机车车轮镗孔夹具的设计

1 绪论
1.1 设计目的及意义
1.1.1 设计目的
车轮由专业厂家生产，专业化程度很高，制造工艺也日趋成熟，建立车轮数控加工工艺的技术对提高车轮专业化制造水平有重要理论意义和应用价值。

通过对车轮结构进行三维造型，初步建立一个使用方便，安全可靠的车轮加工过程。

1.1.2 设计意义
众所周知，轮对是车辆走行部分中最重要的部件之一，是由车轴和车轮通过过盈联接组合而成的，轮对的作用是:车辆全部重量通过轮对施加在钢轨上;通过车轮与钢轨的粘着产生制动力;通过轮对滚动使车辆前进。

因此轮对中的车轴和车轮承受了车辆的全部重量，在车辆的运行过程中起关键性的作用。

它的质量好坏直接影响车辆的行车安全。

随着车辆向高速重载方向发展，车辆的安全问题也日渐成为人们关心的话题。

轮对中的车轴是重要且关键的零件之一，可以说是重中之重。

作用在车轴上的载荷有车辆自重和附加的动态载荷;由车体经空气弹簧传导到构架，再由构架传导到轴箱弹簧装置，然后传导轴颈，轮毂，最后传导到钢轨上。

随着列车运行速度的提高，运行安全性显得越来越重要。

1.2 选题的背景与来源
旧中国铁路建设,不仅数量少、质量低,而且布局不合理,大部分在沿海地区,西南西北地区几乎没有铁路。

由于各条铁路在管理上各自为政,限制了铁路运输能力的发挥。

新中国成立后,中国人民政府成立了铁道部,统一管理全国铁路,组织了桥梁和线路恢复工程,并大力修建新铁路,以保证日益增长的运输需要。

在三年经济恢复时期(1949—1952年),相继完成了成渝、天兰铁路的铺轨通车任务。

接着又动工新建兰新、宝成、丰沙。

至1958年,恢复旧有铁路1994公里,新建及修复第二线铁路共1337公里,14个铁路枢纽得到改善和加强。

由于武汉长江大桥的建成,北京至广州铁路全线贯通,全国铁路营业里程(不含地方铁路及企业专用线)增加到26708公里。

随着我国铁路事业的大力发展，对铁路车轮的需求量加大，同时对车轮的各
项性能也提出来更高的要求。

整体车轮材料属于难加工材料，在机械加工过程充分利用现有的设备提高效益降低生产，亟需对车轮加工进行优化改进。

铁路是维持国家经济命脉运行的交通命脉，火车车轮轮箍是列车的重要部件之一，与铁路钢轨、车轴并称为铁路三大安全部件，是保证列车高速运行的关键部件，也是制造难度最高的工业产品之一。

机车提速后，车轮在高速运动条件下，既承受车辆的承载，又在机车制动是承受闸瓦的作用，因而车轮在复杂盈利的状态下工作，对其强韧性、耐磨性等提出了更高的要求。

因而研究车轮加工工艺，大力提升车轮产品综合质量，制造优质车轮，是实现铁路运输提速的有力保证。

随着工业发展的需要, 特别是火车制造业等特殊行业的发展, 给数控加工带来了前所未有的挑战, 对机床的要求越来越高。

自然, 对夹具的要求也是越来越苛刻了。

其复杂性, 专用性也逐步体现出来。

现在的夹具, 已经开始朝着模块化, 一体化, 多功能的方向发展了。

工艺水平也越来越集中。

为了适应现代化水平的需要, 夹具的定位基准和抗疲劳强度的要求都变的更加严格。

具体的说, 现在的高精度夹具的定位孔距精度高达±5µｍ , 这在以前是想都不敢想的。

现在随着纳米技术的发展, 相信不久的将来, 机床的加工和夹具的定位都可以达到纳米的级别。

这样的加工就更加精细, 原部件更加精密, 工业水平将更加提高。

本文分析了车轮的结构，车轮的材料，加工过程，详细说明整体碾轧车轮的整个加工工艺过程。

1.3 国内外研究状况
据不完全统计，目前全世界约有30余家列车车轮制造厂，主要分布在中、美，日、法、乌克兰等国家，其中技术领先的企业有法国莱迪纳、日本住友制钢所。

