踏面制动

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踏面制动就是铁路机车车辆采用的闸瓦制动,制动时闸瓦抱紧车轮踏面,通过摩擦使车轮停止转动。
列车制动时,由制动缸将闸瓦压紧踏面,利用两者之间的摩擦力来将列车动能转化为热能消散在大气中。踏面制动中,制动装置要将巨大的动能转变为热能消散于大气之中。而这种制动效果的好坏,却主要取决于摩擦热能的消散能力。使用这种制动方式时,闸瓦摩擦面积小,大部分热负荷由车轮来承担。列车速度越高,制动时车轮的热负荷也越大。如用铸铁闸瓦,温度可使闸瓦熔化;即使采用较先进的合成闸瓦,温度也会高达400~450℃。当车轮踏面温度增高到一定程度时,就会使踏面磨耗、裂纹或剥离,既影响使用寿命也影响行车安全。由于踏面制动易导致踏面升温和磨损,随着列车车速的提高,已较少使用,动车组及快速列车一般用盘型制动代替。
中文名
踏面制动
外文名
tread brake
制动原理
使闸瓦摩擦车轮踏面来减速
定    义
铁路机车车辆采用的闸瓦制动
所属类别
交通
缺    点
易导致踏面升温和磨损

踏面制动基本介绍

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随着我国城市化进程的逐步加快,城市轨道交通事业的大力发展,城轨车辆的需求量逐年增加。作为城轨车辆制动系统关键部件之一的基础制动单元,其产品质量直接决定基础制动力的最终执行效果。踏面制动单元是目前城轨车辆基础制动单元的主要类型之一。在踏面制动单元中,缸体为整个单元提供了总体框架、支撑基础和装配基准,也是单元中加工部位最多、工艺最为复杂的零件。缸体的质量直接决定踏面制动单元的制动效果,从而影响车辆整体的制动性能。
随着加工中心功能、精度、稳定性等不断升级,其应用的领域逐渐拓宽,尤其适合城轨产品品种样式较多、交付周期较短的特点。机加工工艺又是缸体生产中决定最终产品质量的最关键的工艺流程环节,因此本文主要研究缸体在卧式加工中心中的机加工工艺。

踏面制动工件分析

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从已有的研究来看,对于缸体类的机加工工艺而言,首要的步骤就是针对工件的几何结构特征进行分析,才能制定合理的机加工工艺。本文研究的踏面制动单元缸体从几何形状特征上看,可以分为2大部分:腔体部分和外伸部分。其中,腔体部分是有内腔结构的6面腔体,腔体6个表面均需要机加工,内腔结构也需要机加工。另外,缸体还具有外伸部分,即悬吊闸瓦托的吊臂,具体加工部位为吊臂轴孔和复原弹簧穿孔。腔体结构平均壁厚约7mm,腔体部分基本尺寸长宽高约为200mm×200mm×200mm壁厚与腔体尺寸之比约为3.5%,属于典型的薄壁零件,在夹紧和切削受力的情况下容易产生变形,导致加工困难。除薄壁内腔结构外,该缸体还有一种外伸结构,即踏面制动单元缸体吊臂部分,其外伸长度相当于缸体基本尺寸的80%左右,处在吊臂离腔体最远端的位置,相对刚度较差,也易在夹紧力和切削力作用下产生变形,这种特征结构在其他缸体类的零件中也有类似情况。内腔加工面深度超过腔体结构基本尺寸50%,加工位置较深,容易造成长刀杆刀具刚度较差,甚至刀杆与工件、工装干涉。
从设计上看,缸体有两条基准轴线:一条是基准轴线1,贯穿腔体和吊臂,是腔体和吊臂大部分几何形状的中心对称线;另一条是基准轴线2,贯穿E面和F面之间的中心轴线。设计上很多外形尺寸、安装尺寸等均来自这两条基准轴线,尤其是基准轴线1,直接决定了缸体吊臂部分对称程度。由于两条基准轴线无实体,如何选择合理的定位以保证加工基准与设计基准的统一,对于保证加工质量至关重要。
缸体加工质量要求较高,这主要体现在一些重要部位尺寸公差和形位公差级别较高。吊臂轴孔、面BD等处,均存在7级精度的通孔及盲孔。缸体后部面C附近的大孔圆周上均布两个通孔,而圆周钻孔容易造成孔轴线的偏斜。缸体多处对称孔系均存在垂直度、同轴度等形位公差要求,且公差较小。
另外,在不同型号的城轨车辆中,缸体因外形尺寸、大孔朝向不同等形成了不同类型。工装的设计必须考虑适应不同类型的缸体,以满足机加工工艺的通用性。综合以上几点,缸体本身具有薄壁特征、刚性不足、尺寸精度高、设计基准相关尺寸较多、缸体类型多等特点,为缸体的机加工带来了很大的难度。本文将从定位、夹紧、工装设计、刀具配置等方面逐一解决缸体机加工的难题。

