尺寸為38mm（見圖3）?？捎嬎愕贸?，管支架距離齒輪箱吊座孔中心的最小尺寸Lmin＝＝53.03≈53（mm），當面銑刀進行螺旋線銑削時，刀桿的的最大回轉半徑Rmax＝Lmin＝53mm，刀桿的最大回轉直徑D1max＝2Rmax＝2×53＝106（mm）。

圖4　齒輪箱吊座管支架尺寸二

（4）確定面銑刀刀桿直徑d和刀盤直徑D 刀具中心回轉直徑D2=圓盤直徑D圓盤－刀盤直徑D＝145mm－D，刀桿回轉直徑D1=刀具中心回轉直徑D2+刀桿直徑d＝145mm－D＋d≤106mm，推導得出D－d≥29mm，從而得知刀盤直徑越大，刀桿直徑越大。

為了提高刀具剛性，根據(jù)上述計算，選定刀盤直徑D為100mm，并選型確定刀盤高度H為50mm，刀桿直徑為d≤D－29mm＝71mm，考慮半徑方向預留5mm左右的安全距離，參考優(yōu)先系數(shù)，選定刀桿直徑d為50mm 。由此可計算得出刀桿長度L刀桿=刀具長度L刀具－刀盤高度H，即L刀桿＝L刀具－H＝320－50＝270（mm）。

綜上所述，面銑刀尺寸已全部確定，有效長度L刀具為320mm，刀盤高度H為50mm，刀盤直徑D為100mm，刀桿長度L刀桿為270mm，刀桿直徑d為50mm。

3.3 編制數(shù)控加工程序

為了減少齒輪箱吊座分層銑削空跑刀行程，結合齒輪箱吊座圓盤結構特點[6]，鑒于刀具直徑＜圓盤直徑，考慮采用螺旋線銑削的方式，能最大限度地縮短切削路徑，并且加工過程中切削力平穩(wěn)。板厚方向加工余量為5mm，增加2mm安全余量，從7mm位置開始銑削，螺旋線銑削一圈，板厚方向進0.5mm。螺旋線半徑R＝（D圓盤－D）/2＝（145－100）/2＝22.5（mm）。

螺旋線銑削加工程序如下所述。

G0G56X200Y0；快速定位至程序起點

G43H48Z200S600；建立刀具長度補償

X0；快速定位至齒輪箱吊座中心

Z20；快速定位至安全高度20mm處

G01Z7M03F600；直線進給至螺旋線銑削起點高度7mm處

G01G91Y22.5；直線進給至齒輪箱吊座圓盤邊緣G03J-21.5Z-7. K14；螺旋線銑削14圈，高度方向累計加工7mm

G03J-21.5；圓周銑削1圈，消除螺旋線銑削余量

G0G90Z20；退刀至高度20mm

X200；退刀至X方向200mm

G0G90Z200.M08；退刀至高度200mm

M05；主軸停止