一种大尺寸车轴变轨外花键高效精密磨削加工方法与流程

本发明涉及机加工领域，特别是涉及一种大尺寸车轴变轨外花键高效精密磨削加工方法。

背景技术：

目前，由于轨道承受载荷及不同地区的铁路间标准不一致，导致了铁路轨道的间距不一致，现有的列车难以同时满足不同铁路轨道间距的要求，即在不同间距的铁轨上运输。解决这个问题的一个重要方法就是采用变轨技术来改变列车轮间的间距，但是在车轴较长(超过2.6米)，其上变轨花键尺寸较大，且在重载下运动，在其加工过程中，对精度要求高，平常的加工精度和效率难以达到要求。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本发明提出一种精度高的大尺寸变轨外花键高效精密磨削加工方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种大尺寸车轴变轨外花键高效精密磨削加工方法，包括如下步骤：s1、通过夹具装夹车轴两端，车轴中间与卡盘传动连接，卡盘连接有驱动其绕车轴轴线旋转的驱动机构，砂轮与机床主轴传动连接；s2、机床误差影响量测量，通过传感器测试得出安装车轴及其配套装置前后的位置差别，以此得出安装车轴的机床误差影响量；s3、磨削参数设置，先确定砂轮与工件不会发生干涉的最大直径rs，然后通过试验分别获得粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工后的变轨花键的磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力与加工参数之间的关系，根据对磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力的约束以及材料去除效率最高的条件下获得粗磨削加工和精磨削加工的加工参数；s4、误差补偿，将步骤s3获得的加工参数加上步骤s2获得的机床误差影响量获得误差补偿后的粗磨削加工和精磨削加工的加工参数；s5、根据s4获得的加工参数先使用粗磨削加工砂轮进行粗磨削，最后再使用精磨削加工砂轮进行精加工。

进一步，所述步骤s2具体过程如下：

刀具与工件之间的实际位置由非接触式的一对传感器检测，一个传感器布置在工作台上，另一个传感器布置在刀具中心，用于检测工件与刀具中心的相对位置；测得安装前刀具与工件的相对x，y，z位置、机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度、用于连接工件的卡盘的转动角度分别为lx1，ly1，lz1，θxz1，θxzd1以及安装车轴后刀具与工件的相对x，y，z位置、机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度、用于连接工件的卡盘的转动角度分别为lx2、ly2、lz2、θxz2和θxzd2；可得误差影响量为，

ξx＝lx1-lx2；

ξy＝ly1-ly2；

ξz＝lz1-lz2；

ζxz＝θxz1-θxz2；

ζxzd＝θxzd1-θxzd2；

其中ξx为x方向位移误差；

ξy为y方向位移误差；

ξz为z方向的位移误差；

ζxz为在机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度误差；

ζxzd为卡盘的转动角度误差。

进一步，步骤s3中砂轮与工件不会发生干涉的最大直径为rs的确定过程如下：选定一个较小的砂轮直径，确保砂轮与工件最容易发生干涉的位置不发生干涉，然后逐渐增加尺寸，直至发生干涉前的最后一个直径，即为rs。

进一步，步骤s3中粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工后的变轨花键的磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力与加工参数之间的关系如下：

r1、r2分别为粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工工件后的磨削面的表面粗糙度；h1、h2分别为粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工工件后的磨削面的表面硬度；σ1、σ2分别为粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工工件后的磨削面的表面残余应力；c1，λ1，α1，β1，γ1、c2，λ2，α2，β2，γ2、c3，λ3，α3，β3，γ3、c4，λ4，α4，β4，γ4、c5，λ5，α5，β5，γ5、c6，λ6，α6，β6，γ6分别为两种砂轮加工后工件的表面粗糙度、表面硬度和表面残余应力与加工参数之间的影响指数；ra为砂轮的粒度尺寸、ap为砂轮的切削深度、vs为砂轮的线速度、fz为砂轮的进给速度；其中vs＝ωrs，ω为砂轮的角速度，rs为砂轮半径。

进一步，步骤s3中，粗磨削加工砂轮对应的磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力的约束为：

r1min≤r1(ra1，ap1，vs1，fz1)≤r1max；

h1min≤h1(ra1，ap1，vs1，fz1)≤h1max；

σ1(ra1，ap1，vs1，fz1)＝σ1s；

ra1＝rs；

vs1＝w1rs；

vmax1＝max(v＝ap1vs1fz1)；

其中ap1为粗磨削加工砂轮磨削加工的深度，

h1min-h1max和r1min-r1max为精磨削加工磨损较少的工件表面参数范围；vmax1为在满足其余约束条件下的粗磨削加工的最大材料去除效率，并依此确定粗磨削加工的加工参数为w1，ra1，ap1，vs1，fz1；

精磨削加工砂轮对应的磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力的约束为：

h2(ra2，ap2，vs2，fz2)＝h2s；

r2(ra2，ap2，vs2，fz2)＝r2s；

σ2(ra2，ap2，vs2，fz2)＝σ2s；

ra2＝rs；

vs2-w2rs；

vmax2＝max(v＝ap2vs2fz2)；

其中ap2为精磨削加工砂轮磨削加工的深度，σ2s为目标工件设定的残余应力，h2s为目标工件设定的工件表面硬度，r2s为目标工件设定的表面粗糙度；vmax2为在满足其余约束条件下的精磨削加工的最大材料去除效率，并依此确定精磨削加工的加工参数为w2，ra2，ap2，vs2，fz2。

