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铁路车轴加工用普通车床的数控改造
Nov 25, 2013  来源:  作者:哈尔滨铁路局哈尔滨车辆 刘春辉

摘要:结合现场实际,在技术性能和投资两个方面通过对比分析了铁路车轴加工用普通车床的数控改造和新购置数控车床的经济性和实用性。

 

关键词:铁路车轴加工 普通车床数控改造

 

      铁路车辆轮对上的车轴是车辆走行部的重要部件,是关系到行车安全的关键部位,也是走行部中加工工序最为复杂要求精度最高的部件之一。车轴两端的轮座、防尘板座、轴颈及各部位连接的过渡部位的几何形状和尺寸精度的好坏直接影响到运行中的列车的运行安全。这需要良好的工装设备进行车轴加工,以保证车轴各部位的几何形状和尺寸精度处于正常的公差范围内,进而保证列车的行车安全。

 

1 现状分析

 

      路内的轮对全部由车轮厂进行组装,而车轮厂购进的车轴绝大多数是半精车车轴,半精车车轴的轴身部分已经加工到最终的尺寸,在轮对组装的车轮厂只需要对车轴两端的轮座、防尘板座、轴颈及过渡部位进行车削精加工并磨削即可。目前,大多数的轮对生产单位都使用如CW6163 (φ630×3000) 或CW6180 (φ800×3000) 等普通卧式车床手工进行车轴的车削精加工。利用MQ1350B等外圆磨床进行轴颈部位的外圆磨削加工。轮座前肩(轮座与防尘板座的过渡圆弧)、防尘板座和卸荷槽部位采用滚压的方式进行加工。随着火车提速和重载的要求,车轴加工工艺发生了改变,从200711日起所有新组装的货车轮对的车轴的轮座前肩、防尘板座、卸荷槽和轴颈部位的最后一道工序必须采用成型磨床进行一次性磨削加工,而成型磨床是利用一片砂轮在数控仿形修整后同时对轮座前肩、防尘板座、卸荷槽和轴颈部位进行磨削,这样要求磨削工序前的精车工序在加工这4个部位时必须为磨削工序留出均匀的磨削余量,成型磨床要求磨削余量为0.30~0.50 mm。原有的CW6163CW6180普通车床在车削轮座、防尘板座、轴颈3处圆柱表面时可以满足该要求,但是在加工轮座前肩和卸荷槽时是手工操纵机床的大托板和小托板进行加工,无法满足这3个部位的磨削要求。

 

      随着科技的飞速发展,出现了卧式数控车床。卧式数控车床采用CNC控制,由伺服电动机驱动,滚珠丝杠为传动介质,根据编制的加工程序采用两轴联动同时驱动大小托板,加工出任意复杂曲线的外圆,完全满足新工艺修改后对车轴轮座、轮座前肩、防尘板座、卸荷槽和轴颈部位的加工要求。但是如果购置数控车床进行车轴的精车,将使原有的普通车床闲置,降低了国有资产的利用率,造成极大的浪费,而且数控车床的购置费用也很高。在实际的生产中发现只要对原有的车轴精车车床进行一些改造,就可以完全满足生产的需要,同时能够大大降低固定资产的投入。

 

2 改造方案的确定

 

      根据车轴的加工特点和现场的实际加工情况制定如下的改造方案。

 

      (1) 待改造机床的选择。以RD2型车轴为例,车轴全长2 146 mm,半精车车轴直径最大处φ198,最小处φ134,总重390 kg,在有1个大托板的卧式车床上加工时,必须采用床头顶尖和尾座顶尖顶紧然后床头三抓卡盘卡紧的装卡方式,车削时必须在靠近尾座的加工部位由尾座向床头方向进行加工。由于车轴的长度长重量大,这就要求加工车轴的车床的刚度和稳定性要好,避免由于震动的发生影响加工面的质量。

 

      而福州机床生产的CW6180床身导轨宽度为600 mm比其他厂家的同型号车床宽,机床的自重大,而且床身为一体式床身,因此其刚度和稳定性都比较好,很利于车轴的加工,因此选择该机床为待改造机床。

 

     (2) 床头箱主轴驱动部分的改造方案。车轴的轮座前肩、防尘板座、卸荷槽和轴颈部位的最后一道加工工序为成型磨床的磨削加工,而磨削加工之前要求车削加工工序,车削后的待磨削部位磨削余量均匀一致,同时为了保证砂轮各部位的磨耗一致,减少修整砂轮的次数,提高砂轮的利用率,也要求各待磨削表面的粗糙度要尽量保持一致。在数控卧式车床的使用中发现,可以在恒定转数下通过调整刀具的进给速度使工件不同直径加工表面的粗糙度达到一致,同时加工的进给速度是在工件加工程序中设定的,机床可以根据加工程序的设定自动调整加工过程中的进给速度。综合以上特点我们发现原有的普通车床的床头箱主轴驱动部分不用进行改造。

 

     (3) 大小托板的改造方案。车轴的轴颈前端的1:10的倒角、轮座前肩和卸荷槽在车削加工时必须大小托板同时动作,才能完成倒角和圆弧过渡的加工,同时精车后的车轴要求的尺寸精度比较高。根据以上要求改造大托板时取消由进给箱控制的光杠和丝杠保留控制杠,采用由伺服电动机单独控制的滚珠丝杠驱动。小托板也采用伺服电动机单独控制的滚珠丝杠驱动,已达到机床单轴驱动和两轴同时驱动的要求。

