鐵路軸承套圈磨加工自動線的研發與制造

田 軍 劉金垓 顧榮軍

(無錫機床股份有限公司，江蘇 無錫214161)

重載鐵路貨車軸承為雙列圓錐滾子結構，由一個雙滾道軸承外圈，兩個內圈，兩組滾子及保持架等組合而成，結構復雜，制造精度要求高。軸承套圈需要磨削加工的面有內外圈的雙端面、內圈內徑、內圈大外徑、內圈滾道、內圈擋邊、外圈外徑、外圈雙滾道、外圈雙牙口(如圖1所示)，此外，內圈的滾道與擋邊、外圈的滾道和外徑還需超精加工。各加工面除自身的精度和形狀(例如滾道的凸度)要求高外，在有些加工面之間還有嚴格的形位公差要求，這是原有軸承工藝裝備難以達到的。隨著我國軸承工藝裝備在數控插補、復合磨削、高速大功率磨削、自動聯線等諸多方面的技術突破，新一代的鐵路軸承磨加工工藝裝備已能滿足高端鐵路軸承套圈的磨加工要求，改變了傳統的鐵路軸承套圈磨加工工藝流程，而且能組成自動線實現高效生產。本文以錫機近些年發展的產品為例，對鐵路軸承套圈磨加工自動線及其主要磨床的技術特點介紹如下。

1 工藝流程與磨加工自動線概述

1.1 工藝流程

在新型鐵路軸承套圈磨加工工藝裝備的支撐下，當前主流的鐵路貨車軸承套圈磨加工工藝流程如下:

(1)內圈磨加工工藝流程

粗磨雙端面—粗磨滾道與大外徑(滾道和大外徑同時磨削)—粗磨擋邊—粗磨內徑—熱處理—終磨雙端面—細磨滾道與大外徑(滾道和大外徑同時磨削)—細磨內徑—終磨滾道—終磨擋邊—終磨內徑—超精滾道和擋邊。

(2)外圈磨加工工藝流程:

粗磨雙端面—粗磨外徑(無心磨)—粗磨雙滾道及牙口(雙滾道及牙口同時磨削)—熱處理—終磨雙端面—細磨外徑—細磨雙滾道及牙口(雙滾道及牙口同時磨削)—終磨外徑—終磨雙滾道—超精滾道、拋光外徑。

1.2 磨加工自動線概述

根據上述典型工藝流程，各鐵路軸承生產廠家結合自身實際情況，對納入自動線的工序進行了選擇，有的將套圈的粗磨、熱處理到終磨及超精全部納入自動線，有的則只將套圈的細磨、終磨和超精等最重要的工序納入磨加工自動線，還有的把套圈熱處理前的粗磨和熱處理后的細磨、終磨、超精分別組成自動線。圖2為內圈從細磨到超精的磨加工自動線示意圖，主機分別為2臺內圈滾道磨床3MK2125、2臺套圈內圓磨床3MK2025、1臺內圈擋邊磨床3MK2225、1臺內圈滾道及擋邊超精機3MK3325。圖3為外圈從細磨到超精的磨加工自動線示意圖，主機分別為2臺外圈外徑磨床3MK2125/1、2臺外圈滾道磨床3MK2332、1臺外圈滾道及外徑超精機3MK3432。圖中的自動聯線中，外圈采用2臺雙豎軸機械手(圖4)進行上下料，內圈采用3臺四軸桁架機械手(圖5)進行上下料。

由于鐵路軸承套圈的重量重慣性大，采用鏈板輸送提升的上下料方式會造成工件嚴重的磕碰傷，噪音大，也會造成機床損傷，因此，鐵路軸承套圈的磨加工自動線聯線裝置采用的是桁架(或稱龍門式)與機械手相結合的上下料方式。

