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高速列车构架齿轮箱吊座加工

2024-09-28 00:00:06

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编者按

本文针对某高速列车构架关键部件齿轮箱吊座下的平面钻床加工效率低的问题，结合齿轮箱吊座结构特点，基于现有工艺流程及数控机床加工技术水平，通过设计数控加工刀具和编制螺旋线铣削加工数控程序，开展数控加工工艺的对比试验，在提高加工效率的同时，有效提升了产品质量和自动化程度。

1 序言

转向架是高速列车上最为重要的部件之一，直接关系着高速列车的安全性、平稳性、舒适性和可靠性。构架是转向架的“骨架”，它不仅是转向架轮对、轴箱、驱动等部件的安装基础，也是传递牵引力、制动力、横向力及垂向力的基体，是一个受力复杂的结构部件，其加工效率及加工质量是衡量高速列车研制水平和制造能力的关键指标。

构架加工有着加工部位多、数量大及周期长的特点，并且受自身结构影响，加工过程中容易产生振动和弹性变形，造成空间关联尺寸的控制难度较大。高速列车构架加工工序主要包括正装铣削、反装铣削、钻削及镗削等。正装铣削和反装铣削一般使用龙门加工中心，承担构架大部分平面、光孔和螺纹孔的加工[1]。当部分加工部位受空间结构影响，使用龙门加工中心难以实现时，则需要在钻削、镗削工序时使用普通机床加工。受普通机床功能和精度影响，加工效率较低，平面度等几何误差和表面粗糙度值较大[2]。通过改进加工工艺，将普通机床承担的钻削、镗削工序作业内容调整到数控铣削工序中，是提高构架加工效率、质量和自动化程度的有效途径。

2 试验过程

2.1 试验设备及条件

我公司生产的某型高速列车构架为H型焊接结构，如图1所示。其关键部件齿轮箱吊座焊接在构架横梁上，如图2所示，加工工艺见表1。下平面使用钻床锪平加工，刀杆直径60mm，高速钢锪平刀的悬伸长度42.5mm 。由于锪平刀悬伸长度较长，刚性较差，加工过程中让刀现象很严重，所以为同时保证加工尺寸、平面度和表面粗糙度要求，锪平需要分粗加工和精加工，采用手动慢速进给，并且需要多次暂停测量板厚及平面度，但该加工方式效率较低，每加工一个平面需要20min。

图1　某型高速列车构架三维示意

图2　齿轮箱吊座加工示意表1　某型高速列车构架齿轮箱吊座加工工艺

3 解决方案

3.1 确定工艺方案

将齿轮箱吊座下平面的加工方式由钻床调整到数控机床，是提高加工效率的最有效途径。数控机床上加工齿轮箱吊座下平面主要有3种工艺方法，具体见表2。通过表2分析可知，选用第3种工艺方法，使用面铣刀在反装铣削工序对齿轮箱吊座下平面进行铣削加工，该方法可行性较好[3]。但是，该工艺方法仍然存在难点和问题，一是要使用非标刀杆，二是需要分层铣削。本文后续内容将重点阐述如何解决上述难点，一方面要根据齿轮箱吊座的空间结构，设计一种刚性优良的加工刀具，最大限度地提高刀具快速铣削的能力，并且为其他类似结构的加工刀具设计提供解决思路和方法；另一方面要探索一种合适的铣削方式，克服分层铣削空跑刀、行程多的问题，从缩短刀具路径的角度提高加工效率[4]。

表2　齿轮箱吊座数控加工工艺方法汇总

3.2 设计加工刀具

齿轮箱吊座铣削加工的面铣刀由刀杆和刀盘两部分组成。刀杆为非标件，需要设计确定刀杆直径和刀杆长度，刀盘可以根据计算情况选型使用，具体如下所述。

（1）确定刀具长度L刀具　齿轮箱吊座上焊有管支架，齿轮箱吊座下平面至管支架的高度差为292mm，如图3所示。考虑理论加工余量5mm，允许焊接偏差3mm，并增加安全余量20mm，确定刀具有效长度 L刀具＝5＋3＋20＋292＝320（mm）。

