城际动车组转向架构架加工技术

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编者按

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序言

转向架是轨道车辆的关键系统之一，不仅在车辆运行过程中提供牵引力和制动力，而且还承担着整车的质量，其可靠性显得尤为重要。构架作为其中的主体结构，一般选用H形全焊接结构，分别将一系悬挂、二系悬挂、减振装置、牵引装置、制动装置、电动机和齿轮箱等联系在一起。构架采用中厚板焊接成箱形结构，从而保证连接强度。 构架下方为一系悬挂相关部件，比如轴箱、垂向减振器等；构架上方为二系悬挂相关部件，比如空气弹簧、横向减振器等。为了保证各部件的准确安装，对于构架的正反面都需要做加工处理，将悬挂件的安装面表面粗糙度值 Ra 限制在6.3μm以内。随着城际动车组速度和运载能力的提高，车辆的运行环境更加复杂，构架上的安装部件越来越多，对于构架的加工要求也越来越高。

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工艺分析

图1所示为200公里等级城际动车组的构架，结构为典型的H形。构架的反面加工位置主要有转臂定位座、齿轮箱吊座和支架安装面；正面加工位置主要有牵引拉杆座、电动机吊座和制动吊座等。

图 1 200 公里等级城际动车组的构架

构架在加工前已经对所有加工部位进行了划线验证，对于不合格的位置已经进行了调修，确保能加工到构架的所需部位。这里选择先反面加工、后正面加工的方式 [1] ，因为反装状态下在帽筒位置存在较大的平面，位置也在构架的最大尺寸边缘，非 常适合用作加工的粗基准。通过划线找正，将反面 的安装面先加工后，再以反面已加工好的精加工面 用作基准定位正面，从而实现对正面的精准加工。

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刀具选择及参数确定

3.1 支架安装面加工方案 选用端面铣刀，材质为高速钢。 转速 n ₀ ＝600r/min，背吃刀量 a _p ＝1mm，铣刀外径 d ₀ ＝80mm，齿数 z ＝6，每齿进给量 a _f ＝0.13mm/z，铣削接触弧深度 a _e ＝45mm。

3.2 转臂定位座加工方案

1）垂向粗加工 转臂定位座内侧立面。选用D63 端面铣刀使用层切的加工方式，刀具材质为高速 钢。 转速 n ₀ ＝900r/min，背吃刀量 a _p ＝3mm，铣刀外 径 d ₀ ＝63mm，齿数 z ＝6，每齿进给量 a _f ＝0.22mm/z， 铣削接触弧深度 a _e ＝3mm。 

2）垂向精加工转臂定位座内侧立面。选用D25立铣刀使用层切的加工方式，刀具材质为硬质合金。转速 n ₀ ＝800r/min，背吃刀量 a _p ＝5mm，铣刀外径 d ₀ ＝25mm，齿数 z ＝4，每齿进给量 a _f ＝0.06mm/z，铣削接触弧深度 a _e ＝5mm。

3）粗加工转臂定位座φ70mm孔。此位置垂向加工存在干涉，选用直角头和玉米铣刀使用螺旋进刀的加工方式，刀具材质为高速钢。转速 n ₀ ＝900r/min，背吃刀量 a _p ＝0.5mm，铣刀外径 d ₀ ＝50mm，齿数 z ＝3，每齿进给量 a _f ＝0.44mm/z，铣削接触弧深度 a _e ＝0.5mm。

4）粗镗转臂定位座φ70mm孔。此位置垂向加工存在干涉，使用直角头和粗镗刀，刀具材质为高速钢。转速 n ₀ ＝800r/min，背吃刀量 a _p ＝100mm（有效镗削），铣刀外径 d ₀ ＝69.6mm，齿数 z ＝2，每齿进给量 a _f ＝0.13mm/z，铣削接触弧深度 a _e ＝60mm。