在自動聯線裝置中，鋼架結構的桁架并架于機床上方，機械手在桁架上能實現左右(X軸)前后(Y軸)上下(Z軸)運動，并具有旋轉功能和對工件傳輸的認向功能，可對工件進行姿態變換。工件由機械手從料倉送至加工工位，加工完后由機械手從夾具上搬運至下一工序。整個過程中，工件傳送平穩，噪音≤75 dB，無沖擊、平移、翻轉發生。機械手對工件無磕碰拉毛傷，工件上下料和轉序過程無撞擊，可徹底解決以往鏈板輸送提升上下料方式導致的工件磕碰傷和噪音大等問題。工件運送途徑具有防止磨削液泄漏的裝置和防止人進入的防護欄，安全環保性強。聯線的加工節拍可任意調整，聯線裝置可以按加工套圈型號范圍調整具體尺寸規格。聯線具備料空、料滿自動報警功能，部分工序加工工件超前或滯后時，聯線可系統控制，保證生產節拍的一致性。

在磨加工自動線中，除了磨超主機、退磁清洗機外，還配備有機外檢測機，可進行在線測量反饋。例如:自動線中配備的外徑機外檢測機具有檢測外徑尺寸、錐度、橢圓的功能，測量精度為重復精度0.001 mm/20次;采取工件平放、測頭立放的檢測方式;檢測機能實現數據統計并輸出到外圍設備，能根據檢測數據發出修正信號反饋到磨削設備，可以準確顯示和數字量輸出工件外徑值、錐度值、橢圓值、累計加工數量、次品數量、返工數量、CPK值以及X/R曲線圖;此外，檢測機還具有選別功能，在檢測完成之后，會將檢測的結果與設定的樣品進行比較，若選下來的工件是合格品，將它放行進入下道工序，否則會將不合格品剔入不合格品料盤。

整條磨加工生產線可完成主機設備上料、抽檢出料、下料以及檢測過程的自動化，滿足相互關聯部分的節拍要求，實現柔性化生產，達到“節省人力成本”、“提高生產效率”等要求。此外，還可把各機床工位與上層控制計算機集成連接在一起，實現制造企業現代化生產車間自動化網絡管理。可通過數據長期采集記錄，進行系統數據的詳細分析，對管理者改善工廠管理提供數據支持。可通過對產品過程質量統計數據記錄，對各序列號工件的各工序檢測數據進行檢索，實現每一工件的質量追溯管理，為實現產品全生命周期管理奠定了良好基礎。

2 磨床主機的特點與主要技術突破

機器人、機械手等智能化傳輸設備的發展為各種形狀復雜工件的自動化聯線生產提供了條件，但決定鐵路軸承套圈磨加工自動線水平高低的最根本因素是生產線中各工序磨床主機的性能好壞。唯有主機穩定可靠的動靜態工作性能才能支撐磨加工自動線大批量的高效生產。

2.1 組線磨床主機的性能特點

2.1.1 內圈線主要磨床的特點

內圈線所加工的軸承套圈工件尺寸為:套圈孔徑Φ100～180 mm，套圈外徑Φ130～260 mm，套圈寬度40～200 mm。內圈線的主機主要有內圈雙端面磨床、內圈滾道磨床、內徑磨床、內圈擋邊磨床、內圈滾道及擋邊超精機等5種。其中最關鍵的磨床為內徑磨床、內圈滾道磨床、內圈擋邊磨床等3種，其終磨機床的工作精度均可達到重載鐵路貨車軸承精度要求。內圈磨削示意圖見圖6。

各磨床的主要性能特點如下:

(1)3MK2025數控軸承套圈內圓磨床

適用范圍:用于加工軸承套圈內徑。

主機凈重:8 000 kg。

主機外圍尺寸:3 200 mm×2 200 mm×2 100 mm。

加工工藝:機床采用多磁極電磁無心夾具，吸端面，支滾道磨內徑，工件進給砂輪振蕩(伺服)磨削;定程或儀表尺寸控制;通過單點倒抬修整器修整砂輪，伺服電動機自動補償。

機床結構特點:機床采用內圓式布局，工件進給砂輪往復;工件進給以及工作臺往復均由伺服電動機+滾珠絲杠副傳動，其導軌均采用平V貼塑減摩導軌;工件電動機變頻調速;采用單點倒抬砂輪修整器;桁架與機械手相結合的機床頂部上下料方式。