 

      (4) 刀具的选择方案。数控车床的加工为车刀相对某一坐标系的运动轨迹,而车轴的加工生产为批量的加工生产,所以在数控车床进行车轴批量车削时,无论是机床的坐标还是工件的坐标都是相对不变的。为了保证同一台数控车床上批量生产的车轴各部位尺寸一致,这就要求在加工同种型号车轴的同一个位置时刀尖相对于工件坐标必须一致,而传统的焊接硬质合金刀具需要经常进行刃磨,在装卡时无法保证刀尖相对于工件坐标的一致性,同时由于每一次的刃磨角度都不会完全相同,所以造成工件加工后的粗糙度完全不同,影响下道磨削工序的磨削。综合种种因素选择不需要刃磨,耐用程度好,更换时定位精度高的半精车机夹车削刀具。

 

      (5) 方刀台的改造方案。批量购入的半精车车轴的待加工部位为车床粗车过的表面,各部尺寸全部在粗加工的公差范围内,这样粗车给精车留有的加工余量一致,同时轴颈、防尘板座、轮座部位的精车加工余量比较小, (如RD2半精车车轴的轴颈粗车后的尺寸为φ134+2.00 mm,精车后的尺寸为φ130+0.400 mm,切削深度最大为2.8 mm) 所以在车削的过程中无需进行换刀,利用一把刀具就能够满足加工要求,所以原有的方刀台无需更换为电动转位刀台。

 

      (6) 电控部分的改造方案。改造后的车床大小托板的运动分别由CNC控制的两台伺服电动机驱动,与机床主轴的运动没有直接的连带关系,同时为了减小强电对CNC系统的干扰,本着节约资金投入的原则,保留原有的配电箱,单独设立一个CNC系统的控制柜。为了保证在车轴加工的过程中能够实时监控刀具的运动轨迹是否与加工程序一致,将CNC控制面板设在大托板上与大托板同时运动,以保证工作者能够同时观察到CNC控制面板上的显示屏和正在加工的工件。同时也保证在出现紧急情况时工作者能够在第一时间对机床做出正确的操控。

 

3 机床的改造

 

     (1) 待改造机床的整修。为了保证机床的加工精度,在改造前要对机床的个部位进行整修,特别是主轴和机床的导轨要进行全面细致的整修,恢复其原有的精度。

 

     (2) 大小托板的改造。改造后的机床专用于车轴的加工,而且车轴车削加工要在机床靠近尾座部位进行,所以大托板的滚珠丝杠采用有效长度为1.5 m的滚珠丝杠(直径50 mm、螺距10 mm) 安装在机床靠近床尾部位,为了方便维修和简化结构将大托板驱动伺服电动机安装在机床床身尾部,用润滑油箱取代溜板箱,将滚珠丝杠的丝母固定在润滑油箱上带动大托板移动。小托板的改造,用滚珠丝杠(直径32 mm、螺距5 mm) 丝母代替原有的丝杠丝母,将驱动伺服电动机安装在小托板的远端.

 

    (3) 刀具的选择。由于车轴的切削深度比较小,而且加工后的表面粗糙度要求不高(还要经过磨削) 所以我们选用切削刃长度为15 mm,强度比较高的正三角形半精车刀具,这样可以充分利用刀具的6个刀尖进行加工,延长刀具的使用寿命。半精车车轴精车后的部位最小的过渡圆弧半径为2 mm,所以选取的刀具的刀尖圆弧半径≤2 mm

 

     (4) 电控系统的改造。由于强电部分无需改造,只需增加CNC控制部分。为了保证系统稳定和方便日后的维修采用西门子公司面向我国开发的SINUMERIK801数控系统,配以双轴型的SIMODRIVE611变频驱动系统和与之相配套的1PH7伺服电机。

 

     (5) 加工程序的编制。以机床主轴中心线为工件的Z坐标,正方向指向床头,以轴端对刀点作为Z轴的0点,在水平面内与主轴中心线垂直的轴为X轴,正方向指向工作者,以与主轴相交的点作为X轴的0点。采用包洛线的方法以刀尖圆弧的圆心点进行编程。由于半精车以后的车轴给精车留的加工余量比较小,所以在编程时轴颈、防尘板座和轮座部位一次加工到位,而半精车后的车轴的轮座前肩和卸荷槽部位为圆锥型加工余量比较大,编程时此处要进行多次循环加工。刀具的进给速度可以在加工过程中在加工程序内进行调整或设置R参数根据生产进行调整。

 

4 经济性能对比

 

     近几年随着需求的增加,机床市场日渐火爆,机床的价格也是节节攀升。购买一台加工直径为800 mm,加工工件长度为3 000 mm的经济型数控车床的价格为40多万元,而随着数控车床的投入使用,原有的普通车床将被闲置。对原有机床进行适应性数控改造只需要25万元,并且能够有效地利用原有的旧机床,提高了机床的利用率,盘活了国有固定资产。而且改造后的机床结构比较简单,复杂系数低,维修方便,维修成本也比较低并且能够满足车轴加工的要求(如表1所示)。

 

     综合计算,对原有机床进行适应性数控改造比购置一台经济型数控车床节约资金投入20多万元,能够充分有效的利用企业的资金,比较适于目前铁路企业的发展。

 

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