CN101941140A - 轨道车辆抗侧滚扭杆轴加工制作方法及其浮动磨削装置 - Google Patents
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Abstract
轨道车辆抗侧滚扭杆轴加工制作方法及其浮动磨削装置，直接采用磨光原材料，将磨光原材料按照抗侧滚扭杆轴所需料的长度下料，再将磨光原材料卧式放在卧式镦粗成型机上，用卧式镦粗成型机上的模具卡住磨光原材料，再通过卧式镦粗成型机上的卧式墩锤对料的两端进行镦粗，使其变成哑铃状结构；然后将镦粗变成哑铃状结构的抗侧滚扭杆轴进行热处理：热处理采用井式炉加热，在加热和淬火过程中通过夹具确保产品一直保持竖直状态；再对热处理后抗侧滚扭杆轴通过浮动磨削对扭杆轴进行精加工；最后对经过磨削加工的抗侧滚扭杆轴实施抛丸表面强化处理。弹性浮动磨削装置通过安装底座与车床刀架相连，砂带为可折叠圆周带状结构，砂带通过三个滚轮支撑。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通车辆零件的加工方法及其加工装置，特别是指一种安装在轨道车辆车体或转向架上的轨道交通车辆用抗侧滚扭杆轴的加工方法及其浮动磨削装置。
背景技术
空气弹簧由于具有垂向刚度较小、当量挠度大的特点，非常适合轨道车辆二系悬挂发展的要求，近些年来得到了日益广泛的应用。可是由于空气弹簧垂向刚度小，在车辆运行中会导致车辆的侧滚角度增加，使得车辆侧滚刚度较小，甚至出现侧滚失稳的现象，造成车辆安全和平稳运行性能降低，这就需要单独增加车辆的侧滚刚度以限制其侧滚角度，从而改善车辆的侧滚性能，但同时又不能影响车辆的浮沉、横摆、伸缩、点头和摇头等方向的振动特性。要达到这个目的，目前国内外主要运用的方法有两种：
1) 加大二系空气弹簧的横向间距以增大其角刚度，从而提高侧滚刚度。但由于此方案受转向架结构和车辆限界以及线路条件的限制在我国和欧洲均不太采用，而在日本一般采用此方法；
2) 设置独立的抗侧滚扭杆弹簧，装配在车体和转向架之间，提高侧滚刚度。抗侧滚扭杆弹簧是一种利用金属弹性杆在受扭矩作用时产生扭转变形而提供抗扭转反力矩的弹簧。此方案可以在现有的车辆和线路条件下实施，故此方法在我国和欧洲得到了广泛的应用。
车辆的振动主要有六个方向的自由度：X方向的伸缩振动、Y方向的横摆振动、Z方向的浮沉振动、绕Y轴的点头振动、绕Z轴的摇头振动、绕X轴的侧滚振动。目前的轨道交通车辆转向架均为两级悬挂，抗侧滚扭杆弹簧起到了调节车辆侧滚刚度、控制车辆侧滚振动的作用。
抗侧滚扭杆弹簧的机构运动图如附图1所示，图中M为车体，E、F为扭杆支撑座组成，安装于构架上，A、B、C、D为橡胶球铰或金属关节轴承，可在三个方向转动。由图可见，如果不考虑相对于系统刚度小得多的支撑座组成和橡胶关节的影响，当车体相对于转向架发生浮沉振动时，两根连杆同时往一个方向运动，整个装置绕支撑球铰同时转动，扭杆并不承受力或扭矩，故并不影响车体的浮沉振动，同样对除侧滚以外的其它几个运动同样不提供任何附加的力或扭矩。而当车体与构架之间发生绕X轴的相对转动即侧滚时，左右连杆向相反的方向上下运动，通过扭转臂（图中FD、EC）使扭杆发生扭转变形，扭杆由于抗扭弹性而产生抗扭反力矩，这一反力矩作用在垂向连杆上表现为一对大小相等方向相反的垂向力，而这对垂向力作用在车体上就形成了与车体侧滚方向相反的抗侧滚力矩，抗侧滚力矩的作用将阻止车体相对于转向架侧滚角度的增加，从而抑制车辆的侧滚，提高车辆的横向平稳性。
