地铁车辆测力轮对深孔钻削工艺改进

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  摘要:本文通过对地铁车辆测力轮对车轴穿线孔现有深孔钻削方法进行分析,并结合实际应用情况对车轴深孔加工方法进行了优化,解决了钻头易断、钻孔排屑难、加工耗时长、加工表面质量差等问题。试验对比表明:车轴Φ30孔采用新型枪钻并改进钻削方法后,其排屑性能得到明显改善、加工时间缩短、孔表面质量得到明显改善。同时本文通过实例为广大读者介绍一种深孔钻削解决方法,希望能给大家提供帮助。
  关键词:深孔钻削;枪钻;变参数钻孔切削循环
  一、引言
  测力轮对主要用于地铁车辆正线动力学试验,通过动力学试验数据来评判试验车辆的动力学性能指标是否满足相关标准要求[1]。测力轮对作为动力学试验中的关键部件之一,其车轴穿线孔、车轮斜孔、轴端孔的尺寸、车轮刻线的位置精度关系到测试信号应变片粘贴位置、测试信号方便穿线,测试信号输出稳定,数据准确、误差小,因此机加工尺寸精度尤为重要。
  测力轮对加工车轴Φ30孔时最常见的问题是孔内铁屑排出难、钻杆两条刃带与孔壁摩擦阻力大导致加工过程中钻杆后半部分越容易疲劳断裂[2-3]。根据现场使用情况,钻杆疲劳断裂集中出现在钻杆中部到尾部之间的区域,且钻杆使用过程中疲劳断裂失效概率为8%~10%,见图1和图2。若钻头断裂比较浅可用工具将断裂钻头直接取出,若钻头断裂较深取出比较困难,一般是对原车轴直接进行更换。一般来说更换新车轴涉及到重新下单、采购、生产、到货、更换,整个采购周期得3~4个月。对拖车轮对通常在厂内直接更换新车轴就可以,对于含齿轮箱动车轮对,因厂内不具备齿轮箱更换条件,需将轮对和新车轴送回齿轮箱生产厂家进行更换。因此测力轮对因Φ30孔钻头断裂故障造成的采购、更换周期较长,更换成本比较高。鉴于此,我們与山特维克合作,提出用枪钻代替传统麻花钻头,并优化了Φ30孔钻削方法和加工路径,改进效果比较明显,文章后面进一步介绍运用方法。
  二、深孔钻削加工难点介绍
  测力轮对最大的加工难点是轮对车轴Φ30孔加工和轮对车轮Φ12斜孔加工,其中车轴Φ30孔加工也是钻头最容易断裂的工序。为了方便测试信号线从车轮内侧引到车轮外侧,轮对车轴Φ30孔和车轮Φ12斜孔加工后必须贯通,图3所示。目前测力轮对车轴Φ30孔最大加工深度为450mm,钻孔深度与孔直径比约15倍径,加上钻头尾部排屑槽设计,车轴Φ30孔加工所需的钻头不含刀具夹持部分悬深总长要达到550mm(约18倍径)以上,若含刀具夹持及刀柄部分则总长达到650mm以上,属于典型的深孔钻削加工。
  目前市面上可选的标准系列钻头包括硬质合金麻花钻及可换刃转位钻头可选钻孔深度在10倍径以内,甚至有些厂家只能提供8倍径以内的标准系列钻头。而有效钻孔深度在15倍径以上的钻头市场上没有标准系列型号可选,除非是生产厂家根据用户需求进行特殊定制。我们改进前是采用高速钢麻花钻来加工测力轮对Φ30底孔,因高速钢材料延展性好,易于扭转成型,刀具长度可以做到17倍径且成本低廉。但是加工过程中缺点也很多:①高速钢麻花钻钻头不带内冷出水,孔内铁屑不能通过机床内冷水压排出。虽然车轴Φ30孔采用啄钻循环加工方法以方便钻头断屑和排屑,但是孔加工效率低、孔表面质量差、同时加工过程中刀具振动及噪声比较大。②加工前需手工修磨钻头两个主切削刃、主切削刃与排屑槽夹角。由于是手工修磨,人员修磨技术参差不齐,加上没有专用设备来检测修磨后的钻刃尺寸,因此修磨精度低。最常见的是左右主切削刃刃磨后高度不一致,排屑角度修磨不合理,加工过程中出现低的切削刃将高的切削刃加工出的铁屑挤压成铁末,且钻头钻得越深振动声音越大。③钻头的硬度不足、寿命低。加工材料是50钢,钻头加工车轴刃口容易过早磨损和钝化。同时高速钢钻头加工主轴转速不能过高,我们现场切削参数是主轴转速120转/分钟,倍率25mm/分钟。若强行提高主轴转速会导致高速钢钻刃因温度过高而发黑,甚至主切削刃外边缘出现豁口,俗称:“烧刃现象”;④钻头刃带与孔壁之间接触摩擦阻力对钻杆的变形影响较大。钻孔越深其铁屑在钻杆排屑槽累积量增多及钻头韧带与孔壁接触面积变大,导致钻杆加工过程中出现扭曲变形,这个就是Φ30钻头断裂的根本原因。
