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摘要：結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，在技術(shù)性能和投資兩個(gè)方面通過(guò)對(duì)比分析了鐵路車軸加工用普通車床的數(shù)控改造和新購(gòu)置數(shù)控車床的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：鐵路車軸加工 普通車床數(shù)控改造

      鐵路車輛輪對(duì)上的車軸是車輛走行部的重要部件，是關(guān)系到行車安全的關(guān)鍵部位，也是走行部中加工工序最為復(fù)雜要求精度最高的部件之一。車軸兩端的輪座、防塵板座、軸頸及各部位連接的過(guò)渡部位的幾何形狀和尺寸精度的好壞直接影響到運(yùn)行中的列車的運(yùn)行安全。這需要良好的工裝設(shè)備進(jìn)行車軸加工，以保證車軸各部位的幾何形狀和尺寸精度處于正常的公差范圍內(nèi)，進(jìn)而保證列車的行車安全。

1 現(xiàn)狀分析

      路內(nèi)的輪對(duì)全部由車輪廠進(jìn)行組裝，而車輪廠購(gòu)進(jìn)的車軸絕大多數(shù)是半精車車軸，半精車車軸的軸身部分已經(jīng)加工到最終的尺寸，在輪對(duì)組裝的車輪廠只需要對(duì)車軸兩端的輪座、防塵板座、軸頸及過(guò)渡部位進(jìn)行車削精加工并磨削即可。目前，大多數(shù)的輪對(duì)生產(chǎn)單位都使用如CW6163 （φ630×3000） 或CW6180 （φ800×3000） 等普通臥式車床手工進(jìn)行車軸的車削精加工。利用MQ1350B等外圓磨床進(jìn)行軸頸部位的外圓磨削加工。輪座前肩（輪座與防塵板座的過(guò)渡圓弧）、防塵板座和卸荷槽部位采用滾壓的方式進(jìn)行加工。隨著火車提速和重載的要求，車軸加工工藝發(fā)生了改變，從2007年1月1日起所有新組裝的貨車輪對(duì)的車軸的輪座前肩、防塵板座、卸荷槽和軸頸部位的最后一道工序必須采用成型磨床進(jìn)行一次性磨削加工，而成型磨床是利用一片砂輪在數(shù)控仿形修整后同時(shí)對(duì)輪座前肩、防塵板座、卸荷槽和軸頸部位進(jìn)行磨削，這樣要求磨削工序前的精車工序在加工這4個(gè)部位時(shí)必須為磨削工序留出均勻的磨削余量，成型磨床要求磨削余量為0.30~0.50 mm。原有的CW6163或CW6180普通車床在車削輪座、防塵板座、軸頸3處圓柱表面時(shí)可以滿足該要求，但是在加工輪座前肩和卸荷槽時(shí)是手工操縱機(jī)床的大托板和小托板進(jìn)行加工，無(wú)法滿足這3個(gè)部位的磨削要求。

      隨著科技的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了臥式數(shù)控車床。臥式數(shù)控車床采用CNC控制，由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠為傳動(dòng)介質(zhì)，根據(jù)編制的加工程序采用兩軸聯(lián)動(dòng)同時(shí)驅(qū)動(dòng)大小托板，加工出任意復(fù)雜曲線的外圓，完全滿足新工藝修改后對(duì)車軸輪座、輪座前肩、防塵板座、卸荷槽和軸頸部位的加工要求。但是如果購(gòu)置數(shù)控車床進(jìn)行車軸的精車，將使原有的普通車床閑置，降低了國(guó)有資產(chǎn)的利用率，造成極大的浪費(fèi)，而且數(shù)控車床的購(gòu)置費(fèi)用也很高。在實(shí)際的生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)只要對(duì)原有的車軸精車車床進(jìn)行一些改造，就可以完全滿足生產(chǎn)的需要，同時(shí)能夠大大降低固定資產(chǎn)的投入。

2 改造方案的確定

      根據(jù)車軸的加工特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際加工情況制定如下的改造方案。

      （1） 待改造機(jī)床的選擇。以RD2型車軸為例，車軸全長(zhǎng)2 146 mm，半精車車軸直徑最大處φ198，最小處φ134，總重390 kg，在有1個(gè)大托板的臥式車床上加工時(shí)，必須采用床頭頂尖和尾座頂尖頂緊然后床頭三抓卡盤(pán)卡緊的裝卡方式，車削時(shí)必須在靠近尾座的加工部位由尾座向床頭方向進(jìn)行加工。由于車軸的長(zhǎng)度長(zhǎng)重量大，這就要求加工車軸的車床的剛度和穩(wěn)定性要好，避免由于震動(dòng)的發(fā)生影響加工面的質(zhì)量。