从附图1我们可看出，提供抗侧滚刚度的不止抗侧滚扭杆弹簧，二系悬挂弹簧K也起着抗侧滚的作用，故抗侧滚扭杆弹簧是用来调节系统整体抗侧滚刚度的附加组件。
现有轨道交通车辆用抗侧滚扭杆轴常用结构如附图2所示，结构特点为中间细两端粗哑铃状结构。作为抗侧滚扭杆系统关键零部件扭杆轴，其过程制造工艺一直以来都是抗侧滚扭杆系统的核心技术之一，其性能和寿命直接影响整个系统。现在扭杆轴一般加工方法如附图3，主要由以下工序组成：普通圆钢->车削成哑铃状->热处理->精车->硬磨削->表面强化。在现有的扭杆轴加工工艺中，一般把较粗圆钢中间部分外层材料车削掉，使其形成两头粗中间小的哑铃状结构。此种加工主要缺点是使金属原纤维流线遭到破坏，另外在车削加工时加工掉了表层较好材料，使得扭杆轴疲劳性能不好，且原材料浪费严重。
近几年来，随着轨道交通车辆金属部件的寿命和大修期延长，加上资源越来越紧缺，这对扭杆轴的制造工艺提出了更高的要求，因而研制一种新型的制造工艺方法满足新的技术要求和成本要求已势在必行。
发明内容
本发明的目的为了克服现有扭杆轴在加工工艺的不足，提供一种能使扭杆轴疲劳性能进一步提升，且制造成本更低的扭杆轴加工制作方法及其浮动磨削装置。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的，一种轨道车辆用抗侧滚扭杆轴加工制作方法，直接采用磨光原材料，并按照下述工序及工艺条件制作扭杆轴：
1、通过端部镦粗成哑铃状结构：采用磨光原材料按照抗侧滚扭杆轴所需料的长度下料，再将磨光原材料卧式放在卧式镦粗成型机上，用卧式镦粗成型机上的模具卡住磨光原材料，再通过卧式镦粗成型机上的卧式墩锤对料的两端进行镦粗，使其变成哑铃状结构。
由于产品属于细长轴，镦粗前下料长度超过了3米，长径比超过60，因而采用普通的镦粗机很难实现。针对此情况，我们设计了一种卧式镦粗成型机和专用模具实现该工序，该工序主要工步如下：
加热原材料杆体端部 -> 放入定位工装和镦粗下模 -> 垂向锁紧杆体和纵向顶住杆体 -> 镦粗上模垂向合模 -> 纵向镦粗 -> 开模 -> 重复上述工步镦另一端
2、将镦粗变成哑铃状结构的抗侧滚扭杆轴进行热处理：热处理采用井式炉加热，在加热和淬火过程中通过夹具确保产品一直保持竖直状态。热处理后产品硬度在47~51HRC范围内，芯部硬度不能低于表面硬度3HRC，金属内部组织主要为回火马氏体组织。
3、热处理后精加工：热处理后抗侧滚扭杆轴通过浮动磨削代替车削加工进行精加工。采用弹性装置确保磨削力一致。
磨削砂带为可折叠圆周带状结构，通过三个滚轮支撑，其中第一个滚轮为主动轮，第二个滚轮作用为调整张紧力，第三个滚轮设计有弹性装置。工作原理如下：
砂带半缠绕在产品上 -> 产品回转运动产生径向跳动 -> 砂带周长发生变化 -> 砂带张紧力随之变化 -> 砂带压缩或释放弹簧（弹簧变形趋势与产品径向跳动方向相反）-> 砂带的周长回复原状 -> 张紧力回复原状。
4、采用抛丸表面强化：对经过磨削加工的抗侧滚扭杆轴实施抛丸表面强化处理。此种新工艺既能提高扭杆轴的疲劳性能，又能降低制造成本。