图3　齿轮箱吊座管支架尺寸一

（2）计算面铣刀刀盘直径D的范围齿轮箱吊座中心孔的直径D孔为63.5mm，齿轮箱吊座下平面圆盘的直径D圆盘为145mm。铣削区域的最小宽度Wmin＝（D圆盘－D孔）/2＝（145－63.5）/2＝40.75（mm），刀具最小直径不能小于铣削区域宽度，即刀具最小直径Dmin＝Wmin＝40.75mm，铣削宽度为最小值时，刀具直径处于最大值，即刀具最大直径Dmax＝D圆盘－Wmin＝145－40.75＝104.25（mm）。

根据上述计算可得，刀盘直径D的取值范围是40.74mm≤D≤104.25 mm。

（3）计算面铣刀刀杆的最大回转直径D1max 加工齿轮箱吊座下平面时，要避免刀杆与管支架干涉[5]。管支架距离齿轮箱吊座孔中心在X方向尺寸为37mm（见图4），Y方向的尺寸为38mm（见图3）。可计算得出，管支架距离齿轮箱吊座孔中心的最小尺寸Lmin＝＝53.03≈53（mm），当面铣刀进行螺旋线铣削时，刀杆的的最大回转半径Rmax＝Lmin＝53mm，刀杆的最大回转直径D1max＝2Rmax＝2×53＝106（mm）。

图4　齿轮箱吊座管支架尺寸二

（4）确定面铣刀刀杆直径d和刀盘直径D 刀具中心回转直径D2=圆盘直径D圆盘－刀盘直径D＝145mm－D，刀杆回转直径D1=刀具中心回转直径D2+刀杆直径d＝145mm－D＋d≤106mm，推导得出D－d≥29mm，从而得知刀盘直径越大，刀杆直径越大。

为了提高刀具刚性，根据上述计算，选定刀盘直径D为100mm，并选型确定刀盘高度H为50mm，刀杆直径为d≤D－29mm＝71mm，考虑半径方向预留5mm左右的安全距离，参考优先系数，选定刀杆直径d为50mm 。由此可计算得出刀杆长度L刀杆=刀具长度L刀具－刀盘高度H，即L刀杆＝L刀具－H＝320－50＝270（mm）。

综上所述，面铣刀尺寸已全部确定，有效长度L刀具为320mm，刀盘高度H为50mm，刀盘直径D为100mm，刀杆长度L刀杆为270mm，刀杆直径d为50mm。

3.3 编制数控加工程序

为了减少齿轮箱吊座分层铣削空跑刀行程，结合齿轮箱吊座圆盘结构特点[6]，鉴于刀具直径＜圆盘直径，考虑采用螺旋线铣削的方式，能最大限度地缩短切削路径，并且加工过程中切削力平稳。板厚方向加工余量为5mm，增加2mm安全余量，从7mm位置开始铣削，螺旋线铣削一圈，板厚方向进0.5mm。螺旋线半径R＝（D圆盘－D）/2＝（145－100）/2＝22.5（mm）。

螺旋线铣削加工程序如下所述。

G0G56X200Y0；快速定位至程序起点

G43H48Z200S600；建立刀具长度补偿

X0；快速定位至齿轮箱吊座中心

Z20；快速定位至安全高度20mm处

G01Z7M03F600；直线进给至螺旋线铣削起点高度7mm处

G01G91Y22.5；直线进给至齿轮箱吊座圆盘边缘G03J-21.5Z-7. K14；螺旋线铣削14圈，高度方向累计加工7mm

G03J-21.5；圆周铣削1圈，消除螺旋线铣削余量

G0G90Z20；退刀至高度20mm

X200；退刀至X方向200mm

G0G90Z200.M08；退刀至高度200mm

M05；主轴停止