  三、钻头优化改进
  测力轮对深孔钻削加工优化改进需遵循新钻头预先设计、内冷设计、避免或少啄钻、定心好、加工风险低这五条基本规则[4] 。钻头设计不仅要满足钻孔深度要求,还要保证阻抗小、扭力小、易排屑、定心稳、切削部位冷却充分。因此参与优化改进后的设备要求具备主轴内冷功能、同时还要优化钻削方法,让钻削过程中阻力小、切削轻快、振动小、钻头断裂风险低、让钻头实现加工效率最大化。
  为实现以上目标,山特维克设计出新型枪钻替代原始高速钢麻花钻,新型枪钻结构见图4所示。新型枪钻采用单切削刃、单排屑槽来增加排屑空间和容积。钻刃后刀面设置两内冷孔实现内冷加工。钻头设置长45mm、直径30mm的导向面来实现孔加工过程中定位和定心。通过钻杆(直径28mm)比导向面半径差小1mm,避免了钻削过程中钻杆侧刃与孔壁之间的接触摩擦。新型枪钻也有以下缺点:刀具总长(含刀柄)达到650mm,钻杆在夹套外的悬深长度达到了550mm,受自身自重原因,主轴速度越高,钻头头部跳动越大,对刀具预钻和定位特别不利。因此加工前必须给钻头做预留引导孔,引导孔深度最好在50~55mm左右,引导孔直径尺寸最好比钻头导向定位面直径大0.05~0.1mm,引导孔最好通过精镗进行加工,保证孔尺寸符合要求且孔中心不偏心。
  为测试新型枪钻钻削工艺性,用30新型枪钻对测力轮对车轴(材质50钢)进行钻削试验。测试机床为在尼古拉斯机床,主轴带中心内冷功能。测试前先将车轴孔钻到29.6mm,深60mm,后改用精镗刀将预留定位孔精镗到30.05mm,深50mm。验证一次钻到底(西门子系统81循环)和啄钻(西门子系统83循环)两种钻削加工方式对比试验,见图5。测试过程中两种钻削加工方法及效果均不理想。采用一次钻到底循环(西门子系统81循环)加工有以下几个问题:①钻头入刀、出刀主轴转速和进给量不可控,钻头入钻时以主轴转速400转/分钟,进给量40mm/分钟,枪钻钻头部分进入车轴预留定位孔时振动大。加上内冷从进刀前就开启导致刀尖端部跳动增大,对钻头定位非常不利。钻头退刀是以机床最大进给量退刀,钻头导向面和钻杆交接处会出现铁屑挤压拉伤刀杆。②钻削过程中容易出现间断性蠕滑假切削现象。这种现象是由钻杆悬伸过长,钻杆加工过程中出现扭曲变形到扭转变形回弹到钻杆再扭转变形循环,钻刃与工件间不断出现暂停运动-快速滑动-暂停运动-快速滑动的这种间断切削模式,这种间断切削模式同时伴随着钻刃的振动,对钻头的寿命产生比较大的影响。啄钻(西门子系统83循环)加工中除了出现一次钻到底(西门子系统81循环)常见两个问题外,还出现钻头退出孔外重复进入孔内再定位问题,由于西门子系统81循环采用恒定转速不变的加工方式,钻头导向面进入或出车轴预留孔其导向面与孔壁会产生接触振动。   通过以上两个试验可得出以下结论:在主轴转速400转/分钟不变,进给量20mm/分钟~25mm/分钟可获得图6第1种14卷以上连续卷屑。由于铁屑排不出底孔,铁屑留在孔内挤压成饼状,再高的内冷水压也无法将铁屑冲出孔外,这种铁屑对深孔加工特别不利。主轴转速400转/分钟不变,进给量上升到28mm/分钟~30mm/分钟之间可以获得图6第2种带刺状铁屑,这种铁屑虽然有所改善,它在孔深200mm前能顺利排出,在孔深200mm后排出变慢,甚至排不出。主轴转速400转/分钟转,进给量升到35mm/分钟~40mm/分钟之间可以获得图6第3种比较理想的铁屑,这种形状的铁屑完全可以通过内冷水压带出孔外,然而这个参数范围产生间断性蠕滑假切削概率比较大。