法国阿尔斯通TGV高速列车创下577公里最高时速，使用的车轮和转向架就是莱迪纳的产品。

乌克兰威克逊斯基冶金厂是目前世界产量最大的车轮厂，是俄罗斯铁路的主要供应商。

美国曾是车轮生产能力最大的国家，年产30～40万吨车轮，但目前个车轮厂基本处于停产，半停产状态。

中国目前sgi车轮产量最大的国家，年产40～50万吨车轮，主要厂商有马钢车轮轮箍厂、大同爱碧玺铸钢轮厂、太原重工辗钢轮厂、河南信阳同合铸钢车轮厂。

针对加工难度大和现代的产品的质量要求越来越高、更新换代速度快，导致模具制造业需要达到高性能、高质量、制造周期短。

而且由于现在模具行业的兴起，同行业之间的竞争激烈，模具制造需要提高生产效率，降低制造成本，从而
提高利润率和市场竞争力。

数控技术的广泛应用，使数控加工很好地完成了普通机械加工不能胜任的现代模具加工的要求和任务。

虽然中国模具行业发展很快，但模具制造技术技术含量低，与发达国家仍有较大差距，制造出来的模具往往达不到技术要求。

因此我国每年都需要大量进口精密、大型、复杂、长寿命的模具。

我国模具制造和生产工艺总体上比国际先进水平落后很多，模具生产周期又比国外的长。

一方面，我国模具制造的加工精度低、表面粗糙度高、寿命短，难以加工复杂的模具。

另一方面，模具设计、加工和工艺装备等的工艺水平低。

为了提高加工工艺水平，国内也做了很多关于数控加工工艺参数和加工刀具路径等方面的研究。

1.4 本课题研究的主要目的和内容
随着科学技术的发展，各种新材料、新工艺和新技术不断涌现，机械制造工艺正向着高质量、高生产率和低成本方向发展。

各种新工艺的出现，已突破传统的依靠机械能、切削力进行切削加工的范畴，可以加工各种难加工材料、复杂的型面和某些具有特殊要求的零件。

数控机床的问世，提高了更新频率的小批量零件和形状复杂的零件加工的生产率及加工精度。

特别是计算方法和计算机技术的迅速发展，极大地推动了机械加工工艺的进步，使工艺过程的自动化达到了一个新的阶段。

数控加工在现代模具制造中运用的越来越多，数控铣削能大幅提高加工质量，提高精度和加工效率，降低生产成本。

本文根据工程实例，加工转向架车轮镗孔，设计一套专用夹具以达到加工的目的，同时大大降低生产成本。

具体内容如下：对需要加工的转向架车轮进行了分析研究，确定加工的方法，包括：
(1)车削、铣削、钻孔、攻丝等工序。

(2)设计专用夹具并进行说明。

(3)设计专用夹具设计方案与设计的经济价值。

一项优秀的夹具结构设计，往往可以使得生产效率大幅度提高，并使产品的加工质量得到极大地稳定。

尤其是那些外形轮廓结构较复杂的，不规则的拔叉类，杆类工件，几乎各道工序都离不开专门设计的高效率夹具。

目前，中等生产规模的机械加工生产企业，其夹具的设计，制造工作量，占新产品工艺准备工作量的50%—80%。

生产设计阶段，对夹具的选择和设计工作的重视程度，丝毫也不压
于对机床设备及各类工艺参数的慎重选择。

夹具的设计，制造和生产过程中对夹具的正确使用，维护和调整，对产品生产的优劣起着举足轻重的作用。

2 车轮加工工艺
车轮加工是在高速、打进给量、大切深以及很多工序是在无冷却液情况下干切等苛刻切削条件下进行的，既有端面加工，也有近似外圆加工，还有曲面加工，数重型切削。

