三種方法解決了鐵道車輛用球面下心盤內(nèi)球面加工難題

摘要：針對(duì)鐵道車輛用球面下心盤內(nèi)球面加工問題，通過分別選擇普通臥式車床齒輪齒條傳動(dòng)加工工藝、普通臥式車床采用連桿剛性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加工工藝及數(shù)控車床編程后自動(dòng)加工工藝三種手段，對(duì)回轉(zhuǎn)體類內(nèi)球面的加工進(jìn)行了充分的工藝分析和設(shè)計(jì)驗(yàn)證，并分析了各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為合理選擇加工方案提供了可靠的理論依據(jù)。球面下心盤是鐵路貨車轉(zhuǎn)K3型轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵零部件之一，該零件除了連接車體和轉(zhuǎn)向架外，還用于載荷的傳遞，是整個(gè)車輛運(yùn)行中轉(zhuǎn)向架的回轉(zhuǎn)中心，工作時(shí)的受力情況非常復(fù)雜，其中內(nèi)球面的加工質(zhì)量對(duì)車輛的安全、平穩(wěn)運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。1.球面下心盤使用狀態(tài)分析球面下心盤是車輛重要的承載件，車輛在運(yùn)行中，由于受環(huán)境、氣候以及轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的影響，承受了各種載荷的作用，這些高負(fù)荷、強(qiáng)振動(dòng)、重壓力的迭加，對(duì)產(chǎn)品的使用性能提出了更高的要求。球面下心盤在轉(zhuǎn)向架中的安裝位置如圖1所示。圖1球面下心盤在轉(zhuǎn)向架中的安裝位置示意圖

1.球面上心盤2.心盤襯墊3.球面下心盤4.M24×90mm六角頭螺栓5.M24螺母（ST2型）6.M244螺母圖2具體顯示了球面下心盤在轉(zhuǎn)向架中的安放位置。圖2球面下心盤安放位置2.球面下心盤結(jié)構(gòu)分析球面下心盤采用TB/T2942-B規(guī)定的合金鋼鑄造而成，內(nèi)表面有的內(nèi)球面，加工后的表面粗糙度值Ra=6.3μm，是典型的回轉(zhuǎn)體類零件。為了減少摩擦，在球面下心盤內(nèi)表面通常鑲有用高分子合成材料制成的耐磨襯墊。球面下心盤的具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。圖3球面下心盤結(jié)構(gòu)尺寸為了直觀地顯示出球面下心盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，畫出其三維結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4球面下心盤三維結(jié)構(gòu)圖根據(jù)球面下心盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工要求，提出3種加工工藝解決方案。3.普通臥式車床采用齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加工方案普通臥式車床采用齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加工原理如圖5所示。圖5普通臥式車床采用齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加工原理1.三爪自定心卡盤2.工件3.M20×50mm六角頭螺栓4.刀桿5.向心球軸承2066.擋圈27.擋圈1

8.齒輪軸9.刀體10.齒條11.驅(qū)動(dòng)桿

12.平墊圈2013.M20六角螺母14.刀臺(tái)該方案通過刀體9尾部錐柄直接裝入車床尾座錐孔內(nèi)，驅(qū)動(dòng)桿11壓裝在車床刀臺(tái)上。使用前，需準(zhǔn)確調(diào)整刀具的初始切入點(diǎn)位置，位置調(diào)好后，大溜板及尾座縱向移動(dòng)鎖定。使用時(shí)，工件靠三爪自定心卡盤找正位置后夾持，操作橫向溜板箱自動(dòng)進(jìn)給，由驅(qū)動(dòng)桿和與之聯(lián)接的齒條10帶動(dòng)齒輪軸8做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，齒輪軸8同時(shí)帶動(dòng)聯(lián)接的刀桿4一同旋轉(zhuǎn)，通過刀具在水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和工件在縱向平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，二者合成的結(jié)果加工出工件的內(nèi)球面。為了提高運(yùn)動(dòng)的靈活性，在齒輪軸上安裝有兩個(gè)向心球軸承5，通過擋圈2實(shí)現(xiàn)其軸向的定位。齒條橫向移動(dòng)時(shí)，通過其圓弧部分與刀體內(nèi)孔的滑動(dòng)配合，保證了位移的平穩(wěn)性要求，同時(shí)齒條可移動(dòng)的有效距離應(yīng)滿足內(nèi)球面弧長的加工軌跡要求。圖6所示為普通臥式車床齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加工球面下心盤內(nèi)球面時(shí)的三維效果圖。圖6普通臥式車床采用齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加工內(nèi)球面三維效果圖4.普通臥式車床采用連桿剛性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加工方案在普通臥式車床上采用連桿剛性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加工球面下心盤原理如圖7所示。圖7普通臥式車床采用連桿剛性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加工內(nèi)球面原理

