浅析分体式轴箱体螺纹孔加工工艺研究

浅析分体式轴箱体螺纹孔加工工艺研究在检修过程中，采用传统轴箱体（整体式）的车辆需执行抬车工序更换轮对，该过程造成了检修工作量大、检修周期长等问题。某车型动车组率先采用了分体式轴箱体（见图1），该创新结构可以省略抬车工序，直接进行轮对更换，能够大幅减少检修工作量、缩短检修周期。分体式轴箱体的螺纹孔具有材料硬度高、螺纹有效深度大等特点，在螺纹孔加工过程（见图2）中极易出现乱扣、表面粗糙度高等问题，严重制约了分体式轴箱体的生产质量与效率提升。为此，本文针对上述问题，开展了分体式轴箱体螺纹孔加工工艺优化研究，达到了降低螺纹孔加工不合格率的目的。1.分体式轴箱体螺纹孔加工工艺现状（1）分体式轴箱体材质及螺纹孔加工方法目前，各类轴箱体的材质见表1。其中，分体式轴箱体所采用的新材质是G20Mn5+QT，该材料的热处理方式为：先淬火，后回火。经过热处理，工件硬度可提高20%。数控加工设备通常采用G84（攻丝循环指令）直接完成分体式轴箱体各规格螺纹孔的加工，在加工过程中，经常出现螺纹孔加工异常现象。（2）分体式轴箱体螺纹孔加工异常处理方法当分体式轴箱体螺纹孔加工出现异常后，为了避免工件报废，需要由人工根据生产经验分情况进行处理，具体处理方法如下：①当螺纹孔在前工序中重要尺寸未加工时出现异常，工件需要返回毛坯铸造厂家，采用扩孔、焊补与热处理后等修复措施后，重新返回班组进行二次加工；②当螺纹孔在重要工序完成后出现异常，尤其是在轴承孔精镗后出现异常，工件直接进行报废处理。综上所述，为了避免精镗孔后出现产品报废，需要在数控加工程序中增设暂停指令，提前对螺纹底孔进行观察判断，该过程影响了产品生产效率。（3）分体式轴箱体螺纹孔加工异常不利影响分体式轴箱体螺纹孔的加工异常现象，已经成为制约公司生产能力与水平提升的瓶颈，具体表现为：①因工件无法修复导致报废，将造成较大的经济损失，影响公司效益；②大量的返修工序，将造成人力与物力的极大浪费，直接影响生产效率；③不合格的螺纹孔将影响转向架的装配质量，存在安全隐患。2.分体式轴箱体螺纹孔加工异常原因（1）毛坯硬度不同根据制造工艺要求，工件毛坯在铸造完成后，将由铸造厂家进行毛坯粗加工，在该过程中便于及时发现毛坯铸造缺陷，并对缺陷采用焊修等方法进行处理。为了满足公司的产能需求，毛坯的供货厂家共有4家，由于各厂家所采用的铸造及焊修工艺不同，毛坯的硬度也不同。选取毛坯样本进行待加工面里氏硬度测试（见图3），测试结果表明各厂家毛坯硬度不同，具体数据见表2。（2）加工设备精度不理想根据典型数控加工过程的工艺特性，数控加工设备的精度主要分为两类：①影响机床各主运动的床身、立柱、溜板、主轴箱等大部件运动过程的直线度、平行度与垂直度等；②影响切削运动的主轴自身回转精度及直线运动（切削进刀）精度等。在此基础上，分别对分体式轴箱体上、下箱体单体的加工设备及工序精度进行检测，结果表明个别数控加工设备主轴存在反向间隙，属于上述第二类设备精度影响因素。使用该类设备进行螺纹孔加工，易出现螺纹孔断牙问题。（3）刀具性能不佳常用钻头的材质一般可分为高速钢（HSS）和硬质合金（CARBIDE）。硬质合金钻头具有硬度高、耐磨、耐热、耐腐蚀等优良性能，但由于其本体硬而脆，使用不当容易发生断裂。数控加工设备主轴精度高、功率大，通常使用硬质合金钻头来提高加工效率。螺旋槽丝锥具有加工效率高、精度高、排屑效果好、对中性好等特点，该类丝锥前部具有容屑槽结构，通常用于通孔内螺纹的加工。综上所述，分体式轴箱体螺纹孔加工采用硬质合金钻头与螺旋槽丝锥相配合的方式进行。通过开展螺纹孔加工实验，发现了加工过程存在刀具易磨损、排屑困难等现象。3.分体式轴箱体螺纹孔加工异常解决办法（1）提高毛坯质量根据分体式轴箱体的制造工艺要求，箱体毛坯的里氏硬度一般为（425~489）HL。