车轮钢的热处理硬度高增加了加工难度，在车削有些部位时切削里可达1500～2000kg，由于车轮毛坯加工余量很不均匀，表面不平整，实际切削深度变化很大，幅度波动，使刀片受到机械冲击很严重，加上工件材质软硬不均，刀片在交变载荷作用下常产生热龟裂，使刀片还在正常磨损值范围内发生早期破损而失效。

2.1 车轮结构及材料
车轮由轮毂、轮辋及辐板三部分构成，轮毂将车轮与车轴连接，轮辋上的踏面与钢轨接触，辐板将轮毂，轮辋连接。

车轮材料是用于制造各种铁路机车和车辆车轮的专业用钢，车轮钢经冶炼后浇铸，采用模铸或采用圆坯连续铸造。

车轮钢材料的含碳量界于中碳钢和高碳钢之间，包括锰硅等多种合金元素，这些合金元素对车轮的工作性能及加工性能有很大影响。

车轮钢属于较难切削材料，车削加工困难体现在以下几点：
（1）材料导热性差，导致切削热不易被带走，切削区域温度高，加快了刀具磨损。

（2）刀刃与切屑接触长度短，为45钢的二分之一。

（3）单位切削力大，约为45钢的1.25倍。

根据试验，车削车轮钢时的主切削力比车削45钢约高25%～40%。

（4）断屑困难。

2.2 车轮制造方法
轨道车车轮的生产方法主要分为：组合车轮生产法，铸造车轮法，全模锻法，整轧车轮生产法。

2.2.1 组合车轮生产法
组合车轮是由钢铸或铸铁的轮心、套在轮心上的轮箍以及用于固定前两者的扣环这三部分组成。

轮心和轮箍经单独加工后，在高温状态下组合起来，即把轮心套在轮箍中，再用扣环固定，形状如下图所示。

由于轮箍和轮心是独立生产的，而相对整个车轮来说，它们的形状都比较简单，所以生产过程中，产品的成品率较高，质量也较好。

但是由于增加了装配过程，所以生产工序相应增加，降低了其经济性和可靠性，随着轨道车车速的提高，对车轮质量进一步提高，所以现在这种车轮的使用量较小。

2.2.2 铸造车轮法
利用浇注模型进行浇注，钢水进入模型直接铸成轮坯，简化了生产工艺，同时降低了能耗。

铸造车轮法的优点在于模具能重复使用，降低了生产成本，铸造精度高，能在踏面部形成较厚的细晶层，提高了车轮的质量和性能。

但是铸件的质量取决于成形工艺、铸型材料、合金的熔炼与浇注等诸多因素，易出现浇不到、缩孔、气孔、裂纹等缺陷，且往往组织疏松，经理粗大，各方面的性能都远不及塑性成形件。

所以铸造车轮法制造的车轮现在使用量较小，只在部分货车中使用。

2.2.3 全模锻法
采用全模锻法生产车轮可以降低车轮的尺寸公差，减小加工余量，减少了金属的消耗量。

制造过程中车轮各部分尺寸容易控制，车轮整体的偏心量较小，辐板的几何形状较准确，车轮的表面质量也有提高。

由于所需设备较少，同时减少了工序数，从而大大简化了工艺流程。

但是由于必须使用大功率的锻压设备，致使生产效率低下，故该方法没有得到广泛的使用。

2.2.4 整体轧制车轮法
整体轧制车轮法类似于组合车轮生产法，但该方法加工的车轮是一个整体，不能拆卸。

尽管整轧车轮法达到踏面磨损极限时（磨损报废线），必须更换整个车轮，但是生产整轧车轮远比生产一对轮箍和轮心成本低廉，所以整轧车轮在经济上仍有优势，特别是踏面部分经过耐磨处理后，其寿命也会大幅度提高。