(2)3MK2125數控內圈滾道磨床

適用范圍:用于加工鐵路軸承內圈滾道(粗細磨時含大外徑)。

主機凈重:10 000 kg。

主機外圍尺寸:3 100 mm×2 000 mm×2 100 mm。

加工工藝:機床采用多磁極電磁無心夾具，吸端面，支滾道磨滾道，砂輪進給切入磨削(粗磨和細磨時同時磨削內圈滾道和大外徑);通過單點雙軸插補修整器修整砂輪，伺服電動機自動補償;定程尺寸控制。

機床結構特點:機床采用無心式布局，工件架固定于機床左側，手動調整工件前后位置;進給滑板置于機床右側，砂輪架及修整補償機構位于進給滑板上;進給滑板和修整補償滑板均由伺服電動機+滾珠絲杠副傳動;采用動壓陶瓷噴涂砂輪主軸，由變頻交流電動機通過V帶驅動;機床采用單點雙軸插補修整器，由伺服電動機+滾珠絲杠副傳動;工件軸變頻調速;桁架與機械手相結合的機床頂部上下料方式。

(3)3MK2225數控軸承內圈擋邊磨床

適用范圍:用于加工圓錐滾子軸承內圈擋邊。

主機凈重:8 000 kg。

主機外圍尺寸:3 200 mm×2 200 mm×2 100 mm。

加工工藝:機床采用多磁極電磁無心夾具，吸端面，支滾道磨擋邊，工件進給磨削;定程尺寸控制;單點直線修整器修整砂輪;伺服電動機自動補償。

機床結構特點:機床采用砂輪往復移動，工件進給的布局形式;砂輪往復移動以及工件進給運動均由伺服電動機+滾珠絲杠副傳動，其導軌均為平V貼塑減摩導軌;采用固定單點砂輪修整器;工件電動機變頻調速;桁架與機械手相結合的機床頂部上下料方式。

2.1.2 外圈線主要磨床的特點

外圈線所加工的軸承套圈工件尺寸為:套圈外徑Φ190～Φ320 mm，套圈寬度50～220 mm。外圈線的主機主要有外圈雙端面磨床、外圈外徑磨床、外圈雙滾道及牙口磨床、外圈滾道及外圈外徑超精機等4種。其中最關鍵的磨床為外圈外徑磨床和外圈雙滾道及牙口磨床兩種，其終磨機床的工作精度均可達到重載鐵路貨車軸承精度要求。外圈磨削示意圖見圖7。

各磨床的主要性能特點如下:

(1)3MK2125/1數控軸承外圈外徑磨床

適用范圍:用于加工鐵路軸承外圈外徑。

主機凈重:10 000 kg。

主機外圍尺寸:3 100 mm×2 000 mm×2 100 mm。

加工工藝:機床采用多磁極電磁無心夾具，吸端面，支外徑磨外徑，砂輪進給切入磨削(也可工件往復、砂輪進給磨削);通過直線修整器修整砂輪，伺服電動機自動補償。

機床結構特點:機床采用無心式布局，工件架置于機床左側，伺服驅動工件軸向往復運動;進給滑板置于機床的右側，砂輪架及修整補償機構位于進給滑板上;進給滑板和修整補償滑板均由伺服電動機+滾珠絲杠副傳動;采用動壓陶瓷噴涂砂輪主軸，由變頻交流電動機通過V帶驅動;機床采用單點直線修整器，由液壓油缸驅動;工件軸變頻調速;桁架與機械手相結合的機床頂部上下料方式。

