DF4D型机车滚动抱轴箱加工中心装备设计与应用
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何勇 王化清 张健
南车戚 墅堰机 车有 限公 司产品设计部， ２ １ ５ ０ １ １
何勇
摘 要
介 绍 了Ｄ Ｆ ４ Ｄ 型机 车滚动抱轴 箱加 工 中心装备 的设计理念及工作原理 ，由于抱
轴 箱 壁厚 小 ， 刚性 差 ，装 夹 易 变形 ，确 定合 理 的 夹 紧 力的 大 小成 为 本 装 备 的
一
单边留有加工余量１ ． ５ ｍｍ。本工序主要完成抱轴箱电机安 装 面 、背面 、 内档侧 面 的精 加 工 ，并对 两 端 背面 的Ｍ １ ２ 和
ＭＩ Ｏ Ｘ１ 螺 孔进 行钻 孔和攻 丝 （ 见 图１ ）。
，
罩 、驱动 轴承 等 零部 件组 成 电机 悬挂 装 置 ，抱轴 箱 与各 配 合 件组 装后 必须 保证 各 配合 面的 密封 性 。 当机 车运 行时 ， 抱 轴 箱不 仅受 到 来 自牵 引 电机 的动 、静 载荷 ，还 受 到各 个 方 向的 冲击 载荷 ，工作 环境 恶 劣 ，因此 为 保证 电机 悬 挂装
推 广 技 术
中国科技信息 ２ ０ １ ４征笫 ｏ ６期 ・ Ｃ Ｈ Ｉ Ｎ Ａ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ ＡＮ Ｄ Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ ＯＬ ＯＧ Ｙ Ｉ ＮＦ ＯＲ ＭＡ Ｔ Ｉ ＯＮ Ｍａ ｒ ， ２ ｏ １ ４
Ｄ Ｆ ４ Ｄ 型机车滚动抱轴箱 加工中心装备设计与应用
图１ Ｄ Ｆ ４ Ｄ 型机车抱轴箱示意图
加工时先完 成抱轴箱 内档侧面和 电机安装面的精铣 加 工，加工完毕后将加工中心工作台面旋转 Ｉ ８ ０ 度 ，再精
铣抱轴箱背面 ，最后旋转工作台面到适当角度 ，对Ｍ１ ２ ￣ ｎ
２ 工序 内容简介
在进行 本工序加工前 ， 已对抱轴箱 电机安 装面 、背 面 、两端轴承孔及 内档侧面进行 了半精加 工 ，精加工前
形 ，因此确定 合理的夹紧力的作用点 、方向和大小成为本
装 备的 设计 难 点 。
３ 装备设计理念和工作原理
图２ 为Ｄ Ｆ ４ Ｄ 型机车抱轴箱加工中心工艺装备示意图， 整个工装在机床工作台上的安装方式为：首先使夹具体底
平面与机床工作台面贴合 ，再通过一个定位销轴穿过夹具 体中心和机床 工作台中心的销孔 ，限制工装在水平方向平
移 ，最 后 在夹 具 体 侧面 与 工作 台 侧面 定位 板 之 间安 装两 个 等 长的 侧 面定 位 环 ，限制 工装 在水 平 方 向旋 转 。整 个 工装 完全定位后 ，用 １ ０ 个内六角螺钉将夹具体和卡在机床工作 台Ｔ 形 槽 内 的Ｔ形块 拧 紧 ，从 而 使 整 个 工 装 在机 床 工作 台 上稳 固地夹 紧 。
推广技术
由于抱轴箱中间部位为半开放式 Ｕ型结构 ，其壁厚最小仅 １ ６ ａｍ， ｒ 属于薄壁件，刚性差 ，抱轴箱在夹紧时极易产生变
基本稳定时，即可确定抱轴箱回转方向上的定位 ，从而使 其旋转 自由度得到限制。工装中心部位的支座 由底座 、无 缝钢管 、筋板 、顶座焊接而成 ，底座用内六 角螺栓拧紧在 夹具体上 ，顶座上有螺纹孔 ，用于连接加长螺杆 ，整个焊 接支座为加长螺杆提供稳 固的基础支撑 ，增强了装备的刚 性 ，使上端的Ｕ 形压板在夹紧工件时平稳 、可靠 。装备左 右两侧各布置一个压板 ，通过拧紧压板上的螺母Ｍ２ ４ 使压 板压在抱轴箱大端搭子毛坯面上 。夹具体四个角上各有一 只 吊环螺钉 ，用于工艺装备整体起吊。