      而福州機(jī)床生產(chǎn)的CW6180床身導(dǎo)軌寬度為600 mm比其他廠家的同型號(hào)車床寬，機(jī)床的自重大，而且床身為一體式床身，因此其剛度和穩(wěn)定性都比較好，很利于車軸的加工，因此選擇該機(jī)床為待改造機(jī)床。

     （2） 床頭箱主軸驅(qū)動(dòng)部分的改造方案。車軸的輪座前肩、防塵板座、卸荷槽和軸頸部位的最后一道加工工序?yàn)槌尚湍ゴ驳哪ハ骷庸ぃハ骷庸ぶ耙筌囅骷庸すば颍囅骱蟮拇ハ鞑课荒ハ饔嗔烤鶆蛞恢拢瑫r(shí)為了保證砂輪各部位的磨耗一致，減少修整砂輪的次數(shù)，提高砂輪的利用率，也要求各待磨削表面的粗糙度要盡量保持一致。在數(shù)控臥式車床的使用中發(fā)現(xiàn)，可以在恒定轉(zhuǎn)數(shù)下通過(guò)調(diào)整刀具的進(jìn)給速度使工件不同直徑加工表面的粗糙度達(dá)到一致，同時(shí)加工的進(jìn)給速度是在工件加工程序中設(shè)定的，機(jī)床可以根據(jù)加工程序的設(shè)定自動(dòng)調(diào)整加工過(guò)程中的進(jìn)給速度。綜合以上特點(diǎn)我們發(fā)現(xiàn)原有的普通車床的床頭箱主軸驅(qū)動(dòng)部分不用進(jìn)行改造。

     （3） 大小托板的改造方案。車軸的軸頸前端的1:10的倒角、輪座前肩和卸荷槽在車削加工時(shí)必須大小托板同時(shí)動(dòng)作，才能完成倒角和圓弧過(guò)渡的加工，同時(shí)精車后的車軸要求的尺寸精度比較高。根據(jù)以上要求改造大托板時(shí)取消由進(jìn)給箱控制的光杠和絲杠保留控制杠，采用由伺服電動(dòng)機(jī)單獨(dú)控制的滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)。小托板也采用伺服電動(dòng)機(jī)單獨(dú)控制的滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)，已達(dá)到機(jī)床單軸驅(qū)動(dòng)和兩軸同時(shí)驅(qū)動(dòng)的要求。

      （4） 刀具的選擇方案。數(shù)控車床的加工為車刀相對(duì)某一坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)軌跡，而車軸的加工生產(chǎn)為批量的加工生產(chǎn)，所以在數(shù)控車床進(jìn)行車軸批量車削時(shí)，無(wú)論是機(jī)床的坐標(biāo)還是工件的坐標(biāo)都是相對(duì)不變的。為了保證同一臺(tái)數(shù)控車床上批量生產(chǎn)的車軸各部位尺寸一致，這就要求在加工同種型號(hào)車軸的同一個(gè)位置時(shí)刀尖相對(duì)于工件坐標(biāo)必須一致，而傳統(tǒng)的焊接硬質(zhì)合金刀具需要經(jīng)常進(jìn)行刃磨，在裝卡時(shí)無(wú)法保證刀尖相對(duì)于工件坐標(biāo)的一致性，同時(shí)由于每一次的刃磨角度都不會(huì)完全相同，所以造成工件加工后的粗糙度完全不同，影響下道磨削工序的磨削。綜合種種因素選擇不需要刃磨，耐用程度好，更換時(shí)定位精度高的半精車機(jī)夾車削刀具。

      （5） 方刀臺(tái)的改造方案。批量購(gòu)入的半精車車軸的待加工部位為車床粗車過(guò)的表面，各部尺寸全部在粗加工的公差范圍內(nèi)，這樣粗車給精車留有的加工余量一致，同時(shí)軸頸、防塵板座、輪座部位的精車加工余量比較小， （如RD2半精車車軸的軸頸粗車后的尺寸為φ134+2.00 mm，精車后的尺寸為φ130+0.400 mm，切削深度最大為2.8 mm） 所以在車削的過(guò)程中無(wú)需進(jìn)行換刀，利用一把刀具就能夠滿足加工要求，所以原有的方刀臺(tái)無(wú)需更換為電動(dòng)轉(zhuǎn)位刀臺(tái)。

