分體式軸箱體螺紋孔加工工藝研究

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在檢修過程中，采用傳統軸箱體（整體式）的車輛需執行抬車工序更換輪對，該過程造成了檢修工作量大、檢修周期長等問題。某車型動車組率先采用了分體式軸箱體（見圖1），該創新結構可以省略抬車工序，直接進行輪對更換，能夠大幅減少檢修工作量、縮短檢修周期。分體式軸箱體的螺紋孔具有材料硬度高、螺紋有效深度大等特點，在螺紋孔加工過程（見圖2）中極易出現亂扣、表面粗糙度高等問題，嚴重制約了分體式軸箱體的生產質量與效率提升。為此，本文針對上述問題，開展了分體式軸箱體螺紋孔加工工藝優化研究，達到了降低螺紋孔加工不合格率的目的。

1.分體式軸箱體螺紋孔加工工藝現狀

（1）分體式軸箱體材質及螺紋孔加工方法目前，各類軸箱體的材質見表1。其中，分體式軸箱體所采用的新材質是G20Mn5+QT，該材料的熱處理方式為：先淬火，后回火。經過熱處理，工件硬度可提高20%。數控加工設備通常采用G84（攻絲循環指令）直接完成分體式軸箱體各規格螺紋孔的加工，在加工過程中，經常出現螺紋孔加工異常現象。（2）分體式軸箱體螺紋孔加工異常處理方法當分體式軸箱體螺紋孔加工出現異常后，為了避免工件報廢，需要由人工根據生產經驗分情況進行處理，具體處理方法如下：①當螺紋孔在前工序中重要尺寸未加工時出現異常，工件需要返回毛坯鑄造廠家，采用擴孔、焊補與熱處理后等修復措施后，重新返回班組進行二次加工；②當螺紋孔在重要工序完成后出現異常，尤其是在軸承孔精鏜后出現異常，工件直接進行報廢處理。綜上所述，為了避免精鏜孔后出現產品報廢，需要在數控加工程序中增設暫停指令，提前對螺紋底孔進行觀察判斷，該過程影響了產品生產效率。（3）分體式軸箱體螺紋孔加工異常不利影響分體式軸箱體螺紋孔的加工異常現象，已經成為制約公司生產能力與水平提升的瓶頸，具體表現為：①因工件無法修復導致報廢，將造成較大的經濟損失，影響公司效益；②大量的返修工序，將造成人力與物力的極大浪費，直接影響生產效率；③不合格的螺紋孔將影響轉向架的裝配質量，存在安全隱患。

2.分體式軸箱體螺紋孔加工異常原因

（1）毛坯硬度不同根據制造工藝要求，工件毛坯在鑄造完成后，將由鑄造廠家進行毛坯粗加工，在該過程中便于及時發現毛坯鑄造缺陷，并對缺陷采用焊修等方法進行處理。為了滿足公司的產能需求，毛坯的供貨廠家共有4家，由于各廠家所采用的鑄造及焊修工藝不同，毛坯的硬度也不同。選取毛坯樣本進行待加工面里氏硬度測試（見圖3），測試結果表明各廠家毛坯硬度不同，具體數據見表2。（2）加工設備精度不理想根據典型數控加工過程的工藝特性，數控加工設備的精度主要分為兩類：①影響機床各主運動的床身、立柱、溜板、主軸箱等大部件運動過程的直線度、平行度與垂直度等；②影響切削運動的主軸自身回轉精度及直線運動（切削進刀）精度等。在此基礎上，分別對分體式軸箱體上、下箱體單體的加工設備及工序精度進行檢測，結果表明個別數控加工設備主軸存在反向間隙，屬于上述第二類設備精度影響因素。使用該類設備進行螺紋孔加工，易出現螺紋孔斷牙問題。（3）刀具性能不佳常用鉆頭的材質一般可分為高速鋼（HSS）和硬質合金（CARBIDE）。硬質合金鉆頭具有硬度高、耐磨、耐熱、耐腐蝕等優良性能，但由于其本體硬而脆，使用不當容易發生斷裂。數控加工設備主軸精度高、功率大，通常使用硬質合金鉆頭來提高加工效率。螺旋槽絲錐具有加工效率高、精度高、排屑效果好、對中性好等特點，該類絲錐前部具有容屑槽結構，通常用于通孔內螺紋的加工。綜上所述，分體式軸箱體螺紋孔加工采用硬質合金鉆頭與螺旋槽絲錐相配合的方式進行。通過開展螺紋孔加工實驗，發現了加工過程存在刀具易磨損、排屑困難等現象。