整体轧制车轮法由于在生产过程中经过了较大塑性变形，故内在质量比铸造车轮好。

由于整体轧制车轮法的优势突出，所以被广泛应用。

尤其是在客车包括现在的高速列车都是使用这种车轮。

所以下面讨论的车轮加工工艺也是指整体轧制车
轮法加工工艺。

2.3 整体轧制车轮法加工工艺分析
车轮制造工艺一般包括钢锭切割、加热、锻压轧制、等温、冲孔、缓冷、粗加工、淬火、回火、预加工、精加工、探伤、喷丸和表面防护。

2.3.1 坯料准备
所有生产整轧车轮的方法都要求使用圆柱形或近似于圆柱形的坯料这种坯料有两种方法得到：一种是一般用切锭机床、圆盘锯将多坯钢锭切割成一定规格的坯料，精确的坯料尺寸可以节省材料，保证后续轧制的质量，提高生产效率；二是直接采用单坯钢锭。

现基本采用多坯钢锭，这是因为多坯钢锭与单坯钢锭相比，其优越性如下：
（1）减少由于缩孔和非金属夹杂物所造成的废品；
（2）降低坯料的单重；
（3）能使用现代化容量大的平炉来冶炼车轮钢。

所以第一步就是钢锭切割，即利用钢锭锯切机将多坯钢锭按照单个车轮加工的需要切断成钢坯。

钢坯尺寸精确可以保证钢坯重量的精确，在保证车轮实际尺寸的前提下节省材料，减少加工余量，进而提高生产效率。

坯料加热对热变形过程有着决定性的影响，因此影响车轮的质量。

在选择坯料的加热方法时，必须考虑钢的化学成分、高温下的机械性能和压力加工时的变形特性。

影响成品车轮质量的主要加热因素，是加热温度、加热速度和加热均匀性以及炉子气氛的特性。

由于在热压力加工过程中，坯料要在整套机组上连续变形，因而就要求仔细而均匀地加热坯料的整个断面，以保证工艺过程各个阶段都能达到要求的温度，在变形时避免因金属流动不均而使车轮的形状不正。

在车轮的轧制过程中，坯料加热的均匀性更显得重要。

整轧车轮有许多尺寸需要控制，这些尺寸之间是相关联的，只要车轮上某一部分发生畸形，就会破坏与断面上其它非畸形部分相关联的尺寸。

所以断面的畸形部分按现行公差来说可能是合格的，但是如果与断面上其它部分相关联的尺寸超出了规定的公差范围，那么车轮也将会报废。

2.3.2 轮坯压轧成形
轮坯成形是压轧工段冲压工序中最复杂的工序之一。

成形压力机的冲模，在自己的中心与周围，构成两个同心的环形锥体空腔，形状如图2.1所示。

冲模形状示意图2.1
圆坯在成形压力机冲模内压缩成形，便成了近似车轮复杂外形的轮坯。

在中央空腔充填之后，即形成了轮毂，而外围空腔填实之后，即形成了轮辋。

两部分之间的材料就形成了车轮的辐板部分。

由于车轮造型的原因，中央空腔和外围空腔的各个侧壁都有一定的斜度。

在中央空腔上部和外围空腔的下部，两侧壁是同一方向倾斜的，而在中央空腔下部和外围空腔上部两侧壁的倾斜方向则是相反的。

从上、下模侧壁对金属的作用来看，中央空腔下部和外围空腔上部沿冲模移动中心线方向的分压力妨碍着金属进入空腔，而中央空腔上部和外围空腔下部的充填强度，大于下冲模的中央空腔下部和外围空腔上部，后两个地方音侧壁作用的原因，使金属流动迟缓。