      （6） 電控部分的改造方案。改造后的車床大小托板的運(yùn)動(dòng)分別由CNC控制的兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，與機(jī)床主軸的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有直接的連帶關(guān)系，同時(shí)為了減小強(qiáng)電對(duì)CNC系統(tǒng)的干擾，本著節(jié)約資金投入的原則，保留原有的配電箱，單獨(dú)設(shè)立一個(gè)CNC系統(tǒng)的控制柜。為了保證在車軸加工的過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡是否與加工程序一致，將CNC控制面板設(shè)在大托板上與大托板同時(shí)運(yùn)動(dòng)，以保證工作者能夠同時(shí)觀察到CNC控制面板上的顯示屏和正在加工的工件。同時(shí)也保證在出現(xiàn)緊急情況時(shí)工作者能夠在第一時(shí)間對(duì)機(jī)床做出正確的操控。

3 機(jī)床的改造

     （1） 待改造機(jī)床的整修。為了保證機(jī)床的加工精度，在改造前要對(duì)機(jī)床的個(gè)部位進(jìn)行整修，特別是主軸和機(jī)床的導(dǎo)軌要進(jìn)行全面細(xì)致的整修，恢復(fù)其原有的精度。

     （2） 大小托板的改造。改造后的機(jī)床專用于車軸的加工，而且車軸車削加工要在機(jī)床靠近尾座部位進(jìn)行，所以大托板的滾珠絲杠采用有效長(zhǎng)度為1.5 m的滾珠絲杠（直徑50 mm、螺距10 mm） 安裝在機(jī)床靠近床尾部位，為了方便維修和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)將大托板驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)床床身尾部，用潤(rùn)滑油箱取代溜板箱，將滾珠絲杠的絲母固定在潤(rùn)滑油箱上帶動(dòng)大托板移動(dòng)。小托板的改造，用滾珠絲杠（直徑32 mm、螺距5 mm） 絲母代替原有的絲杠絲母，將驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)安裝在小托板的遠(yuǎn)端.

    （3） 刀具的選擇。由于車軸的切削深度比較小，而且加工后的表面粗糙度要求不高（還要經(jīng)過(guò)磨削） 所以我們選用切削刃長(zhǎng)度為15 mm，強(qiáng)度比較高的正三角形半精車刀具，這樣可以充分利用刀具的6個(gè)刀尖進(jìn)行加工，延長(zhǎng)刀具的使用壽命。半精車車軸精車后的部位最小的過(guò)渡圓弧半徑為2 mm，所以選取的刀具的刀尖圓弧半徑≤2 mm。

     （4） 電控系統(tǒng)的改造。由于強(qiáng)電部分無(wú)需改造，只需增加CNC控制部分。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定和方便日后的維修采用西門子公司面向我國(guó)開(kāi)發(fā)的SINUMERIK801數(shù)控系統(tǒng)，配以雙軸型的SIMODRIVE611變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和與之相配套的1PH7伺服電機(jī)。

     （5） 加工程序的編制。以機(jī)床主軸中心線為工件的Z坐標(biāo)，正方向指向床頭，以軸端對(duì)刀點(diǎn)作為Z軸的0點(diǎn)，在水平面內(nèi)與主軸中心線垂直的軸為X軸，正方向指向工作者，以與主軸相交的點(diǎn)作為X軸的0點(diǎn)。采用包洛線的方法以刀尖圓弧的圓心點(diǎn)進(jìn)行編程。由于半精車以后的車軸給精車留的加工余量比較小，所以在編程時(shí)軸頸、防塵板座和輪座部位一次加工到位，而半精車后的車軸的輪座前肩和卸荷槽部位為圓錐型加工余量比較大，編程時(shí)此處要進(jìn)行多次循環(huán)加工。刀具的進(jìn)給速度可以在加工過(guò)程中在加工程序內(nèi)進(jìn)行調(diào)整或設(shè)置R參數(shù)根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)整。

4 經(jīng)濟(jì)性能對(duì)比

     近幾年隨著需求的增加，機(jī)床市場(chǎng)日漸火爆，機(jī)床的價(jià)格也是節(jié)節(jié)攀升。購(gòu)買一臺(tái)加工直徑為800 mm，加工工件長(zhǎng)度為3 000 mm的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的價(jià)格為40多萬(wàn)元，而隨著數(shù)控車床的投入使用，原有的普通車床將被閑置。對(duì)原有機(jī)床進(jìn)行適應(yīng)性數(shù)控改造只需要25萬(wàn)元，并且能夠有效地利用原有的舊機(jī)床，提高了機(jī)床的利用率，盤(pán)活了國(guó)有固定資產(chǎn)。而且改造后的機(jī)床結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，復(fù)雜系數(shù)低，維修方便，維修成本也比較低并且能夠滿足車軸加工的要求（如表1所示）。

     綜合計(jì)算，對(duì)原有機(jī)床進(jìn)行適應(yīng)性數(shù)控改造比購(gòu)置一臺(tái)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床節(jié)約資金投入20多萬(wàn)元，能夠充分有效的利用企業(yè)的資金，比較適于目前鐵路企業(yè)的發(fā)展。