摘要：結合現場實際，在技術性能和投資兩個方面通過對比分析了鐵路車軸加工用普通車床的數控改造和新購置數控車床的經濟性和實用性。
關鍵詞：鐵路車軸加工 普通車床數控改造
鐵路車輛輪對上的車軸是車輛走行部的重要部件，是關系到行車安全的關鍵部位，也是走行部中加工工序最為復雜要求精度最高的部件之一。車軸兩端的輪座、防塵板座、軸頸及各部位連接的過渡部位的幾何形狀和尺寸精度的好壞直接影響到運行中的列車的運行安全。這需要良好的工裝設備進行車軸加工，以保證車軸各部位的幾何形狀和尺寸精度處于正常的公差范圍內，進而保證列車的行車安全。
1 現狀分析
路內的輪對全部由車輪廠進行組裝，而車輪廠購進的車軸絕大多數是半精車車軸，半精車車軸的軸身部分已經加工到最終的尺寸，在輪對組裝的車輪廠只需要對車軸兩端的輪座、防塵板座、軸頸及過渡部位進行車削精加工并磨削即可。目前，大多數的輪對生產單位都使用如CW6163 （φ630×3000） 或CW6180 （φ800×3000） 等普通臥式車床手工進行車軸的車削精加工。利用MQ1350B等外圓磨床進行軸頸部位的外圓磨削加工。輪座前肩（輪座與防塵板座的過渡圓弧）、防塵板座和卸荷槽部位采用滾壓的方式進行加工。隨著火車提速和重載的要求，車軸加工工藝發生了改變，從2007年1月1日起所有新組裝的貨車輪對的車軸的輪座前肩、防塵板座、卸荷槽和軸頸部位的最后一道工序必須采用成型磨床進行一次性磨削加工，而成型磨床是利用一片砂輪在數控仿形修整后同時對輪座前肩、防塵板座、卸荷槽和軸頸部位進行磨削，這樣要求磨削工序前的精車工序在加工這4個部位時必須為磨削工序留出均勻的磨削余量，成型磨床要求磨削余量為0.30~0.50 mm。原有的CW6163或CW6180普通車床在車削輪座、防塵板座、軸頸3處圓柱表面時可以滿足該要求，但是在加工輪座前肩和卸荷槽時是手工操縱機床的大托板和小托板進行加工，無法滿足這3個部位的磨削要求。
隨著科技的飛速發展，出現了臥式數控車床。臥式數控車床采用CNC控制，由伺服電動機驅動，滾珠絲杠為傳動介質，根據編制的加工程序采用兩軸聯動同時驅動大小托板，加工出任意復雜曲線的外圓，完全滿足新工藝修改后對車軸輪座、輪座前肩、防塵板座、卸荷槽和軸頸部位的加工要求。但是如果購置數控車床進行車軸的精車，將使原有的普通車床閑置，降低了國有資產的利用率，造成極大的浪費，而且數控車床的購置費用也很高。在實際的生產中發現只要對原有的車軸精車車床進行一些改造，就可以完全滿足生產的需要，同時能夠大大降低固定資產的投入。
2 改造方案的確定
根據車軸的加工特點和現場的實際加工情況制定如下的改造方案。
（1） 待改造機床的選擇。以RD2型車軸為例，車軸全長2 146 mm，半精車車軸直徑最大處φ198，最小處φ134，總重390 kg，在有1個大托板的臥式車床上加工時，必須采用床頭頂尖和尾座頂尖頂緊然后床頭三抓卡盤卡緊的裝卡方式，車削時必須在靠近尾座的加工部位由尾座向床頭方向進行加工。由于車軸的長度長重量大，這就要求加工車軸的車床的剛度和穩定性要好，避免由于震動的發生影響加工面的質量。
而福州機床生產的CW6180床身導軌寬度為600 mm比其他廠家的同型號車床寬，機床的自重大，而且床身為一體式床身，因此其剛度和穩定性都比較好，很利于車軸的加工，因此選擇該機床為待改造機床。
（2） 床頭箱主軸驅動部分的改造方案。車軸的輪座前肩、防塵板座、卸荷槽和軸頸部位的最后一道加工工序為成型磨床的磨削加工，而磨削加工之前要求車削加工工序，車削后的待磨削部位磨削余量均勻一致，同時為了保證砂輪各部位的磨耗一致，減少修整砂輪的次數，提高砂輪的利用率，也要求各待磨削表面的粗糙度要盡量保持一致。在數控臥式車床的使用中發現，可以在恒定轉數下通過調整刀具的進給速度使工件不同直徑加工表面的粗糙度達到一致，同時加工的進給速度是在工件加工程序中設定的，機床可以根據加工程序的設定自動調整加工過程中的進給速度。綜合以上特點我們發現原有的普通車床的床頭箱主軸驅動部分不用進行改造。
（3） 大小托板的改造方案。車軸的軸頸前端的1:10的倒角、輪座前肩和卸荷槽在車削加工時必須大小托板同時動作，才能完成倒角和圓弧過渡的加工，同時精車后的車軸要求的尺寸精度比較高。根據以上要求改造大托板時取消由進給箱控制的光杠和絲杠保留控制杠，采用由伺服電動機單獨控制的滾珠絲杠驅動。小托板也采用伺服電動機單獨控制的滾珠絲杠驅動，已達到機床單軸驅動和兩軸同時驅動的要求。