抛丸工艺是通过抛丸器将经过特殊处理的钢丸加速后，高速射击产品表面，从而使产品表面形成一定预应力，以此提高产品疲劳性能。预应力要求达到距离表面δ=0.1mm，强度σD≤-500Mpa；距离表面δ=0.3mm，强度σD≤-100MPa。
本发明上述方法中所采用的弹性浮动磨削装置如下：
1 ）主要结构组成
弹性浮动磨削装置由安装底座、第一滚轮、悬臂、第二滚轮、第三滚轮、砂带、弹簧等组成。
2 ）结构特点
弹性浮动磨削装置通过安装底座与车床刀架相连，砂带为可折叠圆周带状结构，砂带通过三个滚轮支撑。
第一滚轮为主动轮，通过电机带动旋转，第一滚轮旋转又带动砂带旋转。
第二滚轮为张紧力调整轮，第二滚轮安装在一悬臂上，悬臂与安装底座铰接连接，并用紧固件连接固定。在调整张紧力时，通过悬臂绕铰接点旋转，以此改变周长，从而调整张紧力。
第三滚轮安装在弹簧的上端，弹簧下端固定在安装底座上。
3 ）工作原理
整套装置在工作时，通过旋转的砂带半缠绕在扭杆轴上。当扭杆轴在作回转运动和整套装置沿扭杆轴轴向方向移动时，由于扭杆轴径向跳动使砂带的周长发生变化，此时弹性装置开始起作用，过程如下：
砂带周长发生变化 -> 砂带张紧力随之变化 -> 砂带压缩或释放与第三滚轮连接的弹簧（弹簧变形趋势与产品径向跳动方向相反）-> 砂带的周长回复原状 -> 张紧力回复原状。
本发明的主要创新点是：
1）直接采用磨光圆钢。
常用工艺一般采用普通圆钢作为原材料，然后通过车削加工达到表面光洁度要求。新工艺直接以钢厂加工好的磨光圆钢作为原材料，通过钢厂专用设备流水线加工代替普通单件加工，质量好且稳定，整体成本又低。
2）哑铃状结构通过端部镦粗成形工艺达到。
常用工艺一般把较粗圆钢中间部分外层材料车削掉，形成哑铃状结构。此种结构主要缺点是金属原纤维流线遭到破坏，性能较好的表层材料不能保留，使得疲劳性能降低，原材料浪费严重。
3）本发明采用较细圆钢端部镦粗形成哑铃状。通过镦粗工艺加工的扭杆轴既保持了金属纤维流线不破坏，提高疲劳性能，又节省了原材料。
4）热处理采用淬火+低温回火工艺，金属内部组织为回火马氏体。扭杆轴在运行时主要是往复扭转运动，如果采用普通热处理工艺，金属内部组织为珠光体，在寿命期内会出现一定程度的变形。本发明是采用淬火+低温回火工艺，金属内部组织为回火马氏体，此组织具备较好的弹性，确保在寿命期内不发生塑性变形。
5）热处理后通过浮动磨削代替车削加工。扭杆轴属于细长轴，在热处理后，均有不同程度的变形，直线度较差且有脱碳层。常用工艺是采用车削加工，然后硬磨削，以此消除脱碳层和达到精度要求。此种工艺缺点主要是容易崩刀、加工深度不均匀、加工量大、加工效率低等。由于扭杆轴的主要作用是提供抗扭转刚度，刚度大小主要由扭杆轴长度和直径决定，故对扭杆轴直线度的要求不高，因而热处理后加工需达到两个目的就能满足要求：一是去除脱碳层；二是保证加工后直径一致性，以此确保性能要求。本发明采用浮动磨削代替原工艺，浮动磨削特点是：在磨削时可以随着扭杆轴外形浮动加工，表面各处的磨削量保持均匀，避免不必要的浪费。且浮动磨削系统在砂带传动机构上增加了一弹性装置，确保砂带随扭杆轴浮动时砂带的张紧力保持一致，以此保证磨削质量。
6）采用抛丸表面强化工艺。由于扭杆轴热处理后为回火马氏体组织，故有较高的硬度，采用普通的表面强化工艺很难达到要求。本发明采用抛丸表面强化工艺实现表面强化。
