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序言
轉(zhuǎn)向架是軌道車輛的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，不僅在車輛運(yùn)行過程中提供牽引力和制動(dòng)力，而且還承擔(dān)著整車的質(zhì)量，其可靠性顯得尤為重要。構(gòu)架作為其中的主體結(jié)構(gòu)，一般選用H形全焊接結(jié)構(gòu)，分別將一系懸掛、二系懸掛、減振裝置、牽引裝置、制動(dòng)裝置、電動(dòng)機(jī)和齒輪箱等聯(lián)系在一起。構(gòu)架采用中厚板焊接成箱形結(jié)構(gòu)，從而保證連接強(qiáng)度。
構(gòu)架下方為一系懸掛相關(guān)部件，比如軸箱、垂向減振器等；構(gòu)架上方為二系懸掛相關(guān)部件，比如空氣彈簧、橫向減振器等。為了保證各部件的準(zhǔn)確安裝，對(duì)于構(gòu)架的正反面都需要做加工處理，將懸掛件的安裝面表面粗糙度值Ra限制在6.3μm以內(nèi)。隨著城際動(dòng)車組速度和運(yùn)載能力的提高，車輛的運(yùn)行環(huán)境更加復(fù)雜，構(gòu)架上的安裝部件越來越多，對(duì)于構(gòu)架的加工要求也越來越高。
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工藝分析
圖1所示為200公里等級(jí)城際動(dòng)車組的構(gòu)架，結(jié)構(gòu)為典型的H形。構(gòu)架的反面加工位置主要有轉(zhuǎn)臂定位座、齒輪箱吊座和支架安裝面；正面加工位置主要有牽引拉桿座、電動(dòng)機(jī)吊座和制動(dòng)吊座等。
圖1 200公里等級(jí)城際動(dòng)車組的構(gòu)架
構(gòu)架在加工前已經(jīng)對(duì)所有加工部位進(jìn)行了劃線驗(yàn)證，對(duì)于不合格的位置已經(jīng)進(jìn)行了調(diào)修，確保能加工到構(gòu)架的所需部位。這里選擇先反面加工、后正面加工的方式[1]，因?yàn)榉囱b狀態(tài)下在帽筒位置存在較大的平面，位置也在構(gòu)架的最大尺寸邊緣，非常適合用作加工的粗基準(zhǔn)。通過劃線找正，將反面的安裝面先加工后，再以反面已加工好的精加工面用作基準(zhǔn)定位正面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)正面的精準(zhǔn)加工。
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刀具選擇及參數(shù)確定
3.1 支架安裝面加工方案
選用端面銑刀，材質(zhì)為高速鋼。轉(zhuǎn)速n0＝600r/min，背吃刀量ap＝1mm，銑刀外徑d0＝80mm，齒數(shù)z＝6，每齒進(jìn)給量af＝0.13mm/z，銑削接觸弧深度ae＝45mm。
3.2 轉(zhuǎn)臂定位座加工方案
1）垂向粗加工轉(zhuǎn)臂定位座內(nèi)側(cè)立面。選用D63端面銑刀使用層切的加工方式，刀具材質(zhì)為高速鋼。轉(zhuǎn)速n0＝900r/min，背吃刀量ap＝3mm，銑刀外徑d0＝63mm，齒數(shù)z＝6，每齒進(jìn)給量af＝0.22mm/z，銑削接觸弧深度ae＝3mm。
