HXD2系列货运机车从动齿轮减重孔切割加工

铁道部驻大同机车车辆验收室 （山西 037038） 魏世明

河南郑州机械研究所 （450001） 关 鹤 祁华伟 刘守雨 周 伟

1.概述

为提高我国铁路客货运输能力，推进铁路技术装备现代化，中国北车集团大同电力机车先后引进和自主研发了HXD2系列大功率重载交流传动货运电力机车。该型系列机车的驱动单元在设计时，为严格控制机车轴重以保证机车和轨道的综合运行性能，在其辐板上增加了8个φ130mm的减重孔（未加减重孔其重量为500kg，加后重量为440kg），其结构如图1所示。

图1 HXD2系列机车驱动单元从动齿轮结构

为降低从动齿轮的加工难度，提高其加工工艺性，本文对比了从动齿轮8个φ130mm减重孔的几种加工方法，确定了最优加工方案为火焰切割留量精镗铣，并针对实际状况提出了相应的改善措施。

2.从动齿轮减重孔加工方法的对比

由于机车齿轮要求较高的可靠性和安全性，故为保证从动齿轮的技术特性和使用要求，从动齿轮的减重孔最终应为冷加工表面状态。

由此，从动齿轮8个φ130mm去重孔有以下三种加工方法，加工中心铣削加工、数控镗床镗铣加工、火焰切割+精镗，他们的加工效率、加工经济性对比如表1所示。

从上述对比可知：三种加工方法中，火焰切割+精镗加工时长最短、经济性最好，故在实际加工过程中作为优先方案。

表1 三种加工方法对比

3.火焰切割过程易产生的缺陷

（1）割缝补偿k不稳定，工件切割存在偏差 从理论上讲，一个工件的切割程序确定且给定割缝补偿k后，设备切割时的运行轨迹是一定的，切割出的零件尺寸就是固定的，而实际切割出的零件是存在一定偏差的。刚切割时被切割件的温度接近室温，由于切割速度很快，尤其当工件较小时，使得切割完成时工件还未来得及升温和热膨胀，或者有局部的升温，但热膨胀也受到了工件周围室温状部分的约束，所以此时切割的零件尺寸比较精确。但随着被切割件切割区域的增多，热量的不断输入，工件的温度不断升高，热膨胀量也不断增大，此时工件体积就发生了变化（由于工件在不同温度下产生的热膨胀量不同），从而需要对割缝补偿k加以修正（增加热膨胀补偿量△t ）；否则当切割轨迹不变时，被切割工件冷却后体积就会缩小，尺寸同样变小。

（2）工艺参数偏差 除火焰切割存在割缝补偿k不稳定，致工件切割存在偏差的问题外，还会由于工艺参数的偏差产生相关切割缺陷（见表2）。

此外由于HXD2系列货运机车从动齿轮辐板板较厚（需切割部位厚度为44～53mm），火焰切割时还存在以下难点：①预热处工件上、下部受热不均匀，如果操作不当，切割时往往不能沿厚度方向顺利穿透而造成切割失败。②由于工件较厚，燃烧反应沿厚度方向传播需要一定时间，且越到切口下部，切割氧流动量越小、纯度越低，故使后拖量增加。③熔渣多，切割氧流排渣能力减弱，容易在切口底部形成熔渣堵塞，使正常切割过程遭到破坏。

4.提高从动齿轮切割孔精度及质量的措施

切割气体、切割速度、火焰类型及预热火焰能效等是影响火焰切割质量的关键因素，为提高从动齿轮减重孔切割质量，我们针对上述要素提出以下改善措施。具体如下：

（1）切割氧气纯度和切割氧气压力 第一，切割时所用氧气要有较高的纯度，一般要求在99.5%以上。氧气纯度每降低0.5%，火焰切割速度就会降低10%左右；如果氧气纯度降低0.8%～1%，不仅切割速度下降15%～20%，而且割缝也随之变宽，切口下端挂渣多并且清理困难，切割断面质量亦明显变差，气体消耗量也随着增加。为保证较高的生产效率和切割质量，在从动齿轮减重孔切割时要求氧气纯度≥99.7%。

