机床工具业在轨道交通中的技术应用

来源:中国金工网  编辑:陈兴中【seo:陈兴中】
2014-11-11
【摘要】:高端装备“十二五”规划主要分为五个部分:航空装备、卫星制造与应用、轨道交通设备制造、海洋工程装备制造和智能制造装备。随着轨道交通的进一步推广,轨道交通相关产业链规模可达到数千亿元,共涉及相关行业多达20多个。

 高端装备“十二五”规划主要分为五个部分:航空装备、卫星制造与应用、轨道交通设备制造、海洋工程装备制造和智能制造装备。随着轨道交通的进一步推广,轨道交通相关产业链规模可达到数千亿元,共涉及相关行业多达20多个。未来五年内中国高速铁路建设投资额将保持在每年7000亿元左右,共计3.5万亿元。国家对轨道交通行业尤其是高速铁路的超大投资规模和建设规模,刺激了铁路装备以及机床行业的发展。

 机床需求潜力巨大

 按照产品和业务分工来看,轨道交通行业对机床的需求大致可以分为四个层面:路枕加工、机车车辆制造、车轮与其它零部件制造和日常维护维修。中国刀协某负责人认为,这些加工制造都需要金切机床,如加工中心、数控立车、轨道板磨床、车轨磨床等;而进行这些加工也需要大量的金属切削刀具和磨料磨具。

 在轨道加工和高速铁路轨枕加工方面,提速和高速轨道的建设以及改造需要新型提速道岔,对数控道岔铣床、道岔磨床的需求不断上升。高速轨道铺设在完全不同于枕木的轨道板上,需要专用数控轨道板磨床,大约每100km就需要配置一套。在车辆零部件的制造方面,动力部分、电力机车和电传动内燃机车对机床的需求也是各不相同。电力机车加工重点是电机定子、转子和电机轴等,而电传动的内燃机车加工重点是柴油机、发电机以及传动件。车体部分,不同机车车辆的车体基本上是一个钢制框梁结构,需要进行局部面和孔的加工。

 总体来说,这些加工属于一般性机械制造和柴油机制造的范围,通用性机床和专用机床需求较多,如大型立卧加工中心、龙门加工中心、数控镗铣床、数控立车、数控精密磨床以及曲轴车等。而在铁路日常维修服务领域,主要工作内容之一是保障车轮和车轴的完好,对磨损的车轮、轴承进行及时的修复和更换,并在更换轴承时对车轴进行修理。因此,对于这一块,数控车轮车床、数控不落轮对车床以及外圆磨床等都是必备的设备。同时,随着铁路部门的改革深入和列车跨局长途运行,维修工作量将大幅增加,维护维修工作将越来越集中到枢纽地区的机务段和车辆段,以门式车轮车床为核心的包括超声波探伤和磨耗测量并自动回复原型最小切削量的生产线,将成为未来发展的方向。

 

 轨道交通的主要零部件加工难度简解

 涉及到轨道交通机加工,相对来说有加工难度的主要零部件是车体转向架、空芯轴套等机车走行部,另外就是柴油机关键零部件。机车柴油机主要零部件结构复杂、制造精度、形位公差和表面质量要求高(精度指标大都在5~7级、粗糙度Ra0.4μm左右),要求有良好的互换性,如机体、曲轴、连杆、汽缸盖等,主要目的是为了保证机车在高速运行中可靠性好、耐用度高、安全系数高。

 以柴油机关键零部件来讲,许多零部件的相关尺寸精度都在μm级,这是以前难以想象的,也是根本做不到的。

 例1:某曲轴全长4m以上,重量达2,500kg,主轴颈mm,全长跳动量0.06mm等;相关的形位公差、粗糙度要求等都极严。主要难度表现在:毛坯挤压要求高,成型后非加工面尺寸要求高;平衡块焊接要求也是原先中曲轴没有采用过的;因平衡块焊接结构,对机械加工的设备回转半径加大,形位公差要求高;采用喷雾冷却正火+最终表面氮化的热处理方式,对变形的控制有较大难度。