(2)3MK2332數控軸承外圈滾道磨床

適用范圍:用于加工鐵路軸承外圈雙滾道(粗細磨時含雙牙口)。

主機凈重:8 000 kg。

主機外圍尺寸:3 200 mm×2 200 mm×2 100 mm。

加工工藝:機床采用多磁極電磁無心夾具，吸端面，支外徑磨滾道，工件進給砂輪切入磨削(粗磨和細磨時同時磨削雙滾道和牙口);雙軸插補修整器修整砂輪，伺服電動機自動補償。

機床結構特點:機床采用內圓式布局，工件進給砂輪往復;工件進給以及砂輪工作臺往復均由伺服電動機+滾珠絲杠副傳動，其導軌均采用平V貼塑減摩導軌;工件電機變頻調速;采用雙軸插補修整器;桁架與機械手相結合的機床頂部上下料方式。

2.2 主要技術突破

針對鐵路軸承的結構特點、加工面的形狀及精度、磨削效率及穩定性等方面的要求，錫機根據用戶反饋的需求信息，從基礎技術著手，進行了大量的實驗研究，在如下幾個方面實現了技術突破。

(1)動靜態剛性與運動靈敏性的突破

機床的動靜態工作性能和穩定性，不僅影響所加工軸承的尺寸精度，還影響套圈形狀精度和磨削表面質量，進而影響軸承動態性能和使用壽命。為提高機床的動靜態工作性能和穩定性，錫機在機床靜態剛性研究的基礎上開展了主軸軸心動態回轉軌跡測試、遠紅外發熱測試、進給機構定位精度與重復定位精度、機床導軌的承載能力和吸振性以及運動靈敏性等諸多方面的動靜態剛性與運動靈敏性研究。在機床動靜態剛性和運動靈敏性這一對相互制約的矛盾體中，找到了解決問題的關鍵點，通過機床相關部件結構形式的優化改進和零件加工及裝配工藝水平的保證，實現了動靜態剛性與運動靈敏性的雙向突破，大幅提高了機床的動靜態工作性能和穩定性，為批量穩定生產重載鐵路貨車軸承提供了基礎保障。

(2)工件主軸回轉精度的提高

試驗研究表明，夾持工件的工件主軸回轉精度是影響軸承加工精度的關鍵因素之一。為提高工件主軸回轉精度，將原基型產品的箱體式主軸改為精密套筒式主軸，不但大幅提高了工件主軸的回轉精度，還延長工件主軸的使用壽命，并且增強了工件主軸拆裝維護的便利性。

(3)砂輪主軸動態性能的大幅提升

砂輪主軸的動態性能是影響磨削效率的最直接、最重要的因素，砂輪主軸動態性能的大幅提升，使得錫機鐵路軸承套圈磨床的磨削能力得到重大突破。

在磨削外圓的機床砂輪主軸上，采用了動壓陶瓷噴涂砂輪主軸(錫機發明專利)。這一主軸系統具有動靜剛度高、阻尼大、慣性小、熱膨脹系數小的特點，耐磨損且重負荷能力強，使用壽命長，而且維護方便。外圓砂輪可按60 m/s的線速度進行高速磨削，磨削效率可達0.01 mm/s以上。例如:余量0.6 mm寬83 mm的內圈滾道及大外徑在3MK2125上的實際磨削時間為45 s，余量0.7 mm寬160 mm的外圈外徑在3MK2125/1上的實際磨削時間為70 s。此外，機床主軸系還在原有徑向動壓控制的基礎上增加了軸向動壓控制，有效地消除了主軸軸向竄動對磨削精度的影響，提高了機床的磨削精度。

在磨削內圓的機床砂輪主軸上，錫機采用了近年研發的高精度、大功率、高剛性永磁同步電主軸。這一電主軸具有低速大轉矩、負荷磨削時不降速的優點，同時具有外形小，損耗小，效率高，節電等優點。電主軸功率48 kW，最高轉速為9 000 r/min，徑向剛度300 N/μm，軸向剛度250 N/μm，動平衡精度G0.4級，徑向跳動與軸向跳動均≤2μm。多次磨削試驗表明，采用這一主軸的3MK2332數控軸承外圈滾道磨床可在50 s內磨削掉雙滾道及雙牙口0.8 mm的余量，并保證精度且無燒傷、振紋和暗棱，磨削效率極高。

