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序言
轉(zhuǎn)向架是軌道車輛的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，不僅在車輛運行過程中提供牽引力和制動力，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、制動裝置、電動機和齒輪箱等聯(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)。隨著城際動車組速度和運載能力的提高，車輛的運行環(huán)境更加復(fù)雜，構(gòu)架上的安裝部件越來越多，對于構(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公里等級城際動車組的構(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、電動機吊座和制動吊座等。
圖1 200公里等級城際動車組的構(gòu)架
構(gòu)架在加工前已經(jīng)對所有加工部位進(jìn)行了劃線驗證，對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]，因為反裝狀態(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，從而實現(xiàn)對正面的精準(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
對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現(xiàn)，因此需要對摩擦力和加工過程中的切削力進(jìn)行校核，從而驗證壓緊是否可靠。
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。為了便于測量和應(yīng)用，可以將合力F分解為3個互相垂直的分力：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。由于機床和夾具設(shè)計的需求，通常把總切削力分解為以下3個分力：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，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。可知CF＝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，而且在計算過程中對于模型的建立和公式的利用都有一定程度的簡化，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 壓板壓緊力計算
選用8.8級的M16螺栓，根據(jù)相關(guān)手冊查到螺栓的擰緊力矩Mt為189N·m，其計算公式為Mt＝0.001KP0d，則螺栓的預(yù)緊力計算公式為
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[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最大靜摩擦力的計算
因為有切削液的存在，所以取靜摩擦系數(shù)為0.05。則工件下表面最大靜摩擦力F下＝μN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，刀具給工件的推動力為3019N。由于工件所受的推動力大于物體上、下表面的摩擦力，因此該工件壓緊不可靠，在加工過程中會產(chǎn)生移動。所以在構(gòu)架加工工裝的設(shè)計方案中，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。本文通過對城際動車組構(gòu)架的加工工藝分析、工裝壓緊工件過程中力的計算，來判斷實際加工中壓緊力是否可靠、工藝方案是否合適，對于類似零件的加工具有一定的借鑒意義。
