中车青岛四方机车车辆股份有限公司266000
摘要：针对目前地铁城轨及动车组转向架常用的LZ50车轴磨削加工中最终尺寸易受加工工艺及测量过程影响的现象，选取了直径为φ120和φ130的标准环和车轴，从温度对车轴尺寸涨缩量的影响、温度对标准环尺寸涨缩量的影响及车轴磨削工艺对车轴涨缩的影响，根据实验结果为车轴磨削加工及测量过程提出了优化建议。
关键词：LZ50车轴；温度；标准环；尺寸
引言
车轴磨削加工作为车轴加工的一道重要工序，其主要目的是通过磨削去除精车工序保留的余量，从而使磨削部位形位公差和粗糙度等满足设计要求。车轴作为轮对组成的关键部件，一般是通过过盈配合与车轮、齿轮箱和轴承等部件连接，这些配合部位的公差极小，加工难度极高，尺寸超差时工件报废带来的成本损失非常高。这些配合部位一般采用磨削加工的工艺，如何消除磨削过程和测量过程中导致尺寸变化的影响因素，保证车轴尺寸满足设计要求是非常值得关注的问题[1]。
目前在车轴加工过程中发现车轴磨削部位的尺寸从磨削完毕到后工序组装的过程中尺寸会产生明显的变化。此现象在设计尺寸为φmm或φmm的轴径这一部位尤其明显，为了探究导致这一现象的原因，避免因尺寸变化导致不合格的现象，故进行此探究。
按照国际标准，一个物体的真实尺寸和形状应该是处于20℃恒定温度下的状态。因为车轴生产现场未采用恒定温度控制措施，所以车轴加工中因环境热流效应的温度变化会因材料的热膨胀属性引起车轴测量尺寸的真实性出现偏差。
据此，结合生产经验及现场跟踪，推测可能导致此现象的原因主要有两个：一是车轴材质与校对量具用的标准环材质不一致，导致温度变化幅度相同时两物体的胀差不一致进而导致测量误差；二是目前采用的磨削工艺进给参数选择不当或切削液冷却效果不良均可能导致车轴温度升高，冷却后尺寸缩小导致尺寸超差。因此，本文中依据上述两原因设计并展开实验。
1实验设计及过程
1.1标准环膨胀量验证
本文所设计的实验全过程采用控制变量法进行，为了保证测量数据可用于后续的统计分析，要求所使用的同一规格的测量设备（标准环+杠杆卡规）在相同的测量环境中变化趋势必须是一致的。因此，在进行后续实验前，必须通过实验对同规格的测量设备进行一致性的验证。在实际生产中，杠杆卡规以标准环进行校准，因此只需对标准环进行验证即可。验证方法采取在不同环境温度下对标准环进行测量，然后对测量结果进行比对，最终确定标准环之间膨胀量是否相同。
在本阶段实验中，要求标准环与数显卡规同温8小时以上，测量前首先用接触式测温仪对标准环、数显卡规进行表面温度检测（要求：同规格标准环温差<0.5℃），然后使用其中一个标准环对数显杠杆卡规进行校对，校准后对另一个标准环进行循环三次精确测量，并对测量信息进行记录。三次测量结果如下：
表1第一次测量结果
表2第二次测量结果
表3第三次测量结果
对三次实验结果中同一规格的标准环在不同温度下的差值进行计算，φ120的两标准环在不同的温度下差值始终稳定，为0.008mm，φ130的两标准环在不同的温度下差值始终稳定，为0mm，因此认为本实验中选用的同一规格的标准环在不同的温度下变化是一致的，可进行后续实验。
1.2温度变化对车轴尺寸的影响
目前地铁城轨车辆和铁路客车的车轴一般均为LZ50钢的实心车轴，因此选取此种材质的实心车轴进行实验。同时，为了使实验结果具备指导现实生产的实际意义，测量部位选择目前生产过程中因变化容易导致超差的轴径部位（其余部位公差较大，很少有超差问题）。