 主要加工装备的配备浅说

 机械加工是由车、铣、刨、镗、钻、磨等基本加工方式构成的,围绕不同产品、和同一产品不同的加工工序,以往人们使用的是大量传统结构的单一加工功能的车床、铣床、刨床、镗床、钻床、磨床等普通设备。随技术的发展,这些普通设备所占的比例已大幅下降,取而代之的是以单轴和二轴联动加工为主的数控车床、立式和卧式加工中心数控加工机床。

 仍以曲轴为例,一台车铣中心替代了以前需要由6-7台机床才能实现的车、铣、钻、扩、铰等加工功能,包括曲轴的主轴颈、连杆颈和曲柄的所有加工、法兰孔的加工、键槽加工、螺纹孔的加工、主油孔和斜油孔的加工等,减少了装夹次数,提高了产品精度,同时对试制新产品的工装准备可大大降低,机床的加工柔性大大加强了;同样,一台曲轴随动磨床,替代了原来的普通大型外圆磨床和连杆颈曲轴磨床,一台设备具有两台磨床的功效,而占地面积仅只有一台磨床。

 复合刀具的应用

 80年代,机加工所用的刀具大都是焊接刀具,少数非标刀具—也是焊接结构的。目前只有少数是焊接刀具,绝大部分是机夹刀具、成型组合刀具、复合刀具。尤其是在加工中心等先进设备所用刀具,100%是标准的机夹刀具及非标的机夹刀具。但刀具的费用同样也是相当昂贵的。(工具消耗所占的制造成本比例为5~15%。)

 复合加工技术实现了加工工序相对集中,减少了工件重复装卸、定位次数,缩短加工辅助时间,提高了工件加工精度和生产效率,而且设备数量明显减少,节约了生产线的产地面积,使单位面积的产量有大幅的提高,同时也减轻了工人的劳动强度(当然另一方面需要提高工人的文化、技术素质)。

 另外,在复合加工中,采用成型的复合刀具来加工一些同轴度要求高的孔系或加工一些复杂的型面也是相当普遍的,一是由于精度高,二是加工效率高。在欧美等一些高端机加工领域使用得相当普遍。但重要的问题是刀具费用太高了。如加工一根成品曲轴,上车铣中心大约有6-7道工序,刀具费用累计大约在5万元/根左右,刀具费用成本是原来的几十倍甚至上百倍。

 轨道交通机加工刀具解决方案

 当今各行业切削刀具需求特点及其解决方案表现在无冷却干切削加工、低温冷风干切削加工、高速加工、取代磨削的超硬加工、重型强力切削加工及高硬高强度材料精密加工等。

 如图1所示为铁路的主要加工部件如铁轨、轮毂、轮轴等部件,图2和图3分别为铁轨及传动轴加工的刀具解决方案。

图1:铁路主要加工部件-轮毂.jpg

图1

图1:铁路主要加工部件-轮轴.jpg

图1

铁轨加工刀具示意图2(玉米镶齿铣刀).jpg

图2

铁轨加工刀具示意图3(钻孔).gif

图3

 从图1中可以看出,轨道交通的集中主要部件如轨道、轮毂、传动轴,分别代表了不同的加工方式的产品特征。如轨道加工需保证轨道的平行度、直线度外,重点需要提高轨道的加工效率,因此选用如图所示的整体玉米镶齿盘形铣刀,对于提高轨道的加工效率和质量具有革命性的意义,这种刀具现对于传统的成形铣刀或者是标准的螺旋铣刀,其优势表现在效率高、成本低、质量一致性好等特点。轮毂和传动轴属于典型的车削加工产品,分别表现除了盘类零件和轴类零件的加工特点,图2和图3所采用的大余量车削刀片、带排屑槽的圆弧形刀片、表面精加工的菱形刀片是加工这两类零件高效率和高质量的理想选择。

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