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(chē)軸加工用普通車(chē)床的數(shù)控改造和新購(gòu)置數(shù)控車(chē)床的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：鐵路車(chē)軸加工 普通車(chē)床數(shù)控改造
鐵路車(chē)輛輪對(duì)上的車(chē)軸是車(chē)輛走行部的重要部件，是關(guān)系到行車(chē)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(chē)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(chē)的運(yùn)行安全。這需要良好的工裝設(shè)備進(jìn)行車(chē)軸加工，以保證車(chē)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(chē)的行車(chē)安全。
1 現(xiàn)狀分析
路內(nèi)的輪對(duì)全部由車(chē)輪廠進(jìn)行組裝，而車(chē)輪廠購(gòu)進(jìn)的車(chē)軸絕大多數(shù)是半精車(chē)車(chē)軸，半精車(chē)車(chē)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(chē)輪廠只需要對(duì)車(chē)軸兩端的輪座、防塵板座、軸頸及過(guò)渡部位進(jìn)行車(chē)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(chē)床手工進(jìn)行車(chē)軸的車(chē)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(chē)提速和重載的要求，車(chē)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(chē)輪對(duì)的車(chē)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(chē)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(chē)床在車(chē)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(chē)床。臥式數(shù)控車(chē)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(chē)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(chē)床進(jìn)行車(chē)軸的精車(chē)，將使原有的普通車(chē)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(chē)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(chē)軸精車(chē)車(chē)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(chē)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(chē)軸為例，車(chē)軸全長(zhǎng)2 146 mm，半精車(chē)車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)軸的長(zhǎng)度長(zhǎng)重量大，這就要求加工車(chē)軸的車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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?chē)削加工工序，車(chē)削后的待磨削部位磨削余量均勻一致，同時(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(chē)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(chē)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(chē)軸的軸頸前端的1:10的倒角、輪座前肩和卸荷槽在車(chē)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(chē)后的車(chē)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(chē)床的加工為車(chē)刀相對(duì)某一坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)軌跡，而車(chē)軸的加工生產(chǎn)為批量的加工生產(chǎn)，所以在數(shù)控車(chē)床進(jìn)行車(chē)軸批量車(chē)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(chē)床上批量生產(chǎn)的車(chē)軸各部位尺寸一致，這就要求在加工同種型號(hào)車(chē)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(chē)機(jī)夾車(chē)削刀具。
（5） 方刀臺(tái)的改造方案。批量購(gòu)入的半精車(chē)車(chē)軸的待加工部位為車(chē)床粗車(chē)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(chē)給精車(chē)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(chē)加工余量比較小， （如RD2半精車(chē)車(chē)軸的軸頸粗車(chē)后的尺寸為φ134+2.00 mm，精車(chē)后的尺寸為φ130+0.400 mm，切削深度最大為2.8 mm） 所以在車(chē)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(chē)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(chē)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(zhuān)用于車(chē)軸的加工，而且車(chē)軸車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)車(chē)軸精車(chē)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(mén)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(chē)以后的車(chē)軸給精車(chē)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(chē)后的車(chē)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(mǎi)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(chē)床的價(jià)格為40多萬(wàn)元，而隨著數(shù)控車(chē)床的投入使用，原有的普通車(chē)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(chē)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(chē)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。
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