1.三爪自定心卡盤2.工件3.刀臺(tái)4.中溜板5.床身

6.限位板7.M20×110mm六角頭螺栓8.連接頭

9.M12×40mm內(nèi)六角頭螺栓10.連桿11.銷軸12.固定座

13.M12×50mm內(nèi)六角頭螺栓14.刀桿該方案中，工件用三爪自定心卡盤夾持，機(jī)床主軸帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。固定座12用M12×50mm內(nèi)六角頭螺栓聯(lián)接在中溜板側(cè)面（中溜板側(cè)面需提前做好螺紋孔），限位板6和下端（金屬加工真不錯(cuò)）的固定板（圖中未顯示）通過M20×110mm六角頭螺栓固定在車床軌道上，固定座與連接頭之間用連桿10通過銷軸11進(jìn)行聯(lián)接。為了滿足工件內(nèi)球面的要求，將連桿中心孔距的工藝尺寸控制在范圍內(nèi)。加工時(shí)，對(duì)好刀具起始點(diǎn)，中溜板調(diào)整為自動(dòng)走刀進(jìn)行橫向進(jìn)給，由于存在限位板的緣故，中溜板連同整個(gè)刀臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡只能繞著固定在連接頭8上的銷軸11中心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于連桿中心距與工件內(nèi)球面圓弧半徑尺寸相一致，通過工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與刀具的圓弧切削運(yùn)動(dòng)，利用包絡(luò)法原理在普通臥式車床上加工出內(nèi)球面。普通臥式車床采用連桿剛性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加工內(nèi)球面三維線框圖如圖8所示。圖8普通臥式車床采用連桿剛性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加工內(nèi)球面三維線框圖5.采用數(shù)控車床編程后自動(dòng)加工球面下心盤內(nèi)球面方案采用數(shù)控車床加工球面下心盤內(nèi)球面時(shí)，選用的數(shù)控車床型號(hào)為CAK6150C，KND數(shù)控系統(tǒng)。加工時(shí)用三爪自定心卡盤夾持已提前加工好的外圓，找正位置后夾緊，切削余量為3mm，一次加工到尺寸要求。球面下心盤數(shù)控加工時(shí)需自動(dòng)換取三次刀，分別是端面車刀、正向鏜孔刀及反向鏜孔刀。坐標(biāo)原點(diǎn)的選取如圖9所示。圖9球面下心盤數(shù)控加工坐標(biāo)原點(diǎn)選擇位置圖根據(jù)加工軌跡生成如下程序：Q0060M08T0101G99M03S200G0X110Z0G01X80F0.2G0X390Z2G0Z-30G01X330F0.2G0X500Z500T0202G0X346.2Z-29G01Z-30F0.2G02X337Z-32.9R6G01X334Z-35.5G02X332.6Z-40.1R6G01X333.8Z-42.4G03X333.6Z-43.2R1G03X189.2Z-109.5R197.65G03X184.6Z-109.1R2G01X182Z-107.9G02X177.4Z-107.5R2G03X125.8Z-118.5R194G0W1.0G0Z500G0X500T0303G0X89.8Z2G01Z0F0.2G03X99.8Z-4.6R5G01X110Z-62.7G01Z-112.8G03X125.8Z-118.5R6G01U0.5W0.5G0Z500M09M306.結(jié)語球面下心盤內(nèi)球面的加工，選用以上三種工藝方案均可實(shí)現(xiàn)要求，具體實(shí)施時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇。這三種工藝方案綜合分析有以下特點(diǎn)：（1）普通臥式車床采用齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加工時(shí)，僅需制作一套夾具，無需對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，使用調(diào)整十分方便。缺點(diǎn)是齒輪齒條傳動(dòng)系統(tǒng)的剛性稍差，刀具磨損后直接影響內(nèi)球面加工精度，因此切削用量不宜選得過大。（2）普通臥式車床采用剛性連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加工時(shí)，需在車床中溜板上加工出聯(lián)接用螺紋孔，調(diào)整對(duì)刀的時(shí)間略長，（金屬加工真不錯(cuò)）但由于整個(gè)系統(tǒng)的剛性較好，提高了切削時(shí)的平穩(wěn)性，因此可以選用較大的切削用量，為提高生產(chǎn)效率帶來益處。該方案是加工內(nèi)球面，在結(jié)構(gòu)上將連桿剛性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置在了機(jī)床的尾座一側(cè)，如果將其布置在床頭箱一側(cè)，則可加工出工件的外球面，使其應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。（3）采用數(shù)控編程自動(dòng)加工球面下心盤內(nèi)球面，完全靠設(shè)備和程序來保證產(chǎn)品質(zhì)量，此時(shí)選用立式數(shù)控車床的穩(wěn)定性會(huì)更好。如果企業(yè)不具備數(shù)控設(shè)備，則可選擇前兩種方案，以最大限度地滿足經(jīng)濟(jì)性、適用性和規(guī)?；a(chǎn)的需要。專家點(diǎn)評(píng)本文以鐵道車輛用球面