轨道交通产业带给机床刀具行业的新机遇

中国的轨道交通从改革开放後90年代末期第一次大提速开始，到2011年完成的第八次提速，中轨道交通历了一神速展的历程。以上海到南京为例，提速前全程要4~5个小时，目前最快的仅需1小时，速度已超过了每小时350公里；从上海到北京也只需5个小时了。

　　2012年，德国着名咨询机构SCI Verkehr发布研究报告公布了2010年世界轨道交通装备制造商新造领域十强，中国南车跃居全球第一位。南车戚墅堰机车有限公司，是以生产乾线铁路内燃机车为主要产品的现代化大型企业。主要车型有东风8、东风8B、东风11、东风11G、HXN5等系列内燃机车。


　　中国铁路前六次提速的机车主要是以南车为主的DF11G型内燃机车，最近两年来，铁路提速以电力机车为主。但内燃机车还是有它的不可取代的地位，尤其在提速货运机车方面。从中全局出发，内燃机车的需求量还是相当大。全路内燃机车目前约有19,000多台，此外，大功率调车机车目前在各机务段和煤矿、石油等大企业都急缺，据初步估算，每年的机车更新总量在600台以上（不包括每年约几千台的修理机车）。


　　轨道交通的主要零部件加工难度简解


　　涉及到轨道交通机加工，相对来说有加工难度的主要零部件是车体转向架、空芯轴套等机车走行部，另外就是柴油机关键零部件。机车柴油机主要零部件结构复杂、制造精度、形位公差和表面粗糙度要求高（精度指标大都在5~7级、粗糙度Ra0.4左右），要求有良好的互换性，如机体、曲轴、连杆、汽缸盖等，主要目的是为了保证机车在高速运行中可靠性好、耐用度高、安全系数高。


　　以柴油机关键零部件来讲，许多零部件的相关尺寸精度都在μm级，这是以前难以想象的，也是根本做不到的。


曲轴


　　例1：引进曲轴：全长4m以上，重量达2,500kg，主轴颈250（-0.029~0）mm，全长跳动量0.06mm等；相关的形位公差、粗糙度要求等都极严；


　　主要难度有以下几点：


　　- 毛坯挤压要求高，成型後非加工面尺寸要求高；


　　- 平衡块焊接要求也是原先中曲轴没有采用过的；


　　- 因平衡块焊接结构，对机械加工的设备回转半径加大，形位公差要求高；


　　- 采用喷雾冷却正火+最终表面氮化的热处理方式，对变形的控制有较大难度。


　　例2：曲轴附件薄壁锥套：外圆210（-0.03~0）×160mm，壁厚仅5~7mm，圆度0.01mm；


　　主要难度有以下几点：


　　- 薄壁锥套的加工和控制变形；


　　- 与飞轮法兰的1：50锥度的配合覆盖率80%及互换性；


　　- 过盈量的控制要求严（如下图）。





　　主要加工装备的配备浅说


　　机械加工是由车、铣、刨、镗、钻、磨等基本加工方式构成的，围绕不同产品、和同一产品不同的加工工序，以往人们使用的是大量传统结构的单一加工功能的车床、铣床、刨床、镗床、钻床、磨床等普通设备。随技术的发展，这些普通设备所占的比例已大幅下降，取而代之的是以单轴和二轴联动加工为主的数控车床、立式和卧式加工中心数控加工机床。


　　随机床配套产品的发展和对相关技术的深入研究，今天的数控机床已经被柔性、复合、多轴联动、高精、高速化占了主导地位。如多轴联动的车铣中心、镗铣中心、随动型磨床等。而机床的性能也随刀具材料及制造技术、计算机软件技术、精密测量技术、快速伺服拖动技术的发展具有高速、高效加工和智能的特点。除此之外，为了适应用户的产品生产需求，一些功能混搭技术交叉而实用的各类机床也产生。如：激光和铣削（DMG）揉合在一起；车铣和磨削（沃伦贝格）揉合在一起等等。


　　近年来，为了适应不断发展的市场需求，南车主要增添或引进了一些国产和进口的立式、卧式加工中心（适合零件：连杆、汽缸盖等）；龙门式加工中心（适合零件：机体、构架等）；车铣加工中心（适合零件：凸轮轴、曲轴）；镗铣加工中心（适合零件：抱轴箱等）；曲轴、凸轮轴专用磨床，以及立式双磨头磨床等。加工中心具有占地面积小，一台设备可抵四、五台设备的功能；而且加工质量高，可靠性高；操作者体力消耗小等优点。