探究温度变化对车轴尺寸的影响主要有两个目的：一是探究在实际生产环境中车轴在不同的温度变化下是否均匀，二是测得车轴随温度的变化率。
在本阶段实验中，两种不同规格的标准环始终放置于恒温间（20℃）内，作为数显杠杆卡规的校对标准。尺寸测量前用接触式测温仪对标准环、数显卡规和被测车轴分别进行温度检测并记录，测量时使用被始终放置于恒温间的标准环校对过的卡规测量，为降低测量误差，在不同温度下测量时需测量同一位置，且测量时操作必须迅速准确，防止温度传递对数显杠杆卡规产生影响。本阶段实验中使用的标准环和卡规保持不变。在14℃、16.8℃、19.3℃、9℃下测得的实验结果如下：
表4车轴温度14℃左右时测量数据记录
表5车轴温度16.8℃时测量数据记录
表6车轴温度19.3℃时测量数据记录
表7车轴温度9℃左右时测量数据记录
对不同温度变化下的车轴尺寸进行统计，计算出车轴随温度的线膨胀量见表8（单位均为mm/℃）。
表8车轴温度变化时的线膨胀量
从表8中可以看出同一根车轴在温度变化的不同阶段线膨胀量近似等于车轴的平均线膨胀量，不同根车轴的线膨胀量近似相等，也就是温度每升高1℃，直径为φ120mm的车轴轴径直径大概增加0.00103mm，呈正相关。
1.3温度变化对标准环尺寸的影响
为了探究温度变化对标准环尺寸的影响，依据现有条件，可采用两个无膨胀量偏差的同尺寸标准环，在不同温度情况下对其膨胀量进行差值比较。为确保实验结果准确及便于数据分析，试验设定将1号和3号标准环始终放置于轴承检测间内进行恒温（更接近于计量环境），并作为数显杠杆卡规的校对标准，其余2号和4号两个标准环一同放置于不同环境温度下进行同温并实施测量。具体要求如下：
①测量前用接触式测温仪对标准环、数显卡规进行温度检测；
②使用恒温间内的标准环对数显杠杆卡规进行校对；
③对另一个标准环放置在不同温度下同温8小时后进行三次精确测量，并对测量信息进行记录；
④数显杠杆卡规始终跟随1号和3号标准环进行同温；
⑤为避免温度对数显杠杆卡规产生热变影响，测量时操作必须迅速、准确。
表9标准环测量数据记录
可知，当φ120标准环规温度由19℃下降至7.3℃时，每度变化量为0.017/（19-7.3）=0.00145299mm/℃；当φ130标准环规温度由19℃下降至7.5℃时，每度变化量：0.017/（19-7.5）=0.00147826mm/℃，可认为标准环规随温度的变化率为0.00147mm/℃，呈正相关。
2实验结论
本实验中对车轴加工中使用的标准环进行了膨胀量验证，证明标准环在温度变化的情况下尺寸变化趋势一致；车轴随温度升高尺寸增加，轴径部位线膨胀率为0.00103mm/℃；标准环随温度升高尺寸增加，线膨胀率为0.00147mm/℃。车轴和标准环在温度变化时尺寸的变化率不一致，标准环随温度变化率明显高于车轴。
3车轴加工中温度影响分析及对策
为了系统的找出车轴加工中容易影响尺寸的原因，研究人员对车轴加工过程中容易导致车轴或量具温度变化及容易影响尺寸测量的因素进行了系统查找并制定了对策，见表10。
表10原因及对策表
结束语
在车轴加工过程中，对于影响车轴尺寸的因素一定要引起重视并及时消除不利因素，车轴的加工质量才能够得到保障。本文只探究了LZ50材质的车轴及两种规格的标准环，而实际生产中产品和使用的量具较多，更应有针对性的探究，找出保证车轴加工质量的最优方案。
参考文献：
[1]王春海.火车车轴尺寸测量精度控制[J].工业技术，2018（1）：1-1.