踏面制動

踏面制動就是鐵路機車車輛採用的閘瓦制動，制動時閘瓦抱緊車輪踏面，通過摩擦使車輪停止轉動。

列車制動時，由制動缸將閘瓦壓緊踏面，利用兩者之間的摩擦力來將列車動能轉化為熱能消散在大氣中。踏面制動中，制動裝置要將巨大的動能轉變為熱能消散於大氣之中。而這種制動效果的好壞，卻主要取決於摩擦熱能的消散能力。使用這種制動方式時，閘瓦摩擦面積小，大部分熱負荷由車輪來承擔。列車速度越高，制動時車輪的熱負荷也越大。如用鑄鐵閘瓦，溫度可使閘瓦熔化；即使採用較先進的合成閘瓦，溫度也會高達400~450℃。當車輪踏面溫度增高到一定程度時，就會使踏面磨耗、裂紋或剝離，既影響使用壽命也影響行車安全。由於踏面制動易導致踏面升溫和磨損，隨著列車車速的提高，已較少使用，動車組及快速列車一般用盤型制動代替。

基本介紹

• 中文名：踏面制動
• 外文名：tread brake
• 制動原理：使閘瓦摩擦車輪踏面來減速
• 定義：鐵路機車車輛採用的閘瓦制動
• 所屬類別：交通
• 缺點：易導致踏面升溫和磨損

基本介紹

隨著我國城市化進程的逐步加快，城市軌道交通事業的大力發展，城軌車輛的需求量逐年增加。作為城軌車輛制動系統關鍵部件之一的基礎制動單元，其產品質量直接決定基礎制動力的最終執行效果。踏面制動單元是目前城軌車輛基礎制動單元的主要類型之一。在踏面制動單元中，缸體為整個單元提供了總體框架、支撐基礎和裝配基準，也是單元中加工部位最多、工藝最為複雜的零件。缸體的質量直接決定踏面制動單元的制動效果，從而影響車輛整體的制動性能。

隨著加工中心功能、精度、穩定性等不斷升級，其套用的領域逐漸拓寬，尤其適合城軌產品品種樣式較多、交付周期較短的特點。機加工工藝又是缸體生產中決定最終產品質量的最關鍵的工藝流程環節，因此本文主要研究缸體在臥式加工中心中的機加工工藝。

工件分析

從已有的研究來看，對於缸體類的機加工工藝而言，首要的步驟就是針對工件的幾何結構特徵進行分析，才能制定合理的機加工工藝。本文研究的踏面制動單元缸體從幾何形狀特徵上看，可以分為2大部分：腔體部分和外伸部分。其中，腔體部分是有內腔結構的6面腔體，腔體6個表面均需要機加工，內腔結構也需要機加工。另外，缸體還具有外伸部分，即懸吊閘瓦托的吊臂，具體加工部位為吊臂軸孔和復原彈簧穿孔。腔體結構平均壁厚約7mm，腔體部分基本尺寸長寬高約為200mm×200mm×200mm壁厚與腔體尺寸之比約為3．5%，屬於典型的薄壁零件，在夾緊和切削受力的情況下容易產生變形，導致加工困難。除薄壁內腔結構外，該缸體還有一種外伸結構，即踏面制動單元缸體吊臂部分，其外伸長度相當於缸體基本尺寸的80%左右，處在吊臂離腔體最遠端的位置，相對剛度較差，也易在夾緊力和切削力作用下產生變形，這種特徵結構在其他缸體類的零件中也有類似情況。內腔加工面深度超過腔體結構基本尺寸50%，加工位置較深，容易造成長刀桿刀具剛度較差，甚至刀桿與工件、工裝干涉。

從設計上看，缸體有兩條基準軸線：一條是基準軸線1，貫穿腔體和吊臂，是腔體和吊臂大部分幾何形狀的中心對稱線；另一條是基準軸線2，貫穿E面和F面之間的中心軸線。設計上很多外形尺寸、安裝尺寸等均來自這兩條基準軸線，尤其是基準軸線1，直接決定了缸體吊臂部分對稱程度。由於兩條基準軸線無實體，如何選擇合理的定位以保證加工基準與設計基準的統一，對於保證加工質量至關重要。

缸體加工質量要求較高，這主要體現在一些重要部位尺寸公差和形位公差級別較高。吊臂軸孔、面B和D等處，均存在7級精度的通孔及盲孔。缸體後部面C附近的大孔圓周上均布兩個通孔，而圓周鑽孔容易造成孔軸線的偏斜。缸體多處對稱孔系均存在垂直度、同軸度等形位公差要求，且公差較小。

另外，在不同型號的城軌車輛中，缸體因外形尺寸、大孔朝向不同等形成了不同類型。工裝的設計必須考慮適應不同類型的缸體，以滿足機加工工藝的通用性。綜合以上幾點，缸體本身具有薄壁特徵、剛性不足、尺寸精度高、設計基準相關尺寸較多、缸體類型多等特點，為缸體的機加工帶來了很大的難度。本文將從定位、夾緊、工裝設計、刀具配置等方面逐一解決缸體機加工的難題。