和冲模壁对金属的压力一样，冲模与变形金属之间的摩擦力也在一定程度上影响着空腔的充填。

成形加工后的轮坯形状如图2.2所示。

成形加工成的轮坯2.2
车轮轧制过程主要是对车轮的两个部分进行加工，即车轮在轧制过程中有两个变形区。

在第一个变形区里，变形是用两个斜辊进行的。

斜辊布置在同一个垂直平面上，斜辊与轧制水平面有一定的角度，为的是易斜辊的特殊形状端部压挤轮坯的轮辋内面和侧面。

第二个变形区要轧制车轮的踏面并轧出轮缘。

这道变形是用布置同一水平面上的主轧辊和圆柱形的压紧辊进行的。

轧制过程如下图2.3所示。

车轮轧制过程图2.3
1—主轧辊2—斜辊3—压紧辊
压弯是将辐板压成所设计的形状，但是现代车轮的形状种类很多，并不是所有的车轮都需要压弯。

辐板压弯是一道特殊工序，一方面使车轮轮毂同轮辋错开，即便于轮对在车轴上的安装，又保证在使用时检查轴瓦的方便，而这些轴瓦是必须经常检查的。

另一方面，弯曲的辐板及轮毂同轮辋错开可以吸收车轮中的热应力。

这样就避免了在成品车轮中产生巨大的残余应力，这种巨大的残余应力能使车轮在行驶中产生破裂。

辐板压弯后形状如下图2.4所示。

压弯后轮坯形状图2.4
冲孔是冲制车轮的中心孔，即车轮与车轴的联结部。

中心孔冲出块正是允许有缩孔残迹及收缩疏松的钢锭中心部分，把这块组织最差的金属冲掉，可使轮坯质量得到改善。

冲孔后形状如图2.5所示。

冲孔完成后轮坯形状图2.5
缓冷能使车轮内部的应力分布均匀。

待冷却后进行粗加工。

2.3.3 车轮热处理
车轮淬火工艺非常重要，车轮淬火可以是整体淬火，也可以是轮辋表面淬火，后者应用比较广泛：采用轧制余热淬火时，一般只是表面淬火；采用单独加热进行轮辋表面淬火时，由于再结晶的结果得到了细粒组织，因而有助于辐板和轮辋机械性能的提高。

淬火的时间长短是影响车轮机械性能和动荷强度的重要因素之一。

为了使车轮具有高的机械性能而进行表面淬火时，淬火深度必须很大。

同时，考虑到车轮内蓄积了大量可供以后自回火用的热，在一般加热淬火时，必须根据下列必要条件规定出淬火工艺：1.具有较深的淬火层；2.造成良好的自回火条件。

在以轧制余热进行淬火时，车轮淬火时间长一些，车轮中所蓄积的热量失去的也就多一些，因而降低了自回火的温度。

缩短淬火时间，自回火温度便会提高，但会出现强度极限不够的危险。

因此，以轧制余热进行热处理时，热处理各个工序的相互关系，使热处理制度的选择在整个车轮生产工艺中变得非常复杂。

而车轮以单独加热进行淬火时，对车轮温度的控制比较容易实现，然后再自回火时，则保证车轮机械性能稳定的自回火工艺也易于确定。

典型的热处理方法是单独加热热处理→踏面用水淬火→在坑中自回火。

其中淬火主要是对车轮踏面和外侧轮辋面喷水激冷，以提高轮辋硬度，降低硬度差，从而改善了辐板的性能。

再经过回火后，就制成了车轮半成品。

2.3.4 车轮机加工
车轮的机加工分为粗加工、预加工、精加工，粗加工主要对车轮的外辋面，
踏面进行车削；预加工部位为粗加工加工过的车轮其余部位。

预加工是精加工之前的粗加工，减小车轮各部分的加工余量，提高精加工的效率，采用双刀同时切削，即在双刀架立式车床上加工。

车轮经过粗加工和预加工之后，进行精加工。

精加工时，先用西德立车对车轮外侧面进行精车加工；之后用日本立车对车轮内侧面进行精车加工。

钻孔是在摇臂钻床上完成的，得到六个所需的内孔。

接下来是在日本立车上钻取注油孔。

下一步就是在加工中心对六个内孔进行镗孔的加工，最后在对六个镗孔进行反面倒角的加工，经过精整得到所需的车轮。

2.3.5 车轮加工处存在的问题
目前国外先进制造工艺均采用先热处理后机加工的流程，以保证最终产品的尺寸精度。

而马钢货车车轮沿用原先设计的先加工后热处理的流程。

热处理后无法消除车轮变形翘曲，致使车辆厂组装轮对时还要进行再次加工，造成极大浪费，同时降低了车轮的使用寿命。

虽然我国目前客车轮的生产工艺是参照国外工艺进行的，采用先热处理后机加工的工艺制度，热处理后产生车轮的变形可以消除，但由于热处理后车轮硬度提高特别是现有的淬火工艺使得车轮硬度从外向内呈梯度降低，而车轮的工作状态要求的是踏面下5㎜左右的硬度，最高达到320HB，这就需要切除更高硬度的表层材料，恶化了车轮的切削加工性能。