置正常工作 ，抱轴箱的机加工精度就显得尤为重要 ，特别 是对抱轴箱电机安装面 、内档侧面 、背面 、两端背面螺孔
等提 出 了较 高 的要 求 ，为 了满 足这 些加 工 要求 ，笔者 结 合 南车戚墅堰机车有限公司机加工设备ＭＣ Ｂ １ ５ １ ３ Ｎ ［ ， 式加工中
心设计并制作了一套加工中心工艺装备 ，下文对此装备作 具 体 介绍 。
ＭＩ Ｏ Ｘ１ 螺孔进行钻孔和攻 丝。本工序需在ＭＣ Ｂ １ ５ １ ３ 卧式 加 工中心上配备适当的工艺装备才可完成所有加工要求。
－
１ ４ ４
中 国科 技信 息 ２ ０ １ ４年第 。 ６期 一 Ｃ Ｈ Ｉ Ｎ Ａ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ ＡＮ Ｄ Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ ＯＬ Ｏ Ｇ Ｙ Ｉ Ｎ Ｆ ＯＲ ＭＡ Ｔ Ｉ ＯＮ Ｍａ ｒ ． ２ ０ １ ４
设 计难点 。针对 上述 问题 ，本文提 出 了采用有 限元分析的 方法对夹 紧力作 用
下 工件的 变形进行 定量分析 ，根据Ａ ｎ ｓ ｙ ｓ 有限元软件 的分析 结果 ，最终确 定 了 合理 的央 紧力和 夹 紧扭矩 的大小 ，提 高 了工装设计的可靠性 。
关键词 抱轴 箱 ；工艺装备 设计；夹 紧变形 ；有 限元分析
Ｄ Ｏ Ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ － ８ ９ ７ ２ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ６ ． ０ ４ ７
１ 概述
滚动抱轴箱是机车转 向架电机悬挂装置的重要零件之 它 结 构 复 杂 ，精 度 要 求 很 高 ，其机 械 加 工 质 量 的 好 坏将直接影响到 电机悬挂装置的组装精度，进而影响到机 车 行 车安 全 。ＤＦ ４ Ｄ 型 机 车滚 动 抱 轴 箱 与牵 引 电机 、齿 轮
４夹紧力作用下工件的变形分 析
４ ． １ 夹紧 力的 确定 夹 紧装置是夹具 的重要成分之一 ，在机加 工过程中 ，
工件受到各种外力 （ 如：切削力 、重 力、离心力、惯性 力 等 ）的 作 用 ，为 了避 免 工件在 这 些外 力作 用 下产 生振 动 或 位移 ，确保工件仍能保持 由定位装置确定的加工位置，在 夹具上必须设计合理的夹紧机构 ，使工件夹紧安全可靠。 夹 紧装置上夹紧力的大小要适 当可靠 。如果夹紧力过 小 ，将导致工件在加工过程中产生移动和振动 ，不仅加工 质 量得 不 到保 证 ，还 可能 使人 员和设 备受 到 损伤 ； 如果 夹 紧力过大 ，会使工件产生过大的弹性变形 ，工件加工完并 松开夹紧机构后 ，工件在内应力作用下回弹 ，使工件加工 部位偏离原来的正确位置 ， 从而无法保证加工精度。 计算夹紧力时 ，可将夹具 和工件看成一个刚性系统 。 根据工件受切削力、夹紧力作用情况 ，找 出机加工过程 中 对夹紧最不利的状态 ，按静 力平衡原理计算 出理论 夹紧 力 。为 保证 夹 紧可 靠 ，可 乘以 安全 系 数作 为 实际 所需 夹 紧