2）垂向精加工轉(zhuǎn)臂定位座內(nèi)側(cè)立面。選用D25立銑刀使用層切的加工方式，刀具材質(zhì)為硬質(zhì)合金。轉(zhuǎn)速n0＝800r/min，背吃刀量ap＝5mm，銑刀外徑d0＝25mm，齒數(shù)z＝4，每齒進(jìn)給量af＝0.06mm/z，銑削接觸弧深度ae＝5mm。
3）粗加工轉(zhuǎn)臂定位座φ70mm孔。此位置垂向加工存在干涉，選用直角頭和玉米銑刀使用螺旋進(jìn)刀的加工方式，刀具材質(zhì)為高速鋼。轉(zhuǎn)速n0＝900r/min，背吃刀量ap＝0.5mm，銑刀外徑d0＝50mm，齒數(shù)z＝3，每齒進(jìn)給量af＝0.44mm/z，銑削接觸弧深度ae＝0.5mm。
4）粗鏜轉(zhuǎn)臂定位座φ70mm孔。此位置垂向加工存在干涉，使用直角頭和粗鏜刀，刀具材質(zhì)為高速鋼。轉(zhuǎn)速n0＝800r/min，背吃刀量ap＝100mm（有效鏜削），銑刀外徑d0＝69.6mm，齒數(shù)z＝2，每齒進(jìn)給量af＝0.13mm/z，銑削接觸弧深度ae＝60mm。
5）精鏜轉(zhuǎn)臂定位座φ70mm孔。此位置垂向加工存在干涉，使用直角頭和精鏜刀，刀具材質(zhì)為高速鋼。轉(zhuǎn)速n0＝800r/min，背吃刀量ap＝100mm（有效鏜削），銑刀外徑d0＝70.1mm，齒數(shù)z＝2，每齒進(jìn)給量af＝0.10mm/z，銑削接觸弧深度ae＝60mm。
3.3 齒輪箱吊座加工方案
此位置垂向加工存在干涉，選用直角頭和端面銑刀使用層切的加工方式，刀具材質(zhì)為高速鋼。轉(zhuǎn)速n0＝900r/min，背吃刀量ap＝2mm，銑刀外徑d0＝63mm，齒數(shù)z＝6，每齒進(jìn)給量af＝0.22mm/z，銑削接觸弧深度ae＝2mm。
4 工裝設(shè)計(jì)
對(duì)于一般的加工工序來說，通常采用的定位方式是下部可調(diào)整支撐，上部施加垂直向下的壓緊力，為了找正工件的X向和Y向坐標(biāo)尺寸，同時(shí)在側(cè)面增加調(diào)整絲杠。但是由于此種壓緊方式全部采用摩擦力來實(shí)現(xiàn)，因此需要對(duì)摩擦力和加工過程中的切削力進(jìn)行校核，從而驗(yàn)證壓緊是否可靠。
通用構(gòu)架加工工裝如圖2所示。構(gòu)架下面帽筒處采用工作面為220mm×120mm的調(diào)整墊鐵進(jìn)行支撐，上面采用U形開口壓板進(jìn)行壓緊，在構(gòu)架剛度較小的位置增加輔助支撐和壓緊。
圖2 通用構(gòu)架加工工裝
下面以反面加工中最大的支架安裝面，也是工件受切削力最大的位置為例進(jìn)行校核，如果此位置能滿足壓緊要求，則其余位置皆可滿足要求。
4.1 刀具上的力
切削力是個(gè)合力[2]，其來源有：彈性變形抗力、塑性變形抗力和摩擦力等。為了便于測(cè)量和應(yīng)用，可以將合力F分解為3個(gè)互相垂直的分力：主切削力Fz、吃刀抗力Fy和進(jìn)給抗力Fx，如圖3所示。
圖3 切削力分解
4.2 工件上的力
作用在工件上的總切削力F ′和F大小相等、方向相反。由于機(jī)床和夾具設(shè)計(jì)的需求，通常把總切削力分解為以下3個(gè)分力：進(jìn)給力Ff——總切削力在縱向進(jìn)給方向上的分力、橫向進(jìn)給力Fe——總切削力在橫向進(jìn)給方向上的分力、垂直進(jìn)給力Ffn——總切削力在垂直進(jìn)給方向上的分力。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，F(xiàn)f＝（0.3～0.4）Fz，F(xiàn)fn＝（0.85～0.95）Fz，F(xiàn)e＝（0.5～0.55）Fz。