（4） 刀具的選擇方案。數控車床的加工為車刀相對某一坐標系的運動軌跡，而車軸的加工生產為批量的加工生產，所以在數控車床進行車軸批量車削時，無論是機床的坐標還是工件的坐標都是相對不變的。為了保證同一臺數控車床上批量生產的車軸各部位尺寸一致，這就要求在加工同種型號車軸的同一個位置時刀尖相對于工件坐標必須一致，而傳統的焊接硬質合金刀具需要經常進行刃磨，在裝卡時無法保證刀尖相對于工件坐標的一致性，同時由于每一次的刃磨角度都不會完全相同，所以造成工件加工后的粗糙度完全不同，影響下道磨削工序的磨削。綜合種種因素選擇不需要刃磨，耐用程度好，更換時定位精度高的半精車機夾車削刀具。
（5） 方刀臺的改造方案。批量購入的半精車車軸的待加工部位為車床粗車過的表面，各部尺寸全部在粗加工的公差范圍內，這樣粗車給精車留有的加工余量一致，同時軸頸、防塵板座、輪座部位的精車加工余量比較小， （如RD2半精車車軸的軸頸粗車后的尺寸為φ134+2.00 mm，精車后的尺寸為φ130+0.400 mm，切削深度最大為2.8 mm） 所以在車削的過程中無需進行換刀，利用一把刀具就能夠滿足加工要求，所以原有的方刀臺無需更換為電動轉位刀臺。
（6） 電控部分的改造方案。改造后的車床大小托板的運動分別由CNC控制的兩臺伺服電動機驅動，與機床主軸的運動沒有直接的連帶關系，同時為了減小強電對CNC系統的干擾，本著節約資金投入的原則，保留原有的配電箱，單獨設立一個CNC系統的控制柜。為了保證在車軸加工的過程中能夠實時監控刀具的運動軌跡是否與加工程序一致，將CNC控制面板設在大托板上與大托板同時運動，以保證工作者能夠同時觀察到CNC控制面板上的顯示屏和正在加工的工件。同時也保證在出現緊急情況時工作者能夠在第一時間對機床做出正確的操控。
3 機床的改造
（1） 待改造機床的整修。為了保證機床的加工精度，在改造前要對機床的個部位進行整修，特別是主軸和機床的導軌要進行全面細致的整修，恢復其原有的精度。
（2） 大小托板的改造。改造后的機床專用于車軸的加工，而且車軸車削加工要在機床靠近尾座部位進行，所以大托板的滾珠絲杠采用有效長度為1.5 m的滾珠絲杠（直徑50 mm、螺距10 mm） 安裝在機床靠近床尾部位，為了方便維修和簡化結構將大托板驅動伺服電動機安裝在機床床身尾部，用潤滑油箱取代溜板箱，將滾珠絲杠的絲母固定在潤滑油箱上帶動大托板移動。小托板的改造，用滾珠絲杠（直徑32 mm、螺距5 mm） 絲母代替原有的絲杠絲母，將驅動伺服電動機安裝在小托板的遠端.
（3） 刀具的選擇。由于車軸的切削深度比較小，而且加工后的表面粗糙度要求不高（還要經過磨削） 所以我們選用切削刃長度為15 mm，強度比較高的正三角形半精車刀具，這樣可以充分利用刀具的6個刀尖進行加工，延長刀具的使用壽命。半精車車軸精車后的部位最小的過渡圓弧半徑為2 mm，所以選取的刀具的刀尖圓弧半徑≤2 mm。
（4） 電控系統的改造。由于強電部分無需改造，只需增加CNC控制部分。為了保證系統穩定和方便日后的維修采用西門子公司面向我國開發的SINUMERIK801數控系統，配以雙軸型的SIMODRIVE611變頻驅動系統和與之相配套的1PH7伺服電機。
（5） 加工程序的編制。以機床主軸中心線為工件的Z坐標，正方向指向床頭，以軸端對刀點作為Z軸的0點，在水平面內與主軸中心線垂直的軸為X軸，正方向指向工作者，以與主軸相交的點作為X軸的0點。采用包洛線的方法以刀尖圓弧的圓心點進行編程。由于半精車以后的車軸給精車留的加工余量比較小，所以在編程時軸頸、防塵板座和輪座部位一次加工到位，而半精車后的車軸的輪座前肩和卸荷槽部位為圓錐型加工余量比較大，編程時此處要進行多次循環加工。刀具的進給速度可以在加工過程中在加工程序內進行調整或設置R參數根據生產進行調整。
4 經濟性能對比
近幾年隨著需求的增加，機床市場日漸火爆，機床的價格也是節節攀升。購買一臺加工直徑為800 mm，加工工件長度為3 000 mm的經濟型數控車床的價格為40多萬元，而隨著數控車床的投入使用，原有的普通車床將被閑置。對原有機床進行適應性數控改造只需要25萬元，并且能夠有效地利用原有的舊機床，提高了機床的利用率，盤活了國有固定資產。而且改造后的機床結構比較簡單，復雜系數低，維修方便，維修成本也比較低并且能夠滿足車軸加工的要求（如表1所示）。
綜合計算，對原有機床進行適應性數控改造比購置一臺經濟型數控車床節約資金投入20多萬元，能夠充分有效的利用企業的資金，比較適于目前鐵路企業的發展。
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