南车戚 墅堰机 车有 限公 司产品设计部， ２ １ ５ ０ １ １
何勇
摘 要
介 绍 了Ｄ Ｆ ４ Ｄ 型机 车滚动抱轴 箱加 工 中心装备 的设计理念及工作原理 ，由于抱
轴 箱 壁厚 小 ， 刚性 差 ，装 夹 易 变形 ，确 定合 理 的 夹 紧 力的 大 小成 为 本 装 备 的
一
单边留有加工余量１ ． ５ ｍｍ。本工序主要完成抱轴箱电机安 装 面 、背面 、 内档侧 面 的精 加 工 ，并对 两 端 背面 的Ｍ １ ２ 和
ＭＩ Ｏ Ｘ１ 螺 孔进 行钻 孔和攻 丝 （ 见 图１ ）。
，
罩 、驱动 轴承 等 零部 件组 成 电机 悬挂 装 置 ，抱轴 箱 与各 配 合 件组 装后 必须 保证 各 配合 面的 密封 性 。 当机 车运 行时 ， 抱 轴 箱不 仅受 到 来 自牵 引 电机 的动 、静 载荷 ，还 受 到各 个 方 向的 冲击 载荷 ，工作 环境 恶 劣 ，因此 为 保证 电机 悬 挂装
推 广 技 术
中国科技信息 ２ ０ １ ４征笫 ｏ ６期 ・ Ｃ Ｈ Ｉ Ｎ Ａ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ ＡＮ Ｄ Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ ＯＬ ＯＧ Ｙ Ｉ ＮＦ ＯＲ ＭＡ Ｔ Ｉ ＯＮ Ｍａ ｒ ， ２ ｏ １ ４
Ｄ Ｆ ４ Ｄ 型机车滚动抱轴箱 加工中心装备设计与应用
图１ Ｄ Ｆ ４ Ｄ 型机车抱轴箱示意图
加工时先完 成抱轴箱 内档侧面和 电机安装面的精铣 加 工，加工完毕后将加工中心工作台面旋转 Ｉ ８ ０ 度 ，再精
铣抱轴箱背面 ，最后旋转工作台面到适当角度 ，对Ｍ１ ２ ￣ ｎ
２ 工序 内容简介
在进行 本工序加工前 ， 已对抱轴箱 电机安 装面 、背 面 、两端轴承孔及 内档侧面进行 了半精加 工 ，精加工前
形 ，因此确定 合理的夹紧力的作用点 、方向和大小成为本
装 备的 设计 难 点 。
３ 装备设计理念和工作原理
图２ 为Ｄ Ｆ ４ Ｄ 型机车抱轴箱加工中心工艺装备示意图， 整个工装在机床工作台上的安装方式为：首先使夹具体底
平面与机床工作台面贴合 ，再通过一个定位销轴穿过夹具 体中心和机床 工作台中心的销孔 ，限制工装在水平方向平
移 ，最 后 在夹 具 体 侧面 与 工作 台 侧面 定位 板 之 间安 装两 个 等 长的 侧 面定 位 环 ，限制 工装 在水 平 方 向旋 转 。整 个 工装 完全定位后 ，用 １ ０ 个内六角螺钉将夹具体和卡在机床工作 台Ｔ 形 槽 内 的Ｔ形块 拧 紧 ，从 而 使 整 个 工 装 在机 床 工作 台 上稳 固地夹 紧 。
推广技术
由于抱轴箱中间部位为半开放式 Ｕ型结构 ，其壁厚最小仅 １ ６ ａｍ， ｒ 属于薄壁件，刚性差 ，抱轴箱在夹紧时极易产生变
基本稳定时，即可确定抱轴箱回转方向上的定位 ，从而使 其旋转 自由度得到限制。工装中心部位的支座 由底座 、无 缝钢管 、筋板 、顶座焊接而成 ，底座用内六 角螺栓拧紧在 夹具体上 ，顶座上有螺纹孔 ，用于连接加长螺杆 ，整个焊 接支座为加长螺杆提供稳 固的基础支撑 ，增强了装备的刚 性 ，使上端的Ｕ 形压板在夹紧工件时平稳 、可靠 。装备左 右两侧各布置一个压板 ，通过拧紧压板上的螺母Ｍ２ ４ 使压 板压在抱轴箱大端搭子毛坯面上 。夹具体四个角上各有一 只 吊环螺钉 ，用于工艺装备整体起吊。
