随着技术的发展,产品设计及生产周期缩短,更新换代加快,铁路机车技术突发猛进发展,与其相配套加工卡具工装发展同时要求相匹配,而我国对于车轴装卡研究应用仍处于摸索探究阶段,实际应用中不够完善。设计一种完善的车轴加工装置对提高加工效率及产品质量有着重大意义。
一 系统总体规划设计
数控车轮车床用于轨道交通各型毛坯轴、半精轴的车削加工，可实现车轴外圆、过渡圆角、倒角及轴肩等的干式或湿式加工。参数如下:
最大加工直径：Φ320
最大加工长度范围：3000mm
最大承载工件重量：2000Kg
最大切削深度：18mm（毛坯轴）
4mm（半精轴）
充分考虑到铁路行业车轴加工的特点，提高加工效率,机床结构作了适应性的改善和提高，采用自动定位夹紧车轴，通过顶尖中心孔定位，保证车轴的轴心一致性,顶爪端面嵌入式顶紧传递扭矩,驱动加工轴,如附图1、2。综合考虑车轴直径及加工方式,在直径ф103的圆上均匀布置6个顶爪,之前顶爪后端部采用尼龙等非金属受力,但实际应用中6个顶爪受力不一致,给加工带来不少弊端及隐患。总结之前实践经验,顶紧装置采用液压顶紧机构,保证顶爪的受力均匀，控制轮对轴径加工的精度及可靠性。
图1 CK18321数控车轴车床
图2 顶紧装置
二 机械结构设计
（一）整体结构设计
从所要实现的加工状况入手，对车轮车床液压顶紧装置的整体结构进行设计，设计中需要满足以下要求:
1. 加工采用两端顶尖先对中心顶紧,顶爪嵌入工件传递扭矩,尺寸不得大于轴径尺寸;
2. 液压顶紧装置对火车轮对车轴加工位置的定位可靠，且加工过程中不产生振动与干涉；
3.液压顶紧装置顶紧工件,圆周均布的6个顶爪受力必须一致,加工过程中顶爪顶紧驱动车轮车轴,扭矩传递连续、可靠,不会产生顶爪与工件间位移,造成加工过程中切削力突变导致加工过程中损坏刀具。
根据加工要求,设计顶紧装置尺寸受限,经现场测绘分析，采用底座+缓冲油缸顶紧结构。底座与主轴相连接,然后顶紧装置通过底座定位并连接。顶紧装置借鉴缓冲油缸结构设计,主要零部件主要为油缸体、活塞、压盖及顶爪,采用橡胶膜片密封,液压介质选取甘油，顶尖行程≤3mm,1mm行程量内6个顶爪受力一致,对于油缸并设计有注油孔，工作压力10MPa。
液压缸的结构尺寸主要有三个:缸筒内径D-128mm、油缸面积5925活塞杆外径d和缸筒长度L，具体结构如图
图3 液压顶紧装置
（二）零部件设计
1.油缸体
对油缸体分二部分设计组合,主要要求包括:
1) 有足够的强度,能长期承受最高工作压力和短期动态试验压力而不致于产生永久变形;
2) 有足够刚度,能承受活塞的侧向力和安装的反作用力而不致于弯曲;
3) 缸体内表面与顶爪的摩擦力作用下,能长期工作而摩擦少,缸体尺寸公差和形位公差等级足以保证密封件的密封性;
总之,缸体死液压缸的主要零件,它与压盖、密封膜片、油口等零件构成密封的容腔,用以容纳油液。设计液压缸时应该正确确定各部分尺寸,保证液压缸有足够的输出力,有效行程，用以抵抗车轴加工切削力。同时必须具有一定强度,足以承受液压力,负载里和车轴加工过程中意外的冲击力。另外,由于加工时需先顶尖顶持车轴两端定位，然后顶爪嵌入顶紧,根据现场顶尖尺寸,设计缸体中部孔尺寸为ф66，以便顶尖穿过,油缸腔采用环带结构,并考虑密封橡胶膜片的安装压紧空间,确定各零部件的结构、精度、尺寸要求，尽可能采用标准化设计，便于提高产品装置的通用性。
材料选取方面考利足够的轻度和冲击韧性,在产品功能能够得以保证的前提下，尽可能降低成本。故选用45号缸，并进行热处理调质处理。
按《机械设计手册》第四卷P212表19-6-12缸筒厚度＆计算公式
＆=＆0+C1+C2
式中:＆0-缸筒材料强度要求的最小值(m)
C1-缸筒外径余量(m)
C2-腐蚀余量(m)
经分析＆/D≤0.08, 可用计算式
＆≥PmaxxD/(2［σ］) (m)
式中:Pmax-缸筒内最大工作压力(MPa);Pmax=20.2MPa
［σ］-缸筒材料的许用应力(MPa):［σ］=σb/n
σb-缸筒材料的抗拉轻度(MPa)：σb=500 MPa
n-安全系数,通常取n=5
计算得;＆=0.00808(m)
缸筒外径为128(mm)
三 顶爪
根据车轴加工特点,提高加工生产效率,顶爪采取嵌入式顶紧并传递扭矩,顶爪即作为活塞杆同时作为驱动顶紧单元,后部设计为圆柱形,前端则设计为尖锐刀口式结构,便于顶紧嵌入车轴,结合油缸体油腔尺寸,6 个顶爪均匀布置在油缸环形腔尺寸内,后端通过活塞以便顶紧车轴时,通过油缸平衡6个顶爪受力一致。
由于顶爪受力较大,直径较小,材料选取20CrMnTi,并经热处理调质及高频淬火,提高顶爪的硬度及耐磨性,增加顶爪使用寿命,其结构设计如图4
图4 顶爪
其它零件设计还包括油缸座、活塞、压盖等零件的设计,皆结合油缸体及顶爪功能及尺寸,同时结合实际加工现状作标准化设计。
结束语
此次设计的车轴车床液压顶紧装置是根据用户实际加工状况需要设计的一种顶紧装置,依据车床加工存在的实际问题,借鉴之前数次问题解决措施,结合油缸工作原理设计的一种新式结构,在试制过程中,山东迈克特液压工程有限公司多次试验改进而成,最终此装置功能可靠,稳定性、准确性、智能性与一体，经用户投入实际生产中使用、此液压顶紧装置对保证产品质量，提高生产率，减轻劳动强度，实现工业互联网加工，缩短加工制造周期等都具有重要意义。
参考文献
[1]浅谈数控机床在铁路货车车轴制造加工中的应用[J]. 覃佐国. 科技风. 2013(03)
[2]铁路货车车轴锻造生产线设计与应用[J]. 凌彦禄,蒋鹏. 锻压技术. 2007(01)