整体车轮毛坯硬度大强度高，断屑困难，加工效率低，刀具磨损严重消耗量巨大，车轮加工质量不高。

2.4 车轮的三维建模
2.4.1 零件建模步骤
（1）规划零件
分析零件的特征组成、特征之间的关系、特征的构造顺序机器构造方法、确定最佳的轮廓等。

（2）创建基础特征
基本特征是零件的第一个特征，它是构成零件基本形态的特征，也是构造其他特征的基础，可以看作是零件模型的“毛坯”。

2.4.2 草图绘制原则
草图服务于零件的各个特征，如何合理快速地建立零件的特征，与绘制草图
的过程有很大的关系。

在绘制草图的过程中应该注意以下几个原则：（1）根据建立特征的不同以及特征间的相互关系，确定草图的绘制平面和基本形状。

（2）每一幅草图应尽量简单，不要包含复杂的嵌套，有利于草图的管理和特征的修改。

（3）任何草图在绘制是只需要绘制大概形状以及位置关系，要利用几何关系和尺寸标注来确定几何体的位置和大小，这有利于贯彻设计意图和提高工作效率。

（4）零件的第一幅草图应和原点定位，以确定特征在空间的位置。

（5）先确定草图各元素之间的几何关系，其次是定位尺寸，最后标注的草图的形状尺寸。

（6）尽管SolidWorks不要求完全定义的草图，绘制草图过程最好使用完全定义的草图。

（7）绘制实体的时候要注意SolidWorks的系统反馈和推理线，可以在绘制的过程中确定实体间的关系。

在特定的反馈状态下，系统会自动添加草图元素间的几何关系。

（8）中心线（构造线）不参与特征的生成，只起到辅助作用。

2.4.3 草图绘制步骤
创建草图的过程是：选平面→绘形状→定位置→设大小。

即
（1）选平面
选定绘制二维几何图形（草图）的平面（草图平面）。

（2）绘形状
用草图工具（如直线、圆弧和矩形等）绘制或编辑二维几何形状。

（3）定位置
确定草图的定位关系和定位尺寸，如直线水平或垂直、元素间的距离等。

（4）设大小
确定草图的定形尺寸，调整几何体的大小。

如下图2.7所示。

车轮草图2.6
2.4.4 零件建模过程
建模过程包括绘制草图，建立凸台特征、切除特征和圆角特征。

建立新零件→建立基础特征→凸台特征→切除特征→孔特征→圆角特征
车轮三维实体图2.7
车轮三维实体图2.8
3 机床夹具设计方法
夹具是一种装夹工件的工艺设备，它广泛地应用于机械制造过程的切削加工、热处理、装配、焊接和检测等工艺过程中。

在金属切削机床上使用的夹具统称为机床夹具。

在现代生产中，机床夹具是一种不可缺少的工艺设备，它直接影响着工件加工的精度、劳动生产效率和产品的制造成本等。

应用机床夹具，有利于保证工件精度，温度产品质量；有利于提高劳动生产效率和降低成本；有利于改善工人劳动条件，保证安全生产；有利于扩大机床工艺范围，实现“一机多用”。

3.1 使用的夹具
在数控机床上加工零件时，为保证加工精度，必须先使工件在机床上占据一个正确的位置，即定位，然后将其夹紧。

这种定位和夹紧的过程必须称为工件的装夹，而用于装夹工作的工艺装备就是机床夹具。

在数控机床上，工件在一次安装条件下，完成过去要多道工序才能完成的多个加工表面的加工。

数控加工机床的上述特点对夹具的设计产生了直接的影响，传统夹具以专用夹具为代表的主要有定位、夹紧、导向和对刀四种功能。

3.2 夹具的组成
夹具按其作用和功能通常可由定位元件、夹紧装置、安装连接元件和夹具等。