3.分體式軸箱體螺紋孔加工異常解決辦法

（1）提高毛坯質量根據分體式軸箱體的制造工藝要求，箱體毛坯的里氏硬度一般為（425~489）HL。如果毛坯的硬度高，在加工過程中易產生較大的應力變形，進而導致精加工后工件尺寸不易控制。經過反復試驗驗證，發現當毛坯熱處理后的里氏硬度為（435~470）HL時，能夠獲得較好的加工效果。（2）提高加工設備精度由于加工設備存在反向間隙，導致加工過程設備關鍵部件的進退位置不同，該現象易導致螺紋亂扣。開展加工過程設備精度驅動的參數自適應補償機制研究，實現加工設備反向間隙精確調控，進而提高設備精度，能夠有效解決加工過程螺紋亂扣問題。（3）優化刀具使用①M20螺紋孔底孔加工用鉆頭。A型快換鉆頭（見圖4）：使用該型刀具進行底孔加工，刀體易磨損，鉆頭結構強度降低，導致螺紋底孔垂直度超差。攻絲后，螺紋孔一側牙型粗，另一側牙型細。該型鉆頭驗證失敗。B型硬質合金整體鉆頭（見圖5）：該型鉆頭刃帶具有淺槽結構，該結構能夠達到方便冷卻潤滑劑流動、防止加工過程鉆頭纏屑等目的，進一步提高鉆孔質量。通過加工驗證，結果表明與傳統鉆頭相比，使用該型刀具的加工效率提升了35%，刀具壽命提高了50%；此外，根據刀具淺槽結構可以統計出刀具的修磨次數，表征出刀具應用狀態。該類鉆頭確保了底孔垂直度，提升了刀具排屑能力，實現了底孔的高質、高效加工。該型鉆頭驗證成功。②M20螺紋孔攻絲用絲錐。某種直角絲錐：該型絲錐具有TiN涂層，冷卻方式為軸向內冷，所形成的短切屑能夠有效避免纏屑，但所加工出的螺紋表面粗糙度高，故該型絲錐驗證失敗。某種螺旋絲錐（見圖6）：該型絲錐具有ACN涂層，刀具剛性好、后角較大，能夠有效降低螺紋表面粗糙度，提高攻絲質量。但該型絲錐由于大后角易產生崩刃現象，故該型絲錐驗證失敗。圖6螺旋絲錐某種鍍層螺旋絲錐（見圖7）：該型絲錐材質為粉末冶金高速鋼，具有TiNIN涂層，絲錐的刃部鋒利、耐磨性好、壽命長，所加工出的螺紋表面粗糙度低，認定該型絲錐驗證成功。圖7鍍層螺旋絲錐M16螺紋孔底孔加工用鉆頭：該鉆頭所需性能同M20螺紋孔底孔加工用鉆頭，因此，選用同M20螺紋孔底孔加工用同類型鉆頭。M16螺紋孔攻絲用絲錐：M16螺紋孔加工過程螺紋擠牙、亂扣現象頻發，所選擇的絲錐需解決以上問題。螺紋孔加工缺陷成因主要有以下因素。螺紋孔設計深度影響：根據內螺紋加工原則，當螺紋孔深度大于2倍螺紋大徑時，因排屑不暢易造成螺紋擠牙、亂扣等缺陷。分體式軸箱體M16螺紋孔有效深度為43mm，同時還需加工導向螺紋，即螺紋孔深度為螺紋大徑的3倍，攻絲過程難度大，易產生螺紋加工缺陷。螺紋孔設計位置影響：攻絲時，切屑沿絲錐排屑槽排出，因螺紋孔位于軸箱體筋板中間位置（見圖8），切屑碰撞筋板易纏繞絲錐，影響后續切屑排出，造成螺紋加工缺陷。圖8螺紋孔位置M16螺紋孔攻絲用絲錐驗證：針對上述螺紋孔加工缺陷成因分析，先后驗證了4種類型的M16絲錐，最終刃帶設計淺槽結構的絲錐（見圖9）驗證成功，該絲錐攻絲過程所形成的切屑呈片狀（見圖10），有效解決了螺紋加工缺陷。

4.分體式軸箱體螺紋孔加工新工藝應用效果

（1）工藝優化后的產品質量據統計，在2020年4月至2020年9月的生產周期內，共生產了4800件分體式軸箱體。其中，螺紋孔一次加工不合格產品為9件，一次加工不合格率僅為0.19%，具體統計數據如圖11所示。（2）工藝優化后的經濟效益分體式軸箱體螺紋孔加工新工藝得到應用，生產效率與產能得到了顯著提升，攻克了分體式軸箱體生產技術瓶頸。據測算，新工藝的實施具有如下經濟效益：①生產成本：按照2020年產量，每月報廢件將減少18件，除去毛坯因素，降低成本約8萬元/月；②減少刀具損耗：選用工藝優化后的鉆頭、絲錐，刀具耐用度提高，可節約輔助工時32小時/月。（3）工藝優化后的社會效益通過此次工藝優化，在攻克了分體式軸箱體螺紋孔加工難題的同時，有效解決了生產過程新結構、新技術數據積累與經驗認知不足的問題。這次工藝優化與應用是生產過程“創新提質”的經典案例，具有十分重要的指導意義。

5.結語

本文根據分體式軸箱體螺紋孔加工工藝現狀與需求分析，分別提出了提高毛坯質量、提高加工設備精度與優化鉆頭、絲錐使用的三點工藝優化措施。通過新工藝的應用實現了分體式軸箱體螺紋孔的高質、高效加工，顯著提升了產品質量，降低了生產成本，同時為分體式軸箱體其他部位螺紋孔加工過程的工藝優化提供了借鑒。

作者：管益輝 張一然 劉萬 王濤 王寶林 單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司