置正常工作 ，抱轴箱的机加工精度就显得尤为重要 ，特别 是对抱轴箱电机安装面 、内档侧面 、背面 、两端背面螺孔
等提 出 了较 高 的要 求 ，为 了满 足这 些加 工 要求 ，笔者 结 合 南车戚墅堰机车有限公司机加工设备ＭＣ Ｂ １ ５ １ ３ Ｎ ［ ， 式加工中
心设计并制作了一套加工中心工艺装备 ，下文对此装备作 具 体 介绍 。
ＭＩ Ｏ Ｘ１ 螺孔进行钻孔和攻 丝。本工序需在ＭＣ Ｂ １ ５ １ ３ 卧式 加 工中心上配备适当的工艺装备才可完成所有加工要求。
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中 国科 技信 息 ２ ０ １ ４年第 。 ６期 一 Ｃ Ｈ Ｉ Ｎ Ａ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ ＡＮ Ｄ Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ ＯＬ Ｏ Ｇ Ｙ Ｉ Ｎ Ｆ ＯＲ ＭＡ Ｔ Ｉ ＯＮ Ｍａ ｒ ． ２ ０ １ ４
设 计难点 。针对 上述 问题 ，本文提 出 了采用有 限元分析的 方法对夹 紧力作 用
下 工件的 变形进行 定量分析 ，根据Ａ ｎ ｓ ｙ ｓ 有限元软件 的分析 结果 ，最终确 定 了 合理 的央 紧力和 夹 紧扭矩 的大小 ，提 高 了工装设计的可靠性 。
关键词 抱轴 箱 ；工艺装备 设计；夹 紧变形 ；有 限元分析
Ｄ Ｏ Ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ － ８ ９ ７ ２ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ６ ． ０ ４ ７
１ 概述
滚动抱轴箱是机车转 向架电机悬挂装置的重要零件之 它 结 构 复 杂 ，精 度 要 求 很 高 ，其机 械 加 工 质 量 的 好 坏将直接影响到 电机悬挂装置的组装精度，进而影响到机 车 行 车安 全 。ＤＦ ４ Ｄ 型 机 车滚 动 抱 轴 箱 与牵 引 电机 、齿 轮
４夹紧力作用下工件的变形分 析
４ ． １ 夹紧 力的 确定 夹 紧装置是夹具 的重要成分之一 ，在机加 工过程中 ，
工件受到各种外力 （ 如：切削力 、重 力、离心力、惯性 力 等 ）的 作 用 ，为 了避 免 工件在 这 些外 力作 用 下产 生振 动 或 位移 ，确保工件仍能保持 由定位装置确定的加工位置，在 夹具上必须设计合理的夹紧机构 ，使工件夹紧安全可靠。 夹 紧装置上夹紧力的大小要适 当可靠 。如果夹紧力过 小 ，将导致工件在加工过程中产生移动和振动 ，不仅加工 质 量得 不 到保 证 ，还 可能 使人 员和设 备受 到 损伤 ； 如果 夹 紧力过大 ，会使工件产生过大的弹性变形 ，工件加工完并 松开夹紧机构后 ，工件在内应力作用下回弹 ，使工件加工 部位偏离原来的正确位置 ， 从而无法保证加工精度。 计算夹紧力时 ，可将夹具 和工件看成一个刚性系统 。 根据工件受切削力、夹紧力作用情况 ，找 出机加工过程 中 对夹紧最不利的状态 ，按静 力平衡原理计算 出理论 夹紧 力 。为 保证 夹 紧可 靠 ，可 乘以 安全 系 数作 为 实际 所需 夹 紧