进一步，步骤s5中误差补偿后的加工参数为：

ap1^c＝ap1+ξz；

ap2^c＝ap2+ξz；

fz1^c＝fz1+ξy；

fz2^c＝fz2+ξy；

θd^c＝θd+ζxzd；

θt^c＝θt+ζxz；

ap1^c、fz1^c分别为优化补偿后的粗磨削加工砂轮的切削深度、进给速度；ap2^c、fz2^c分别为优化补偿后的精磨削加工砂轮的切削深度、进给速度；θd^c和θt^c分别为设定输入的卡盘的转动角度以及机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度，θd，θt为在未增加了夹具及车轴下的机床依据加工工件需要设定的卡盘的转动角度和机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度。

本发明的有益效果是：通过对误差的分析测量和补偿实现高精度的磨削，根据加工需求，将加工分成粗加工和精加工，并根据粗加工和精加工的要求实现对加工参数的合理设置，在保证精度和工件性能的情况下，尽量提高材料去除效率，提高加工的效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明安装结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1，本发明的一种大尺寸车轴变轨外花键高效精密磨削加工方法，包括步骤s1、s2、s3、s4和s5。具体如下：

s1：通过夹具14装夹车轴2两端，车轴2中间与卡盘13传动连接，卡盘13连接有驱动其绕车轴2轴线旋转的驱动机构，砂轮3与机床主轴4传动连接。夹具14具有一锥形夹持件，锥形夹持件插入车轴2的轴孔内实现定位装夹，夹具14旋转安装在机床上，可随着车轴2转动。特定卡盘13外侧是具有标准键槽的结构，其与步进电机12连接，载荷均由机床夹具14承受。这是为了保证车轴2上外变轨花键21与标准花键分度尺寸的一致性。原工作台1长度不够，增加了伸长装置11(加长平台)，增加工作台1长度以满足加工车轴的要求。如图1所示，主轴4连接在床身5上，主轴4以z轴为轴心，在x-y平面内旋转，主轴外端连接转向装置6，转向装置6为一对锥齿轮或者螺旋面齿轮，其中一个锥齿轮61竖直设置与主轴4连接，另一个锥齿轮62水平设置与竖直锥齿轮传动啮合，用于将主轴在x-y平面内的旋转运动转化为在x-z平面内的旋转运动，砂轮3通过连接轴7与水平的锥齿轮62水平连接，砂轮3轴线水平设置，连接轴7轴线与x方向平行，即砂轮3在y-z平面内旋转，车轴2轴线与y方向平行。机床控制主轴上下运动，实现了在z方向(车轴的径向)运动，实现磨削加工的切削深度方向运动，以加工花键的底面；电机控制车轮轴的旋转运动，使得砂轮能够磨削加工变轨花键的侧面。

s2：机床误差影响量测量，通过传感器测试得出安装车轴及其配套装置(卡盘和夹具)前后的位置差别，以此得出安装车轴的机床误差影响量。在装载车轴及夹具后，其对机床的加工运动误差及静态误差均有影响，由于机床增加了夹具及装载了车轴，其工作台上的质量显著增加，为提高加工进度，需分析其对机床的静态误差的影响。位移误差可以在机床之前已经调试的基础上进行识别，机床控制系统内部已经识别，并做了补偿，现在机床增加了结构后，只需要考虑在增加之后的造成的误差。刀具与工件之间的实际位置由非接触式的一对传感器检测，一个传感器布置在工作台上，另一个传感器布置在刀具中心，用于检测工件与刀具中心的相对位置，其静态误差可以通过在增加了夹具及装载了车轴等前后位置差进行识别测量；测得安装前刀具与工件的相对x，y，z位置、机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度、用于连接工件的卡盘的转动角度分别为lx1，ly1，lz1，θxz1，θxzd1以及安装车轴后刀具与工件的相对x，y，z位置、机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度、用于连接工件的卡盘的转动角度分别为lx2、ly2、lz2、θxz2和θxzd2；可得误差影响量为：

ξx＝lx1-lx2；

ξy＝ly1-ly2；

ξz＝lz1-lz2；

ζxz＝θxz1-θxz2；

ζxzd＝θxzd1-θxzd2；

其中ξx为x方向位移误差；

ξy为y方向位移误差；

ξz为z方向的位移误差；

ζxz为在机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度误差；

ζxzd为卡盘的转动角度误差。

s3：磨削参数设置，先确定砂轮与工件不会发生干涉的最大直径rs，然后通过试验分别获得粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工后的变轨花键的磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力与加工参数之间的关系，根据对磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力的约束以及材料去除效率最高的条件下获得粗磨削加工和精磨削加工的加工参数。本实施例中，粗磨削加工砂轮采用氧化铝碟行砂轮，精磨削加工砂轮采用cbn斜边砂轮。砂轮与工件不会发生干涉的最大直径为rs的确定过程如下：选定一个较小的砂轮直径，确保砂轮与工件最容易发生干涉的位置不发生干涉，然后逐渐增加尺寸，直至发生干涉前的最后一个直径，即为rs。对多组加工参数进行正交分组实验，例如，各参数取值为砂轮的粒度尺寸ra(20、40、60、80、100um)，砂轮的切削深度ap(5um、15、25、35、45um)，砂轮的线速度vs＝ωrs(10、20、30m/s)，砂轮的进给速度fz(50、100、150、200、250、300mm/min)，各组试验数据以最小二乘法拟合获得粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工后的变轨花键的磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力与加工参数之间的关系如下：

