【摘要】 HXD3D型电力机车是我公司自主研发的中国首台大功率交流传动快速客运电力机车，是改变目前铁路既有客运机车多为直流传动、功率低现状，缓解我国客运压力而倾力打造的全新产品。本文通过对HXD3D型机车车轴在数控车床上进行精车的加工工艺研究，对原来车轴精加工的装夹方法进行了阐述，找出存在的问题，通过对存在问题的分析和解决，提高了生产效率，并为今后的工装设计提供了新的思路。
【关键字】机车车轴 数控 装夹方法 车削加工 改造
引言
HXD3D型电力机车的性能优越、技术水平高，同时对零部件的加工工艺也提出了更高的要求。由于加工设备的液压自动定心三爪卡盘限制了装夹方式，导致目前的加工工艺很难体现数控设备高柔性的特点。本文重点对其装夹方法进行必要的改进，设计一种床头胎具，能够在实现不调头完成车削加工任务，同时更好的保护车轴端面、中心孔，并使装夹更加简便、迅速，减少吊装难度和劳动强度，提高生产效率。
1 车削加工的部位及要求（如图1）
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图1 HXD3D机车车轴半精加工示意图
1.1 车削加工部位
在CNC数控车床上对HXD3D型机车车轴的轴颈、防尘板座、轮座、齿轮座、轴承座、轴身及圆弧等部位进行车削加工。
1.2 车削加工的技术要求
1.2.1 对HXD3D型机车车轴的轴颈、防尘板座、轮座、齿轮座、轴承座、轴身及圆弧进行车削加工为数控磨床预留0.4mm～0.5mm的磨削加工余量。
1.2.2 严格控制试切削尺寸在φ156 0-0.1公差范围内；
1.2.3 严格控制车削后两端防尘板座与轮座间的圆弧过渡部位圆跳动公差不超过0.05mm。
1.2.4 严格控制轴间距公差不超过0.3mm.
2 传统车轴车削加工的装夹方法
传统的车轴车削加工是在CW6163型车床采用液压仿形装置用一夹一顶的方式装夹来完成车削加工的。在机车车轴加工过程中，如果再沿用该车床加工工艺已经很难满足车轴设计要求。后期公司引进在ST130型CNC数控车床，但ST130型数控车床的主轴为三爪卡盘形式，所以仍不得不采用一夹一顶的装夹方式，加工过程中仍然需要调头二次装夹才能完成加工。
3 原车削加工装夹方法存在的问题
3.1 原车削加工车轴的装夹方式为一夹一顶，这种方法很难保证技术条件中规定的防尘板座与轮座圆弧的跳动公差要求。
3.2 必须调头再装夹一次进行车削加工，才能完成整根车轴的加工。
3.3 在CNC数控设备上调头车削加工HXD3D型机车车轴很难体现数控设备的高智能性与高加工柔性，并且调头车削将会提高编程难度，增加对刀时间，数控设备的利用率也大大降低。
4 改进
通过分析研究，设计了一套床头胎具（如图2），在CNC数控车床上不需要调头装夹就能完成车轴的全部车削加工。
4.1 胎具的加工
胎具主体具体尺寸精度要求不是很高，只有φ170mm处径向尺寸精度较高，因为φ170mm处是与CNC数控车床的主轴连接，要求间隙不能过大，胎具主体的形位公差要求很严格，胎具主体在CD6140车床上加工，要求在一次装夹过程中完成全部的程序加工，只有这样才能满足图纸上所要求的同轴度公差和垂直度公差。其中莫氏6#锥度需要锥度量规检测，接触面积在80%以上，同时控制锥孔大端直径φ64mm，图纸要求的孔和螺纹孔要求划线后在钻床上加工。
4.2 胎具的组装
该工装胎具共有6种零件构成，胎具主体（图2所示）、莫氏6#顶尖、2根拨销、2根弹簧、2个拨销定位螺钉和3个紧固螺钉。2根弹簧的作用是使2根拨销在插入轴端2个工艺孔后可以自动弹出；2个拨销定位螺钉起着限制拨销轴向位置作用；3个紧固螺钉用于与数控车床上的3个M10螺纹孔相连接。
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图2 HXD3D型机车车轴加工床头胎
4.3 胎具与机床的连接
把加工好的胎具主体（图3）中φ170mm外圆与数控车床主轴定位孔相连接实现微小的间隙配合，用3根M10螺栓通过胎具体上的3个孔与数控车床主轴定位盘上的3个M10螺纹孔连接固定，同时用数控车床上的液压三爪自动定心卡盘夹持胎具体φ250mm的外圆处。这种安装方法完全可以保证胎具上莫氏6#顶尖与主轴轴线的同轴度，因为在加工胎具主体时已经保证了φ250mm、φ170mm及端面与莫氏6#锥孔轴线的同轴度与垂直度。这种安装方法不仅定位精度高，而且拆卸与维修方便。
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图3 床头胎与机车轴的联接示意图
4.4 胎具的使用原理
数控车床不调头车削胎具是采用拨销传递扭矩取代卡盘夹持，利用车轴两端面上加工的工艺孔，利用床头胎上的两个弹簧拨销插入车轴工艺孔中，机床主轴带动胎具旋转，从而形成车削加工中的主动力。胎具上的莫氏6#顶尖在车轴的中心孔上配合尾座顶尖完成在数控车床上的定位，这种两顶尖的定位方式作用效果好且重复安装定位精度高。使用过程中按车轴中心吊起车轴，让车轴中心孔对准胎具上的6#顶尖，然后轻轻转动卡盘，安装在床头胎上的2个弹簧拨销就能自动弹入轴端的2个工艺孔内，调整吊装高度，顶紧机床尾座顶尖就可以进行加工了。
4.5 胎具的特点
4.5.1 采用了两顶尖定位方法，跟原来一夹一顶装夹方式相比，提高了两段轴颈的同轴度，而且重复安装定位精度高，为磨削加工打下很好的基础，避免了偏磨现象。
4.5.2 采用一夹一顶的装夹方式加工，在一段车削加工完成后需要调头用卡盘夹持已经加工的表面，容易降低已加工表面质量。而利用不掉头车削胎具避免了这一问题。
4.5.3 原装夹方法加工一根车轴必须吊装2次，利用不调头车削胎具后，仅用1次吊装就可以完成车削加工。
该车削胎具的设计，充分符合了对夹具牢、正、快、简的要求，同时其加工和维修都非常方便。
5 改进后的效果
5.1车削胎具使用后的效果
5.5.1 大大提高了产能，由原来的一个班次4件提高到了现在一个班次8件；
5.5.2 有效降低了吊车工人的劳动强度和吊装难度，同时降低编程难度；
5.5.3 胎具在使用过程中稳定性高，不需要更换零件，且维修保养方便，使用胎具方法简单、容易操作；
5.2 经济效益分析
按全年产量500台机车，每台机车6条车轴，每班次7.5小时计算，全年可以节省工时【500x6/4-500x6/8）】x7.5=2812.5小时。按工时80元/小时计算，预计年节省工时费用为2812.5x80=225000元。
6 结束语
采用以上方法，通过对数控车削加工HXD3D型机车车轴不调头车削床头胎的设计，改进了HXD3D型机车车轴的加工工艺，采用这种装夹方式，降低了工人的劳动强度，提高了产品的加工质量和生产效率。本工艺的最大优点是装夹方便，效率高，具有较好的推广使用价值。
参考文献
1、机械制造工艺与夹具，机械工业出版社，2013
2、机床夹具设计，机械工业出版社，2009