如果毛坯的硬度高，在加工过程中易产生较大的应力变形，进而导致精加工后工件尺寸不易控制。经过反复试验验证，发现当毛坯热处理后的里氏硬度为（435~470）HL时，能够获得较好的加工效果。（2）提高加工设备精度由于加工设备存在反向间隙，导致加工过程设备关键部件的进退位置不同，该现象易导致螺纹乱扣。开展加工过程设备精度驱动的参数自适应补偿机制研究，实现加工设备反向间隙精确调控，进而提高设备精度，能够有效解决加工过程螺纹乱扣问题。（3）优化刀具使用①M20螺纹孔底孔加工用钻头。A型快换钻头（见图4）：使用该型刀具进行底孔加工，刀体易磨损，钻头结构强度降低，导致螺纹底孔垂直度超差。攻丝后，螺纹孔一侧牙型粗，另一侧牙型细。该型钻头验证失败。B型硬质合金整体钻头（见图5）：该型钻头刃带具有浅槽结构，该结构能够达到方便冷却润滑剂流动、防止加工过程钻头缠屑等目的，进一步提高钻孔质量。通过加工验证，结果表明与传统钻头相比，使用该型刀具的加工效率提升了35%，刀具寿命提高了50%；此外，根据刀具浅槽结构可以统计出刀具的修磨次数，表征出刀具应用状态。该类钻头确保了底孔垂直度，提升了刀具排屑能力，实现了底孔的高质、高效加工。该型钻头验证成功。②M20螺纹孔攻丝用丝锥。某种直角丝锥：该型丝锥具有TiN涂层，冷却方式为轴向内冷，所形成的短切屑能够有效避免缠屑，但所加工出的螺纹表面粗糙度高，故该型丝锥验证失败。某种螺旋丝锥（见图6）：该型丝锥具有ACN涂层，刀具刚性好、后角较大，能够有效降低螺纹表面粗糙度，提高攻丝质量。但该型丝锥由于大后角易产生崩刃现象，故该型丝锥验证失败。图6螺旋丝锥某种镀层螺旋丝锥（见图7）：该型丝锥材质为粉末冶金高速钢，具有TiNIN涂层，丝锥的刃部锋利、耐磨性好、寿命长，所加工出的螺纹表面粗糙度低，认定该型丝锥验证成功。图7镀层螺旋丝锥M16螺纹孔底孔加工用钻头：该钻头所需性能同M20螺纹孔底孔加工用钻头，因此，选用同M20螺纹孔底孔加工用同类型钻头。M16螺纹孔攻丝用丝锥：M16螺纹孔加工过程螺纹挤牙、乱扣现象频发，所选择的丝锥需解决以上问题。螺纹孔加工缺陷成因主要有以下因素。螺纹孔设计深度影响：根据内螺纹加工原则，当螺纹孔深度大于2倍螺纹大径时，因排屑不畅易造成螺纹挤牙、乱扣等缺陷。分体式轴箱体M16螺纹孔有效深度为43mm，同时还需加工导向螺纹，即螺纹孔深度为螺纹大径的3倍，攻丝过程难度大，易产生螺纹加工缺陷。螺纹孔设计位置影响：攻丝时，切屑沿丝锥排屑槽排出，因螺纹孔位于轴箱体筋板中间位置（见图8），切屑碰撞筋板易缠绕丝锥，影响后续切屑排出，造成螺纹加工缺陷。图8螺纹孔位置M16螺纹孔攻丝用丝锥验证：针对上述螺纹孔加工缺陷成因分析，先后验证了4种类型的M16丝锥，最终刃带设计浅槽结构的丝锥（见图9）验证成功，该丝锥攻丝过程所形成的切屑呈片状（见图10），有效解决了螺纹加工缺陷。4.分体式轴箱体螺纹孔加工新工艺应用效果（1）工艺优化后的产品质量据统计，在2020年4月至2020年9月的生产周期内，共生产了4800件分体式轴箱体。其中，螺纹孔一次加工不合格产品为9件，一次加工不合格率仅为0.19%，具体统计数据如图11所示。（2）工艺优化后的经济效益分体式轴箱体螺纹孔加工新工艺得到应用，生产效率与产能得到了显著提升，攻克了分体式轴箱体生产技术瓶颈。据测算，新工艺的实施具有如下经济效益：①生产成本：按照2020年产量，每月报废件将减少18件，除去毛坯因素，降低成本约8万元/月；②减少刀具损耗：选用工艺优化后的钻头、丝锥，刀具耐用度提高，可节约辅助工时32小时/月。（3）工艺优化后的社会效益通过此次工艺优化，在攻克了分体式轴箱体螺纹孔加工难题的同时，有效解决了生产过程新结构、新技术数据积累与经验认知不足的问题。这次工艺优化与应用是生产过程“创新提