综上所述之，采用本发明的扭杆轴制作新工艺，可以保持金属纤维流线不破坏、较多的保留性能较好的表层材料、产品机械强度提高、表层形成耐疲劳性能更好的预应力层。同时可以降低原材料消耗，提高生产效率，成本降低较多。
附图说明：
图1是抗侧滚扭杆弹簧机构运动示意图；
图2是扭杆轴常用结构图；
图3是常用扭杆轴制作工艺流程；
图4是本发明扭杆轴制作主要工艺流程；
图5是本发明扭杆轴制作弹性浮动磨削装置结构示意图；
图6是本发明扭杆轴制作弹性浮动磨削装置侧向结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的描述。
如图4所示，本发明涉及一种轨道车辆用抗侧滚扭杆轴加工制作方法，直接采用磨光原材料，并按照下述工序及工艺条件制作扭杆轴：
1、通过端部镦粗成哑铃状结构：采用磨光原材料按照抗侧滚扭杆轴所需料的长度下料，再将磨光原材料卧式放在卧式镦粗成型机上，用卧式镦粗成型机上的模具卡住磨光原材料，再通过卧式镦粗成型机上的卧式墩锤对料的两端进行镦粗，使其变成哑铃状结构。
由于产品属于细长轴，镦粗前下料长度超过了3米，长径比超过60，因而采用普通的镦粗机很难实现。针对此情况，我们设计了一种卧式镦粗成型机和模具实现该工序，该工序主要工步如下：
加热原材料杆体端部 -> 放入定位工装和镦粗下模 -> 垂向锁紧杆体和纵向顶住杆体 -> 镦粗上模垂向合模 -> 纵向镦粗 -> 开模 -> 重复上述工步镦另一端
2、将镦粗变成哑铃状结构的抗侧滚扭杆轴进行热处理：热处理采用井式炉加热，在加热和淬火过程中通过夹具确保产品一直保持竖直状态。热处理后产品硬度在47~51HRC范围内，芯部硬度不能低于表面硬度3HRC，金属内部组织主要为回火马氏体组织。
3、热处理后精加工：热处理后抗侧滚扭杆轴通过浮动磨削代替车削加工进行精加工。采用弹性装置确保磨削力一致。
磨削砂带为可折叠圆周带状结构，通过三个滚轮支撑，其中第一个滚轮为主动轮，第二个滚轮作用为调整张紧力，第三个滚轮设计有弹性装置。磨削加工工序如下：
砂带半缠绕在产品上 -> 产品回转运动产生径向跳动 -> 砂带周长发生变化 -> 砂带张紧力随之变化 -> 砂带压缩或释放弹簧（弹簧变形趋势与产品径向跳动方向相反）-> 砂带的周长回复原状 -> 张紧力回复原状。
4、采用抛丸表面强化：对经过磨削加工的抗侧滚扭杆轴实施抛丸表面强化处理。此种新工艺既能提高扭杆轴的疲劳性能，又能降低制造成本。
抛丸工艺是通过抛丸器将经过特殊处理的钢丸加速后，高速射击产品表面，从而使产品表面形成一定预应力，以此提高产品疲劳性能。预应力要求达到距离表面δ=0.1mm，强度σD≤-500Mpa；距离表面δ=0.3mm，强度σD≤-100MPa。
如图5-6所示，本发明所采用的弹性浮动磨削装置如下：
1 ）主要结构组成
弹性浮动磨削装置由安装底座1、第一滚轮2、悬臂3、第二滚轮4、第三滚轮5、砂带6、弹簧7等组成。
2 ）结构特点
弹性浮动磨削装置通过安装底座1与车床刀架相连，砂带6为可折叠圆周带状结构，砂带6通过三个滚轮支撑。
第一滚轮2为主动轮，通过电机带动旋转，第一滚轮2旋转又带动砂带6旋转。
第二滚轮4为张紧力调整轮，第二滚轮4安装在一悬臂3上，悬臂3与安装底座1铰接连接，并用紧固件连接固定。在调整张紧力时，通过悬臂3绕铰接点8旋转，以此改变周长，从而调整张紧力。
