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改善车轮轮毂孔精车粗糙度方法研究

发表时间：2021/3/16 来源：《中国科技信息》2021年2月作者：姚伟刘艳霞赵晓丹朱玉晗席智星

[导读] 将TRIZ发明问题解决理论应用于某轨道客车热装轮对的车轮车削加工中，在分析整个车削过程中存在的问题基础上，提出基于TRIZ 理论方法和步骤的解决方案，有效地解决了精车后车轮轮毂孔粗糙度超差的问题。

中车长春轨道客车股份有限公司姚伟刘艳霞赵晓丹朱玉晗席智星 130062

摘要:将TRIZ发明问题解决理论应用于某轨道客车热装轮对的车轮车削加工中，在分析整个车削过程中存在的问题基础上，提出基于TRIZ 理论方法和步骤的解决方案，有效地解决了精车后车轮轮毂孔粗糙度超差的问题。
关键词:TRIZ理论；热装轮对；车轮车削；轮毂孔；粗糙度超差
        1.问题背景
        某轨道客车项目轮对车轮、车轴采用热装工艺组装，热装后保证过盈量为0.188～0.314mm。车轮加工内容为和车轴配合的车轮轮毂孔及方便后续退卸注油用的注油槽。轮毂孔加工后粗糙度要求≤Ra1.6μm。
        2.问题描述
        2.1定义技术系统实现的功能
        问题所在技术系统为：车轮轮毂孔车削系统。该系统的功能为：加工出粗糙度均匀且合格的轮毂孔。实现该功能的约束有：精车刀片的稳定性、生产效率慢。
        2.2现有技术系统的工作原理
        （1）装夹：操作者将车轮吊运、装夹到三爪卡盘上，调整车轮端部跳动和径向跳动符合加工要求并夹紧。
        （2）加工：启动数控程序加工，目前工艺流程为：粗车轮毂孔→精车轮毂孔→车削注油槽。精车轮毂孔前，需要进行试切削，使用千分表测量后，结合调整车刀参数，最终加工出满足尺寸要求的轮毂孔。
        （3）检测：使用粗糙度测量仪测量轮毂孔加工后的粗糙度。
        2.3当前技术系统存在的问题
        （1）因车轮注油孔加工前已存在，轮毂孔精车到注油孔时，会出现断续切削，会造成精车刀片剧烈磨损，甚至崩刃。所以在精车完成后，以注油槽为界，轮毂孔上下面粗糙度不均匀，孔上面粗糙度能保持在≤Ra1.6，孔下面粗糙度大概在Ra1.6～2.3，且存在部分因加工过程中车刀片挤屑形成的凹陷，需要打磨抛光满足粗糙度要求。
        （2）加工过程中精车进给量设置较低，每精车一片车轮就需要换一个刀尖，第二次精车就无法保证粗糙度≤Ra1.6。
        （3）车削时切削液断续供给，影响刀具寿命和加工粗糙度。
        （4）整个加工过程占用设备时间长，设备利用率低，同时操作者需要频繁换刀、对刀，劳动强度较大。
        3.问题分析
        3.1功能分析，建立已有系统的功能模型，见图1。