　　仍以曲轴为例，一台车铣中心替代了以前需要由6-7台机床才能实现的车、铣、钻、扩、铰等加工功能，包括曲轴的主轴颈、连杆颈和曲柄的所有加工、法兰孔的加工、键槽加工、螺纹孔的加工、主油孔和斜油孔的加工等，减少了装夹次数，提高了产品精度，同时对试制新产品的工装准备可大大降低，机床的加工柔性大大加强了；同样，一台曲轴随动磨床，替代了原来的普通大型外圆磨床和连杆颈曲轴磨床，一台设备具有两台磨床的功效，而占地面积仅只有一台磨床。


　　另外，数控在线测量也解决了以前加工中的测量问题。Marposs FENAR-L在线直径测量装置，可以实时控制在线产品加工时的精度，并设置超出自动报警。


　　同时，在刀仪的应用上，解决了对刀的精度，避免了加工不合格品，提高了加工效率。以前的在线测量就是停机操作者用游标卡尺或内、外卡凭操作者的经验控制；高级工（6级以上）一般也就在0.02mm左右， 现在对刀仪可精确地到μm级，可靠性也极高。


　　复合刀具的应用


　　80年代，机加工所用的刀具大都是焊接刀具，少数非标刀具—也是焊接结构的。目前只有少数是焊接刀具，绝大部分是机夹刀具、成型组合刀具、复合刀具。尤其是在加工中心等先进设备所用刀具，100%是标准的机夹刀具及非标的机夹刀具。但刀具的费用同样也是相当昂贵的。（工具消耗所占的制造成本比例为5~15%。）


　　复合加工技术实现了加工工序相对集中，减少了工件重复装卸、定位次数，缩短加工辅助时间，提高了工件加工精度和生产效率，而且设备数量明显减少，节约了生产线的产地面积，使单位面积的产量有大幅的提高，同时也减轻了工人的劳动强度（当然另一方面需要提高工人的文化、技术素质）。


　　另外，在复合加工中，采用成型的复合刀具来加工一些同轴度要求高的孔系或加工一些复杂的型面也是相当普遍的，一是由於精度高，二是加工效率高。在欧美等一些高端机加工领域使用得相当普遍，但由於中刀具制造商在制造精度方面还有一些差距，近年来在铁路行业中还没有推广。这或许是未来发展需加强的一个薄弱环节。


　　现况的不足和相应要解决的问题


　　对刀仪


　　各个机床厂所用的刀具不一样，对刀仪也有差别，一台对刀仪贵的要40~50万，甚至达到上百万；便宜的也要3~5多万，没有对刀仪给加工带来不便，但每台设备都备对刀仪也给用户带来了额外的负担；此外故障率也高。经常坏，修理也是相当困难。—这样好事变成了坏事。


　　成型（复合）刀具的订货


　　成型刀具订货周期长，价格高；一些非标刀具要三个月甚至更长。


　　刀具费用


　　另外一个很重要的问题是刀具费用太高了。


　　以曲轴为例：加工一根成品曲轴，上车铣中心大约有6~7 道工序，刀具费用累计大约在5万元/根左右，刀具费用成本是原来的几十倍甚至上百倍。这样将人工成本低的优势全部吃掉了。


　　实际使用问题


　　在机床订货时，对工艺探讨双方交流不够，导致预验收和终验收的时间跨度长，而且在验收以後，有相当的细节都存在问题（编程上、刀具使用上以及外商对图纸和工艺的理解上的偏差等）。


　　轨道交通与机床制造业相互促进共同发展


　　轨道交通的快速发展，的确给机床装备行业和相应的工具行业带来了新的发展机遇。2012年4月在南京举办了“第八届中国国际金属加工高峰论坛”，本次高峰论坛以“迈进整体解决方案时代”为主题，引发了各路专家学者的热烈讨论。


　　目前中的企业，在引进先进的机床装备和工具後，结合轨道交通的特殊产品，还有一个消化吸收和巩固加强的漫长过程。尤其是对工艺编程、操作者甚至生产管理人员都有一个从不熟悉到初步掌握、再到应用自如的渐进过程。因此，如何当好企业的工艺师，帮助企业尽快地将装备和工具投入使用并迅速产生效益—这样反过来，给自己的产品也树立了良好的形象，这是摆在装备厂商面前的新课题；同时如何迅速掌握先进的装备技术，也是中企业客户所面临的持久的课题。

　　轨道交通制造业未来的发展，随机床制造业的发展而不断发展；随各行各业的不同需求而不断地发展。绿色且多元化（满足不同用户的要求）、噪声低、污染少、低油耗、低排放（满足TierⅣ排放要求）且具有高可靠性也是内燃机车设计制造的目标。南车戚墅堰机车有限公司计划通过和国际合作的方式，朝这个方向不断地努力。

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中文网站：www.khctool.cn

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