5）精镗转臂定位座φ70mm孔。此位置垂向加工存在干涉，使用直角头和精镗刀，刀具材质为高速钢。转速 n ₀ ＝800r/min，背吃刀量 a _p ＝100mm（有效镗削），铣刀外径 d ₀ ＝70.1mm，齿数 z ＝2，每齿进给量 a _f ＝0.10mm/z，铣削接触弧深度 a _e ＝60mm。

3.3 齿轮箱吊座加工方案

此位置垂向加工存在干涉，选用直角头和端面铣刀使用层切的加工方式，刀具材质为高速钢。转速 n ₀ ＝900r/min，背吃刀量 a _p ＝2mm，铣刀外径 d ₀ ＝63mm，齿数 z ＝6，每齿进给量 a _f ＝0.22mm/z，铣削接触弧深度 a _e ＝2mm。

4 工装设计

对于一般的加工工序来说，通常采用的定位方式是下部可调整支撑，上部施加垂直向下的压紧力，为了找正工件的 X 向和 Y 向坐标尺寸，同时在侧面增加调整丝杠。但是由于此种压紧方式全部采用摩擦力来实现，因此需要对摩擦力和加工过程中的切削力进行校核，从而验证压紧是否可靠。 通用构架加工工装如图2所示。构架下面帽筒处采用工作面为220mm×120mm的调整垫铁进行支撑，上面采用U形开口压板进行压紧，在构架刚度较小的位置增加辅助支撑和压紧。

图 2 　通用构架加工工装

下面以反面加工中最大的支架安装面，也是工件受切削力最大的位置为例进行校核，如果此位置能满足压紧要求，则其余位置皆可满足要求。

4.1 刀具上的力

图 3 　切削力分解

4.3 工件受力分析

工件受力为： 。 垂直方向： ，水平方向： 。 垂直进给力 F _fn 、工装压紧力 F _压 和工件重力合力产生的摩擦力应大于进给力 F _f 和横向进给力 F _e 的合力。工件要保持稳定性，所得的水平方向的力应为正值。切削力计算公式为

由 F _fn ＝（0.85～0.95） F _z ，近似可得 F _fn ＝0.9×478.5＝430.7（N）；由 F _f ＝（0.3～0.4） F _z ，近似可得 F _f ＝0.35×478.5＝167.5（N）；由 F _e ＝（0.5～0.55） F _z ，近似可得 F _e ＝0.525×478.5＝251.2（N）。则工件所受刀具在水平面的合力 F ₂ ＝（ F _f ² ＋ F _e 2 ） 1/2 ＝（167.5 ² ＋251.2 ² ） 1/2 ＝301.9（N）。G _重力 ＝mg＝（1900/4）×10＝4750（N）。

表1 切削力公式系数及指数

4.4 压板压紧力计算

选用8.8级的M16螺栓，根据相关手册查到螺 栓的拧紧力矩 M _t 为189N·m，其计算公式为 M _t ＝0.001 KP ₀ d ，则螺栓的预紧力计算公式为 式中， P ₀ 为预紧力（N）； M _t 为拧紧力矩（N·m）； K  为拧紧力系数； d  为螺纹公称直径（mm）。

4.5最大静摩擦力的计算

因为有切削液的存在，所以取静摩擦系数为0.05。则工件下表面最大静摩擦力 F _下 ＝μ N _下 ＝0.05×（ F _fn ＋ G _重力 ＋ F _压 ）＝0.05×（430.7＋4750＋19687.5）＝1243.4（N）；工件上表面最大静摩擦力 F _上 ＝μ N _上 ＝0.05× F _压 ＝0.05×19687.5＝984.4（N）。

4.6 受力分析结论

5 结束语

参考文献：

[1] 陈宏钧. 实用机械加工工艺手册[M]. 4版. 北京：机械工业出版社，2016. [2] 陆剑中，孙家宁. 金属切削原理与刀具[M]. 北京：机械工业出版社，2011. [3] 成大先. 机械设计手册[M]. 北京：化学工业出版社，2007.

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