        4 问题求解
        4.1冲突解决理论
        4.1.1技术冲突解决过程
        （1）冲突描述：为了提高系统的“轮毂孔车削粗糙度”，我们需要提高精车加工精度，提升车刀片加工时的稳定性，但这样做了会导致系统的加工生产率变低。
        （2）转换成TRIZ标准冲突：改善的参数：No.29制造精度或No. 13 结构稳定性；恶化的参数：No.39生产率
        （3）查找冲突矩阵，得到如下发明原理：
       1）改善：No.29制造精度，恶化：No.39生产率
        推荐发明原理：No.10预先作用
       2）改善：No. 13结构稳定性，恶化：No.39生产率
        推荐发明原理：No.35物理或化学参数改变、No.40复合材料、No.3局部质量
        （4）解决方案
        方案一：依据 No.10预先作用原理，工艺流程改为粗车轮毂孔→车削注油槽→精车轮毂孔，将注油槽车削加工，安排到精车轮毂孔前，注油槽加工后能够将注油孔位置处轮毂孔直径变大，能够避免精车时发生断续切削，造成精车刀片异常磨损，影响粗糙度。
        方案二：依据 No.35物理或化学参数改变原理，减小粗车要求的直径参数，即增大精车时的径向切深（粗车留量），由原来的径向（直径方向）加工0.4mm改为0.7mm，使精车时切屑变厚，刀片能够顺利断屑，并能保持精车刀尖在车削时有足够的切深压力及稳定性，避免切屑挤入刀尖，划伤已加工表面或“跳刀”现象，影响粗糙度。
        方案三：依据 No.40复合材料原理，根据车轮材质及硬度，选择适合加工该种车轮材质的复合材料-金属陶瓷等精车刀片，能够稳定的进行批量加工，避免精车一刀就更换一个刀尖，减轻操作者劳动强度。
        方案四：依据 No.3局部质量原理，现有精车刀片刀尖及断屑槽形状不能满足该种车轮的加工。选择一种带修光刃的精车刀片，在车削时既能够切削、又能够顺利断屑，最重要的是在车削后利用修光刃结构对已加工表面进行表面修正，提高表面粗糙度。
        4.1.2物理冲突解决过程
        （1）冲突描述：为了“提高轮毂孔车削粗糙度”，需要参数“切屑形状”“细、薄”，但又为了“能够断屑，不挤屑，划伤已加工表面”，需要参数“切屑形状”“粗、厚”，即切屑既要“细、薄”又要“粗、厚”。
        （2）考虑到该参数“切屑形状 ”在不同的“时间段”具有不同的特性，因此该冲突可以根据“时间分离”原理从“时间”上进行分离。
        （3）解决方案
        方案五：依据 No.10预先作用原理，工艺流程改为粗车轮毂孔→车削注油槽→半精车轮毂孔→精车轮毂孔，增加半精车工步，保证精车刀片切屑不能太厚也不能太薄，保证0.3～0.5mm之间。调整数控程序中精车进给量由F0.08改为F0.18，使切屑变粗，能够顺利断屑。
        4.2物质-场分析及76个标准解
        （1）建立问题的物质-场模型。
        （2）根据所建问题的物质-场模型，应用标准解解决流程，得到标准解为S2.2.6。
        （3）依据选定的标准解，得到问题的解决方案。
        （4）解决方案
        方案六：依据2.2.6标准解（向结构物质物场转化。将均匀的物质空间结构，变成不均匀的物质空间结构）。将目前整体合金粉末压制的车刀片结构进行改进，将用于切削的刀尖部分使用一种材料、将刀片的其余部分使用另一种材料，提高加工性能，降低制造成本。
        5.方案总结

        结合方案一至方案六，见表1。得到最优解如下:
        （1）改变工艺流程，将注油槽加工放到粗车之后，精车之前。
        （2）选择带修光刃的金属陶瓷材质车刀片。
        （3）改变车削切削参数：精车径向留量由0.4～0.5mm改为0.6～1mm；进给量由F0.08改为F0.18，转速提高到190～240r/min。
        6.经济效益分析
        6.1直接经济效益
        根据项目半成品车轮及产量进行计算直接经济效益。产量17列*64片/列*半成品车轮8575元/片*报废率2%=18.7万元。
        6.2间接经济效益
        根据每年轮对热装的项目产量而定。按照平均每年热装车轮项目20列，8辆编组计算间接经济效益。产量20列*64片/列*半成品车轮平均价格5000元/片*报废率2%=12.8万元。
        7.结语
        轨道客车热装轮对工艺对车轮轮毂孔粗糙度要求要比冷装轮对高很多。通过对车轮轮毂孔车削系统进行因果分析，运用TRIZ理论中的冲突解决理论及矛盾矩阵、物质-场分析及76个标准解，得到改善车轮轮毂孔粗糙度的解决思路，并设计出具体解决方案，有效地解决了精车后车轮轮毂孔粗糙度超差的问题。
参考文献
[1]赵敏，张武城，王冠殊. TRIZ进阶及实战-大道至简的发明方法[M]. 北京：机械工业出版社，2016.