4.3 工件受力分析
工件受力為：
。垂直方向：
，水平方向：
。垂直進(jìn)給力Ffn、工裝壓緊力F壓和工件重力合力產(chǎn)生的摩擦力應(yīng)大于進(jìn)給力Ff和橫向進(jìn)給力Fe的合力。工件要保持穩(wěn)定性，所得的水平方向的力應(yīng)為正值。切削力計(jì)算公式為
式中KFz＝（σb/0.637）0.3，加工碳素結(jié)構(gòu)鋼σb＝0.637GPa。
切削力公式系數(shù)及指數(shù)見表1?？芍狢F＝78.5、XFz＝0.95、YFz＝0.8、ZFz＝1.1、WF＝0、qF＝1.1，代入式（1），可得
由Ffn＝（0.85～0.95）Fz，近似可得Ffn＝0.9×478.5＝430.7（N）；由Ff＝（0.3～0.4）Fz，近似可得Ff＝0.35×478.5＝167.5（N）；由Fe＝（0.5～0.55）Fz，近似可得Fe＝0.525×478.5＝251.2（N）。則工件所受刀具在水平面的合力F2＝（Ff2＋Fe2）1/2＝（167.52＋251.22）1/2＝301.9（N）。G重力＝mg＝（1900/4）×10＝4750（N）。
由于切削過程極其復(fù)雜，而且在計(jì)算過程中對(duì)于模型的建立和公式的利用都有一定程度的簡(jiǎn)化，因此取較大的安全系數(shù)10，則工件受到的刀具施加的外推動(dòng)力約為3019N。
表1 切削力公式系數(shù)及指數(shù)
4.4 壓板壓緊力計(jì)算
選用8.8級(jí)的M16螺栓，根據(jù)相關(guān)手冊(cè)查到螺栓的擰緊力矩Mt為189N·m，其計(jì)算公式為Mt＝0.001KP0d，則螺栓的預(yù)緊力計(jì)算公式為
式中，P0為預(yù)緊力（N）；Mt為擰緊力矩（N·m）；K 為擰緊力系數(shù)；d 為螺紋公稱直徑（mm）。
查閱相關(guān)手冊(cè)[3]得出K＝ 0.3。將Mt＝189N·m、d ＝16mm代入式（2），得P0＝189/（0.001×0.3×16）＝39375（N）。
取螺栓在中間位置壓緊，則壓板對(duì)工件施加的壓力為F壓＝P0/2＝19687.5（N）。
4.5最大靜摩擦力的計(jì)算
因?yàn)橛星邢饕旱拇嬖冢匀§o摩擦系數(shù)為0.05。則工件下表面最大靜摩擦力F下＝μN(yùn)下＝0.05×（Ffn＋G重力＋F壓）＝0.05×（430.7＋4750＋19687.5）＝1243.4（N）；工件上表面最大靜摩擦力F上＝μN(yùn)上＝0.05×F壓＝0.05×19687.5＝984.4（N）。
4.6 受力分析結(jié)論
工件在水平方向所受的摩擦力為2227.8N，刀具給工件的推動(dòng)力為3019N。由于工件所受的推動(dòng)力大于物體上、下表面的摩擦力，因此該工件壓緊不可靠，在加工過程中會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)。所以在構(gòu)架加工工裝的設(shè)計(jì)方案中，采取增加側(cè)向頂緊的方式來提供多余的水平力，從而使構(gòu)架在加工過程中能保持靜止?fàn)顟B(tài)。
5 結(jié)束語
工件在實(shí)際生產(chǎn)過程中，受力情況是很復(fù)雜的，稍有不慎就有可能出現(xiàn)質(zhì)量問題。本文通過對(duì)城際動(dòng)車組構(gòu)架的加工工藝分析、工裝壓緊工件過程中力的計(jì)算，來判斷實(shí)際加工中壓緊力是否可靠、工藝方案是否合適，對(duì)于類似零件的加工具有一定的借鑒意義。