表2 切割表面缺陷和原因分析

第二，切割时氧气压力不宜过低，同时也不能过高。当氧气压力过低时，切割过程中的氧化反应将减慢，切割的氧化物熔渣吹不掉，同时割缝背面形成难以清除掉的熔渣粘结物，甚至不能把工件割穿。当氧气压力增大时，氧流量相应增加，此时能够切割的工件厚度增加，但随着压力增大到一定值，切割厚度也将达到最大值。切割氧气压力对切割速度的影响如图2所示。由表3和实际切割试验可知，从动齿轮的切割时要求的氧气压力为0.7MPa。

表3 不同切割厚度推荐氧气压力值

图2 切割氧气压力与切割速度的影响

（2）选择250mm/min的切割速度 切割速度与工件厚度、割嘴形式有关，一般随工件厚度增大而减慢（见表4）。切割速度必须与切口内金属的氧化速度相适应。切割速度直接影响到切割过程的稳定性和切割端面质量。切割速度太慢会降低生产效率，使切口上缘熔化塌边，下边缘产生圆角、切割断面下半部分出现水冲状的深沟凹坑等；反之，太快则后拖量过大，使切割断面出现凹陷和挂渣等质量缺陷，严重的甚至割不透，造成切割中断。时采用了火焰切割加余量精镗铣的加工方案。为尽可能提高切割质量，以减少精镗铣余量并兼顾切割效率，在实际切割时选用的切割速度为250mm/min。

表4 数控切割速度的推荐值

（3）选择中性焰切割及13L/min的预热火焰能效 第一，通过调整氧乙炔的比例可以得到三种切割火焰，即：中性焰（即正常焰）、氧化焰和还原焰，三种切割火焰类型如图3所示。

中性焰是在还原区没有自由氧和活性炭，有三个明显的区域，焰芯有明显的轮廓（接近于圆柱形）。其焰芯温度为1000℃，还原区温度达3000℃，外焰即完全燃烧区温度在1200～2500℃.

氧化焰是在氧气过剩的情况下产生的，氧化焰的温度高于中性焰，如果使用氧化焰进行切割，将会使切割质量明显的恶化。

还原焰是在乙炔过剩的情况下产生的。

图3 切割火焰类型

根据大齿轮的辐板厚度和减重孔加工精度的要求，选择使用的是中性焰。

第二，预热火焰能效与切割速度、切口质量关系密切。随着被切割工件厚度的增大和切割速度的加快，火焰能效需增加。在切割时，预热火焰能效要恰当，若火焰太强（尤其在切割厚板时），金属燃烧产生的反应热增大，加快了对切割点前沿预热能力，这样就会对切口上边缘严重熔化塌边；反之，若预热火焰较弱，工件得不到足够能量，迫使切割速度降低，甚至造成切割过程中断。表5为火焰能效与工件厚度的关系

表5 氧乙炔预热火焰能效与工件厚度的关系

由于从动齿轮材料为18CrNiMo7－6，其合金元素含量较高，燃点较高，所以选择的预热火焰能效为13L/min。

5.切割余量的选择

为保证从动齿轮的使用性能和技术要求，对其减重孔火焰切割时留冷机械加工余量。火焰切割热影响区宽度5～6mm，同时为弥补割缝的不规则性，在实际火焰切割时留单边10mm的机加工余量，即减重孔火焰切割直径为110mm。

为验证机加工余量能够保证火焰切割热影响区完全去除，在减重孔加工到φ128mm时取铁屑和试块，进行化学成分、力学性能和金相组织分析，其结果和原齿坯材料试验对比相同，符合原材料技术指标。

6.结语

通过上述措施，在实际生产中获得了较好的火焰切割质量，从而大大提高了HXD2系列机车驱动单元从动齿轮8个φ130mm减重孔的加工效率，并降低了其加工费用。实践证明，以上措施为从动齿轮大批量生产提高效率和节约成本奠定了基础。