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編者按

本文針對(duì)某高速列車構(gòu)架關(guān)鍵部件齒輪箱吊座下的平面鉆床加工效率低的問題，結(jié)合齒輪箱吊座結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于現(xiàn)有工藝流程及數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)水平，通過設(shè)計(jì)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(duì)比試驗(yàn)，在提高加工效率的同時(shí)，有效提升了產(chǎn)品質(zhì)量和自動(dòng)化程度。

1  序言

轉(zhuǎn)向架是高速列車上最為重要的部件之一，直接關(guān)系著高速列車的安全性、平穩(wěn)性、舒適性和可靠性。構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的“骨架”，它不僅是轉(zhuǎn)向架輪對(duì)、軸箱、驅(qū)動(dòng)等部件的安裝基礎(chǔ)，也是傳遞牽引力、制動(dòng)力、橫向力及垂向力的基體，是一個(gè)受力復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部件，其加工效率及加工質(zhì)量是衡量高速列車研制水平和制造能力的關(guān)鍵指標(biāo)。

構(gòu)架加工有著加工部位多、數(shù)量大及周期長的特點(diǎn)，并且受自身結(jié)構(gòu)影響，加工過程中容易產(chǎn)生振動(dòng)和彈性變形，造成空間關(guān)聯(lián)尺寸的控制難度較大。高速列車構(gòu)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(dān)構(gòu)架大部分平面、光孔和螺紋孔的加工[1]。當(dāng)部分加工部位受空間結(jié)構(gòu)影響，使用龍門加工中心難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，則需要在鉆削、鏜削工序時(shí)使用普通機(jī)床加工。受普通機(jī)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(jìn)加工工藝，將普通機(jī)床承擔(dān)的鉆削、鏜削工序作業(yè)內(nèi)容調(diào)整到數(shù)控銑削工序中，是提高構(gòu)架加工效率、質(zhì)量和自動(dòng)化程度的有效途徑。

2  試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及條件

我公司生產(chǎn)的某型高速列車構(gòu)架為H型焊接結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其關(guān)鍵部件齒輪箱吊座焊接在構(gòu)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(yán)重，所以為同時(shí)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(dòng)慢速進(jìn)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(gè)平面需要20min。

圖1　某型高速列車構(gòu)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(gòu)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(diào)整到數(shù)控機(jī)床，是提高加工效率的最有效途徑。數(shù)控機(jī)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?qū)X輪箱吊座下平面進(jìn)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(diǎn)和問題，一是要使用非標(biāo)刀桿，二是需要分層銑削。本文后續(xù)內(nèi)容將重點(diǎn)闡述如何解決上述難點(diǎn)，一方面要根據(jù)齒輪箱吊座的空間結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的加工刀具設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(biāo)件，需要設(shè)計(jì)確定刀桿直徑和刀桿長度，刀盤可以根據(jù)計(jì)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(jì)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?qū)挾龋吹毒咦钚≈睆紻min＝Wmin＝40.75mm，銑削寬度為最小值時(shí)，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(jì)算可得，刀盤直徑D的取值范圍是40.74mm≤D≤104.25 mm。

（3）計(jì)算面銑刀刀桿的最大回轉(zhuǎn)直徑D1max 加工齒輪箱吊座下平面時(shí)，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）。可計(jì)算得出，管支架距離齒輪箱吊座孔中心的最小尺寸Lmin＝＝53.03≈53（mm），當(dāng)面銑刀進(jìn)行螺旋線銑削時(shí)，刀桿的的最大回轉(zhuǎn)半徑Rmax＝Lmin＝53mm，刀桿的最大回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)直徑D2=圓盤直徑D圓盤－刀盤直徑D＝145mm－D，刀桿回轉(zhuǎn)直徑D1=刀具中心回轉(zhuǎn)直徑D2+刀桿直徑d＝145mm－D＋d≤106mm，推導(dǎo)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(jì)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(yù)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(jì)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(jié)合齒輪箱吊座圓盤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[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(jìn)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(diǎn)

G43H48Z200S600；建立刀具長度補(bǔ)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(jìn)給至螺旋線銑削起點(diǎn)高度7mm處

G01G91Y22.5；直線進(jìn)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(jì)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

M30；程序結(jié)束返回

4 實(shí)施效果

相對(duì)于原加工工藝，新加工工藝加工效率提升至4倍，加工表面平面度和加工表面質(zhì)量也有顯著提升，具體對(duì)比數(shù)據(jù)見表3。

表3　新舊加工工藝加工效果對(duì)比

5  結(jié)束語

本文針對(duì)某型高速列車構(gòu)架齒輪箱吊座下平面加工，通過數(shù)控加工刀具選型設(shè)計(jì)和數(shù)控銑削程序編制，完成了數(shù)控加工工藝對(duì)普通機(jī)床加工工藝的替代，實(shí)現(xiàn)了效率、質(zhì)量、自動(dòng)化程度的提升和勞動(dòng)強(qiáng)度的降低，取得了顯著成效。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄧鴻劍，吳向陽，李亞南，等. 高速動(dòng)車組構(gòu)架焊接工藝柔性拉動(dòng)生產(chǎn)智能制造新模式[J]. 智能制造，2022（5）：56-61.

[2] 孟繁忠，葉斌. 鏈傳動(dòng)技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[3] 柳斌杰. 實(shí)用機(jī)械加工工藝手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[4] 魏斯亮，張克義. 機(jī)床數(shù)控技術(shù)[M]. 大連：大連理工大學(xué)出版社，2006.

[5] 蔣興剛，涂曉斌. AutoCAD 2006工程繪圖及應(yīng)用開發(fā)[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社，2006.

[6] 萬宏強(qiáng)，劉軍強(qiáng)，韓權(quán)利，等. 機(jī)械制造工程學(xué)課程教學(xué)設(shè)計(jì)[J]. 時(shí)代汽車，2023（7）：54-56.

本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2024年第5期第41~43頁，作者：中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司  劉佛貴，馬寅，原標(biāo)題：《高速列車構(gòu)架齒輪箱吊座加工》。

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