r1、r2分别为粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工工件后的磨削面的表面粗糙度；h1、h2分别为粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工工件后的磨削面的表面硬度；σ1、σ2分别为粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工工件后的磨削面的表面残余应力；c1，λ1，α1，β1，γ1、c2，λ2，α2，β2，γ2、c3，λ3，α3，β3，γ3、c4，λ4，α4，β4，γ4、c5，λ5，α5，β5，γ5、c6，λ6，α6，β6，γ6分别为两种砂轮加工后工件的表面粗糙度、表面硬度和表面残余应力与加工参数之间的影响指数，并通过试验数据经过最小二乘法拟合而得；ra为砂轮的粒度尺寸、ap为砂轮的切削深度、vs为砂轮的线速度、fz为砂轮的进给速度；ω为砂轮的角速度，r0为砂轮半径。在加工硬度较高的工件时(超过50hrc)，采用依据cbn蝶形砂轮进行精磨削，氧化铝斜边砂轮进行粗磨及半精磨削。设定加工余量为u0，采用氧化铝斜边砂轮进行粗加工时，设定其加工磨削深度为ap1，采用cbn蝶形砂轮进行精加工，设定其加工磨削深度为ap2，则u0＝ap1+ap2，由于工件硬度高，采用氧化铝斜边砂轮粗磨采用较大磨削深度时会在工件表面造成较大的拉应力，较小的压应力，有利于采用cbn蝶形砂轮进行精加工，但是不利于工件的性能，损害工件的表面性能。需要确保粗加工造成工件的断面以较少的拉应力，较大压应力，即拉应力接近于0。通过实验确定当粗加工的拉应力为0时，ap2的具体值以及粗加工后的工件表面的残余应力为σ1s。根据实验可以确定当工件表面硬度范围为h1min-h1max，工件表面粗糙度为r1min-r1max时，采用cbn砂轮进行磨削加工，能够减少cbn的磨损，降低加工成本，cbn砂轮的价格超过10倍的氧化铝砂轮。设定材料去除率为v，则v＝apvsfz，在加工中以材料去除效率最高为目标确定加工参数。粗磨削加工的目标函数为vmax1＝max(v＝ap1vs1fz1)。粗磨削加工砂轮对应的磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力的约束条件为：

r1min≤r1(ra1，ap1，vs1，fz1)≤r1max；

h1min≤h1(ra1，ap1，vs1，fz1)≤h1max；

σ1(ra1，ap1，vs1，fz1)＝σ1s；

ra1＝rs；

vs1＝w1rs；

根据目标函数处在最大值时，计算出粗磨削加工的加工参数为w1，ra1，ap1，vs1，fz1，且加工参数均为正数。

在采用cbn蝶形砂轮进行精密磨削加工时，设定目标工件的残余应力σ2s，工件表面硬度为h2s，工件表面粗糙度为r2s，材料去除效率v2s。按照以下函数确定精磨加工参数w2，ra2，ap2，vs2，fz2，且加工参数均为正数。

h2(ra2，ap2，vs2，fz2)＝h2s；

r2(ra2，ap2，vs2，fz2)＝r2s；

σ2(ra2，ap2，vs2，fz2)＝σ2s；

ra2＝rs；

vs2＝w2rs；

vmax2＝max(v＝ap2vs2fz2)。

s4：误差补偿，将步骤s3获得的加工参数加上步骤s2获得的机床误差影响量获得误差补偿后的粗磨削加工和精磨削加工的加工参数。误差补偿后的加工参数为：

ap1^c＝ap1+ξz；

ap2^c＝ap2+ξz；

fz1^c＝fz1+ξy；

fz2^c＝fz2+ξy；

θd^c＝θd+ζxzd；

θt^c＝θt+ζxz；

ap1^c、fz1^c分别为优化补偿后的粗磨削加工砂轮的切削深度、进给速度；ap2^c、fz2^c分别为优化补偿后的精磨削加工砂轮的切削深度、进给速度；θd^c和θt^c分别为设定输入的卡盘的转动角度以及机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度，θd，θt为在未增加了夹具及车轴下的机床依据加工工件需要设定的卡盘的转动角度和机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度；另外ξx虽然不影响加工参数，但是在实际机床运动过程中，需要通过对砂轮和工件的位置校正对该误差进行补偿。

s5：根据s4获得的加工参数先使用粗磨削加工砂轮进行粗磨削，最后再使用精磨削加工砂轮进行精加工。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。