定位分析

從加工部位上看，考慮到缸體的定位和夾緊，必須對機加工進行分序才能完成所有部位的加工。分序的原則是為減少2次裝夾帶來的裝夾誤差，1序加工部位儘可能多，並保證鑄造粗基準僅使用1次，同時為2序加工提供精基準；2序加工需完成1序未完成的所有加工，並且相對集中。根據6點定位原理，工件的三維空間中的6個自由度必須被全部限制後，才能實現完全定。該缸體在序加工時鑄孔很少，幾何形狀以平面為主，因此主要使用平面定位理論進行定位設計。考慮到缸體的大部分結構對於吊臂中軸線對稱，該軸線又是圖紙中重要的設計基準，該基準涉及很多外形尺寸。因此可使用定中機構進行定位，保證缸體兩側機加工後尺寸、形狀對稱，避免基準不重合誤差，確保機加工工藝基準與設計基準的統一。

為避免過定位，使用可沿y 軸活動的兩個窄楔形塊作為定中機構 兩楔形塊的楔面分別與兩吊臂內側 、缸體 面鑄造圓孔內壁接觸。這樣形成的浮動定中機構，限制了工件沿 軸平移的自由度 、繞 軸轉動自由度 工件繞 軸轉動自由度在1序加工時，定位必然使用鑄造毛坯作為基準。結合實際鑄造工藝和鑄模設計，缸體 面無鑄造澆口、為1序定位面。在A 面的四角部位分別設定一隻支撐釘。為避免過定位，其中兩隻為定位可調支撐，餘下為輔助支撐，以便增加工件的穩定性和剛性。 面定位後，工件繞 z 軸轉動自由度 被限制。由於A 面是底面，因此支撐釘選擇球面可調支撐釘即可。

夾緊分析

為保證工件在加工過程中始終與定位元件緊密接觸和準確的定位位置，避免在切削力、工件重力等作用下工件的位置發生振動和變化，並且確保機加工過程安全可靠和加工質量穩定，必須通過一定形式的夾緊機構對工件實施夾緊。

考慮到臥式加工中心的特點，選擇螺旋夾緊機構對工件施加夾緊力。根據定位的具體位置，布置夾緊力。考慮到工件的實際形狀，為給機加工刀具運動留出足夠空間，在吊臂處施加斜向夾緊和缸體頂面（C面）沿z軸向下夾緊。該夾緊方案的布置可保證工件在加工過程中與定位元件緊密接觸。

為簡化起見，簡化工件的形狀和結構，假設工件加工平穩，估算出工件瞬間所受最大可能的切削力，根據靜力平衡原理，計算出夾緊力的大小。另外，還要考慮一定的安全裕度，將計算結果乘以一個安全係數，作為實際施加的夾緊力。夾緊力的實際大小由螺旋夾緊機構的螺紋預緊力矩保證。

工藝流程

為了適應不同類型缸體的機加工，工裝設計採用了專用元件和通用元件相結合的方式，兼具專用工裝的穩定性和組合夾具的靈活性。定位和輔助支撐主要使用可調支撐元件，並且元件桿的尺寸在保證定位準確的前提下儘可能減小，避免不同類型缸體在定位和加工時發生干涉。並且元件的位置可以在小範圍內調整，以適應不同類型缸體外形尺寸的不同。由於缸體軸線是相同的，因此定中機構可採用專用元件，保證缸體軸線定位準確。夾緊元件均採用通用元件，包括夾緊吊臂外側的勾舌壓板、夾緊腔體部分的4點平壓板，這樣安裝、調整、拆卸靈活簡便，成本相對較低。

缸體在機加工後需要進行尺寸檢測，此時以缸體加工面F面、吊臂軸孔法蘭面、大孔圓周等作為基準，保證測量基準與設計基準、加工基準的統一，提高測量的準確性和可靠性。

配置與最佳化

一般情況下，刀具配置是根據現有的加工工藝方案和各工步的具體加工形式確定的。缸體加工局部形狀主要包括平面、孔系，其中平面加工以銑削類刀具為主，包括盤銑刀、方肩銑、立銑刀等，孔系加工以鑽頭、鏜刀為主。

由於1序加工部位較多，所以使用的刀具數量較多，加工時間較長。在試製和小批量生產階段，經統計計算一序加工單件工具機加工切削時間為104min，在實際生產中包含工具機換刀、裝卡工件，更換磨損刀具等輔助時間後，每班實際加工3件，每天3班加工9件，每月30天加工270件，可完成5．5列車制動單元的生產任務。然而，為了滿足後續市場需求，需要進一步提高缸提高機加工效率有幾個基本途徑，主要包括改變加工方式、調整切削參數、縮短行刀路徑、最佳化刀具配置等。其中，在最佳化刀具配置中，可以採用專用成型刀具代替通用刀具，以及減少插補加工的方法。為了切實提高生產效率，本文針對加工時間較長的刀具進行最佳化。進行刀具最佳化後，實際工具機加工的切削時間為72min，加工時間縮短32min，實際生產也由每班（8h）3件，提高到每班4件，生產效率提高25%。

結束語

本文針對踏面制動單元缸體進行了機加工工藝分析與研究，制定了合理的定位與夾緊方案，保證了加工基準與設計基準的統一，並通過試驗確定了實際夾緊力。根據加工部位和尺寸公差要求，配置並最佳化了相應刀具，制定了恰當的加工工藝路線。實際測量表明，本文提出的踏面制動單元缸體機加工工藝依據充分，加工質量穩定，對於踏面制動單元同類型缸體的機加工有借鑑價值。