第三滚轮5安装在弹簧7的上端，弹簧7下端固定在安装底座1上。
3 ）工作原理
整套装置在工作时，通过旋转的砂带6半缠绕在扭杆轴9上。当扭杆轴9在作回转运动和整套装置沿扭杆轴9轴向方向移动时，由于扭杆轴9径向跳动使砂带6的周长发生变化，此时弹性装置开始起作用，过程如下：
砂带6周长发生变化 -> 砂带6张紧力随之变化 -> 砂带6压缩或释放与第三滚轮5连接的弹簧7（弹簧变形趋势与产品径向跳动方向相反）-> 砂带6的周长回复原状 -> 张紧力回复原状。
Claims (7)
1.轨道车辆抗侧滚扭杆轴加工制作方法，其特征在于：直接采用磨光原材料，并按照下述工序及工艺条件制作扭杆轴：
A、通过端部镦粗成哑铃状结构：采用磨光原材料按照抗侧滚扭杆轴所需料的长度下料，再将磨光原材料卧式放在卧式镦粗成型机上，用卧式镦粗成型机上的模具卡住磨光原材料，再通过卧式镦粗成型机上的卧式墩锤对料的两端进行镦粗，使其变成哑铃状结构；
B、将镦粗变成哑铃状结构的抗侧滚扭杆轴进行热处理：热处理采用井式炉加热，在加热和淬火过程中通过夹具确保产品一直保持竖直状态；
C、热处理后精加工：热处理后抗侧滚扭杆轴通过浮动磨削对扭杆轴进行精加工；
D、采用抛丸表面强化：对经过磨削加工的抗侧滚扭杆轴实施抛丸表面强化处理。
2.如权利要求1所述的轨道车辆抗侧滚扭杆轴加工制作方法，其特征在于：所述的端部镦粗工步如下：
加热原材料杆体端部 -> 放入定位工装和镦粗下模 -> 垂向锁紧杆体和纵向顶住杆体 -> 镦粗上模垂向合模 -> 纵向镦粗 -> 开模 -> 重复上述工步镦另一端。
3.如权利要求1或2所述的轨道车辆抗侧滚扭杆轴加工制作方法，其特征在于：所述的扭杆轴热处理后产品硬度在47~51HRC范围内，芯部硬度不能低于表面硬度3HRC，金属内部组织主要为回火马氏体组织。
4.如权利要求3所述的轨道车辆抗侧滚扭杆轴加工制作方法，其特征在于：所述的磨削加工工序如下：
砂带半缠绕在产品上 -> 产品回转运动产生径向跳动 -> 砂带周长发生变化 -> 砂带张紧力随之变化 -> 砂带压缩或释放弹簧（弹簧变形趋势与产品径向跳动方向相反）-> 砂带的周长回复原状 -> 张紧力回复原状。
5.如权利要求3所述的轨道车辆抗侧滚扭杆轴加工制作方法，其特征在于：所述的抛丸工艺是通过抛丸器将经过特殊处理的钢丸加速后，高速射击产品表面，从而使产品表面形成一定预应力，以此提高产品疲劳性能，预应力要求达到距离表面δ=0.1mm，强度σD≤-500Mpa；距离表面δ=0.3mm，强度σD≤-100MPa。
6.轨道车辆抗侧滚扭杆轴加工浮动磨削装置，其特征在于：所述的浮动磨削装置为弹性浮动磨削装置，包括安装底座、第一滚轮、悬臂、第二滚轮、第三滚轮、砂带、弹簧；弹性浮动磨削装置通过安装底座与车床刀架相连，砂带为可折叠圆周带状结构，砂带通过三个滚轮支撑；第一滚轮为主动轮，通过电机带动旋转，第一滚轮旋转又带动砂带旋转；第二滚轮为张紧力调整轮，第二滚轮安装在一悬臂上，悬臂与安装底座铰接连接，并用紧固件连接固定；第三滚轮安装在弹簧的上端，弹簧下端固定在安装底座上。
7.如权利要求6所述的轨道车辆抗侧滚扭杆轴加工浮动磨削装置，其特征在于：在调整张紧力时，通过悬臂绕铰接点旋转，以此改变周长，从而调整张紧力。
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