  四、变参数钻孔切削循环
  通过前面的两个常用的钻削循环示例表明:浅孔钻削循环和啄钻循环因主轴转速恒定不可变、退刀速度快、采用固定参数加工法都不适合新型枪钻深孔钻削加工。因此我们提出一种适用于深孔钻削的变参数钻孔切削循环加工方法。这种加工方法就是根据枪钻加工特点,在钻削各个阶段設置不同的钻削参数,方便枪钻以低转速高进给量快速定位,采用啄钻的模式在钻孔各区间段实现变参数加工,让切削力均匀过度。在保证切削轻快、振动小的前提下,实现切削效率最大化。
  为测试新型枪钻采用变参数钻削循环加工工艺性,在测试所需设备、车轴材料、预留精镗孔尺寸及深度与前面浅孔钻削循环和啄钻循环保持一致的基础上制定了图7所示加工方法。该方法有以下几点改进:①预钻孔进刀深度设置为50mm,新型枪钻进预钻孔和出预钻孔主轴转速降到60转/分钟,进给速度提到为1500mm/分钟,关掉主轴内冷出水功能。在低转速、没有钻头内冷压力造成钻头端部跳动条件下,钻头进刀和出刀非常平稳,钻头导向面与车轴预留孔壁间振动特别小。②钻头进入L1预钻孔底部后可以将主轴转速提高到400转/分钟,同时开切削液内冷功能,钻孔过程中将钻孔深度划分100mm为一段(例如L2段)进行啄钻加工,每一段保证主轴转速400转/分钟不变,钻削进给量从L2起始点28mm/分钟均匀提速到L2终点35mm/分钟。通过现场试验验证,该方法可以有效消除间断性蠕滑假切削现象,同时钻孔切削比较平稳。③每一段钻孔起始点与上一段钻孔最终点之间的安全距离设置为5mm,从预钻孔位置快速到开始钻孔位置和快速退刀到预钻孔位置主轴转速可保持在400转/分钟、进给量1500mm/分钟不变,避免钻头快进快出铁屑拉伤钻杆和孔壁。通过以上三条改进基本解决了新型枪钻排削问题和振动问题,同时降低了钻头断裂风险,同时孔的表面质量也得到了明显提高。
  变参数钻孔切削循环在深孔钻削加工中是一个不错是运用实例。目前许多新系统具备变参数钻孔切削循环代码,对于没有变参数钻孔切削循环代码的机床,可以采用宏程序编程及调用的方法代替变参数钻削循环代码,这里不再详细说明宏程序编程及调用的方法。
  五、结语
  1、对于刀具长度与直径比在15倍径以上的深孔加工。传统麻花钻不仅难买到,同时由于定心导向差、导向刃与孔壁摩擦阻力大、双刃排屑槽截面面积小等缺点,会增加深孔加工钻头断裂失效风险。
  2、在15倍径以上孔深钻削加工中,枪钻是一个不错的加工选择。因其有较长的导向侧面、单切削刃、单排屑槽和较大的排屑槽截面及内冷孔。因此它能提高钻头的定位精度,孔壁表明质量好,适合深孔和孔的精加工。但前提是加工前必须做精镗引导孔,精镗孔尺寸要大于钻头导向面直径0.05~0.1mm,深度要超过枪钻导向面的长度,采用变参数钻孔切削循环法进行加工。
  参考文献
  [1]:王超.李冬梅.汤志钧.地铁车辆测力轮对加工工艺方案的研究[J]-轨道交通装备与技术 2019(5):35-39
  [2]:田卫军.李郁.何扣芳.TC4钛合金钻削力和钻削温度仿真研究[J]-液压与机床2014.42(21):161-163
  [3]:仵珍谡.姜增辉.鲁康平.孙晋亮.GH4169 高温合金钻削力的试验研究[J]-机械设计与制造2018(8):106-108
  [4]:Matt Danford.影响深孔钻的5条规则[J]-现代制造﹒现代金属加工2020-12:38-39
  作者简介:汤志钧(1984-1-27),男,研究生学历,高级工程师,从事转向架工艺研究工作。
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