(4)中大型軸承外圈外徑磨削工藝的發展

以往，鐵路軸承以及中大型圓錐滾子軸承外圈外徑磨削主要靠無心磨床磨削，這一磨削工藝雖然磨削效率高，但很難保證軸承端面與外徑的垂直度。根據在中小型圓錐滾子軸承外圈外徑磨床上的設計制造經驗，錫機在3MK2125基型機床基礎上改型設計出3MK2125/1專門用于鐵路軸承外圈外徑的磨削。該機床采用多磁極電磁無心夾具吸住軸承端面，通過支撐外徑磨外徑的方式對軸承外圈的外徑進行磨削，保證了端面與外徑這兩個基準面的垂直度。機床還具備工件軸向往復功能，可實現砂輪進給與工件往復的組合動作，既可解決外圈寬度大于砂輪寬度工件的外圓磨削問題，也可獲得更好的磨削效果。

(5)復合磨削與數控插補技術的突破

鐵路軸承套圈中，內圈的滾道及大外徑、外圈的雙滾道及雙牙口在以往的工藝中因受裝備性能的制約只能調頭裝夾磨削，生產效率低下且很難保證各加工表面間的位置精度和尺寸的一致性。錫機研發的鐵路軸承內圈和外圈滾道磨床采取一次裝夾多表面復合磨削，既提高了效率又保證了各磨削表面很高的形狀、尺寸精度及位置要求。

多表面復合磨削以及滾道的凸度等形狀要求，對砂輪的數控插補修整提出了非常高的技術要求。錫機在機床的研發制造中，一方面在砂輪修整器的剛性與靈敏度(見圖8)等硬件上實現了突破，另一方面在圓弧模擬對數雙曲線(見圖9)上掌握了7段圓弧模擬技術，可以精確模擬修整出滾道所需凸度形狀。

3 鐵路軸承套圈磨加工自動線實施現狀與發展展望

錫機于2013年承接生產的鐵路軸承套圈磨加工自動線現已交付用戶，目前處在安裝調試階段，這些裝備即將接受大批量生產的考驗。錫機將重點跟蹤這些裝備的使用情況，解決使用過程中暴露出來的問題，使新型裝備盡快走向成熟。具體目標是與用戶加強合作，努力使工序能力指數穩定在1.67以上。

鐵路軸承套圈磨加工自動線的研發與制造，使得錫機的中大型滾子軸承磨削裝備的水平有了較大幅度提高，也為這些基型產品向新型城市軌道交通軸承、高速動車組軸承套圈的磨削加工裝備方面發展積累了寶貴的經驗。目前，錫機為客戶提供的軌道交通軸承套圈磨加工自動線也即將進入用戶驗收。在中大型滾子軸承磨床方面，下一步錫機將重點研發高速動車組軸承套圈的磨削加工裝備。

在國家發改委于2013年2月公布的《關于修改產業結構調整指導目錄(2011年本)》中，時速200 km以上動車組軸承、軸重大于30 t重載鐵路貨車軸承，使用壽命200萬km以上新型城市軌道交通軸承等11類高端軸承產品，被列為我國產業結構調整的“鼓勵類”產品，這將對我國軸承生產企業發展高端鐵路及城市軌道交通軸承等高端軸承產品產生深遠的影響。同時也將對錫機生產的軸承磨加工工藝裝備提出更高的要求。錫機將努力加快這些高端軸承磨加工裝備的發展步伐，為我國軸承企業的轉型升級提供強有力的支撐。

［1］付煥清，麻輝，劉玉生，等.鐵路軸承磨削加工桁架機械手自動線應用開發［J］.制造技術與機床，2013(9):22-26.