踏面制动定位分析

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从加工部位上看,考虑到缸体的定位和夹紧,必须对机加工进行分序才能完成所有部位的加工。分序的原则是为减少2次装夹带来的装夹误差,1序加工部位尽可能多,并保证铸造粗基准仅使用1次,同时为2序加工提供精基准;2序加工需完成1序未完成的所有加工,并且相对集中。根据6点定位原理,工件的三维空间中的6个自由度必须被全部限制后,才能实现完全定。该缸体在序加工时铸孔很少,几何形状以平面为主,因此主要使用平面定位理论进行定位设计。考虑到缸体的大部分结构对于吊臂中轴线对称,该轴线又是图纸中重要的设计基准,该基准涉及很多外形尺寸。因此可使用定中机构进行定位,保证缸体两侧机加工后尺寸、形状对称,避免基准不重合误差,确保机加工工艺基准与设计基准的统一。
为避免过定位,使用可沿y 轴活动的两个窄楔形块作为定中机构 两楔形块的楔面分别与两吊臂内侧 、缸体 面铸造圆孔内壁接触。这样形成的浮动定中机构,限制了工件沿 轴平移的自由度 、绕 轴转动自由度 工件绕 轴转动自由度在1序加工时,定位必然使用铸造毛坯作为基准。结合实际铸造工艺和铸模设计,缸体 面无铸造浇口、为1序定位面。在A 面的四角部位分别设置一只支撑钉。为避免过定位,其中两只为定位可调支撑,余下为辅助支撑,以便增加工件的稳定性和刚性。 面定位后,工件绕 z 轴转动自由度 被限制。由于A 面是底面,因此支撑钉选择球面可调支撑钉即可。

踏面制动夹紧分析

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为保证工件在加工过程中始终与定位元件紧密接触和准确的定位位置,避免在切削力、工件重力等作用下工件的位置发生振动和变化,并且确保机加工过程安全可靠和加工质量稳定,必须通过一定形式的夹紧机构对工件实施夹紧。
考虑到卧式加工中心的特点,选择螺旋夹紧机构对工件施加夹紧力。根据定位的具体位置,布置夹紧力。考虑到工件的实际形状,为给机加工刀具运动留出足够空间,在吊臂处施加斜向夹紧和缸体顶面(C面)沿z轴向下夹紧。该夹紧方案的布置可保证工件在加工过程中与定位元件紧密接触。
为简化起见,简化工件的形状和结构,假设工件加工平稳,估算出工件瞬间所受最大可能的切削力,根据静力平衡原理,计算出夹紧力的大小。另外,还要考虑一定的安全裕度,将计算结果乘以一个安全系数,作为实际施加的夹紧力。夹紧力的实际大小由螺旋夹紧机构的螺纹预紧力矩保证。

踏面制动工艺流程

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为了适应不同类型缸体的机加工,工装设计采用了专用元件和通用元件相结合的方式,兼具专用工装的稳定性和组合夹具的灵活性。定位和辅助支撑主要使用可调支撑元件,并且元件杆的尺寸在保证定位准确的前提下尽可能减小,避免不同类型缸体在定位和加工时发生干涉。并且元件的位置可以在小范围内调整,以适应不同类型缸体外形尺寸的不同。由于缸体轴线是相同的,因此定中机构可采用专用元件,保证缸体轴线定位准确。夹紧元件均采用通用元件,包括夹紧吊臂外侧的勾舌压板、夹紧腔体部分的4点平压板,这样安装、调整、拆卸灵活简便,成本相对较低。
缸体在机加工后需要进行尺寸检测,此时以缸体加工面F面、吊臂轴孔法兰面、大孔圆周等作为基准,保证测量基准与设计基准、加工基准的统一,提高测量的准确性和可靠性。

踏面制动配置与优化

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一般情况下,刀具配置是根据现有的加工工艺方案和各工步的具体加工形式确定的。缸体加工局部形状主要包括平面、孔系,其中平面加工以铣削类刀具为主,包括盘铣刀、方肩铣、立铣刀等,孔系加工以钻头、镗刀为主。
由于1序加工部位较多,所以使用的刀具数量较多,加工时间较长。在试制和小批量生产阶段,经统计计算一序加工单件机床加工切削时间为104min,在实际生产中包含机床换刀、装卡工件,更换磨损刀具等辅助时间后,每班实际加工3件,每天3班加工9件,每月30天加工270件,可完成5.5列车制动单元的生产任务。然而,为了满足后续市场需求,需要进一步提高缸提高机加工效率有几个基本途径,主要包括改变加工方式、调整切削参数、缩短行刀路径、优化刀具配置等。其中,在优化刀具配置中,可以采用专用成型刀具代替通用刀具,以及减少插补加工的方法。为了切实提高生产效率,本文针对加工时间较长的刀具进行优化。进行刀具优化后,实际机床加工的切削时间为72min,加工时间缩短32min,实际生产也由每班(8h)3件,提高到每班4件,生产效率提高25%。

踏面制动结束语

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本文针对踏面制动单元缸体进行了机加工工艺分析与研究,制定了合理的定位与夹紧方案,保证了加工基准与设计基准的统一,并通过试验确定了实际夹紧力。根据加工部位和尺寸公差要求,配置并优化了相应刀具,制定了恰当的加工工艺路线。实际测量表明,本文提出的踏面制动单元缸体机加工工艺依据充分,加工质量稳定,对于踏面制动单元同类型缸体的机加工有借鉴价值。 [1] 
参考资料