軌道車輛車軸通用外圓磨削砂輪設計

侯光亮 馬文波 高昆侖

中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東 青島 266111

引言

當前，我國的軌道交通行業發展迅速，截至2022年初中國高速鐵路總里程以及動車組保有量均居世界第一，“復興號”中國標準動車組在京滬高速鐵路、京津城際、京廣高速鐵路、成渝高速鐵路等線路實現時速350km/h運行。標準動車組速度等級覆蓋160km/h-350km/h。我國城市軌道交通線路在不斷增加，城市軌道交通列車的種類也在不斷增多，給人們的出行提供了極大的便利。軌道交通行業的迅速發展，不僅促進了經濟社會的發展，也縮短了人們的出行時間，在關注列車速度的同時，也更關心列車的安全性與舒適性。

車軸是軌道列車走行部的關鍵部件，更關系到列車運行安全的重要結構，在列車運行時主要承受旋轉彎曲載荷和扭轉載荷，對于高速動車組列車車軸，其在高速狀態下的受力情況更為復雜。

車軸外圓加工的過程主要有：車軸下料、粗車、精車、磨削等。通過利用機械設備對車軸外圓進行車削、滾壓、磨削等加工，使車軸達到設計的形狀和尺寸精度，以滿足使用要求。在車軸加工過程中最關鍵及最難保證的部分是：軸頸和防塵板座、齒輪箱各座磨削，以上部位用于安裝軸承、防塵擋圈和齒輪等組件，軸端、軸箱組裝質量的好壞將直接影響車輛的運行品質和行車安全， 因此保證該部分的尺寸公差和形位公差是車軸加工工藝的關鍵。

1 車軸外圓磨削

車軸是轉向架的重要結構之一[1]，車軸與齒輪、軸承、車輪、制動盤為過盈配合，所以車軸的加工質量對輪對的壓裝及裝配來說至關重要。車軸外圓磨削作為車軸加工的最后一道工序，磨削質量對車軸的精度有很大的影響。

車軸外圓磨削是通過使車軸和砂輪產生相對運動，使砂輪切削車軸表面以使車軸尺寸及表面粗糙度達到設計要求。通常，車軸是在數控外圓磨床進行磨削加工的。

車軸成型磨削加工依次采用粗磨、半精磨、精磨、無火花磨削4個過程進行，并采用在線測量儀監控磨削過程中車軸軸頸尺寸變化情況，從而間接控制防塵 板座、軸頸根部、防塵板座根部的磨削尺寸。

1.1 典型車軸

車軸的材料主要是優質中碳鋼和高強度合金鋼[2]，車軸鋼號主要包括引進的S38C、EA4T、30NiCrMoV12，以及自主研發的 DZ1，DZ2。列車車軸主要包括車軸結構、車軸全長、車軸載荷中心距、軸頸直徑和寬度、防塵板座直徑和寬度、輪座直徑和寬度、制動盤座直徑和寬度、軸身直徑和寬度等主要技術參數[3]。

列車車軸是典型的階梯軸，雖然不同車型的車軸在結構上略有不同，但車軸的主要結構是相同的[4]。車軸可以分為動車車軸和拖車車軸，動車車軸包括軸頸、防塵板座、輪座、齒輪箱座、擋圈座等結構，拖車車輪包括軸頸、防塵板座、輪座、制動盤座等結構。車軸的結構如下圖所示。

圖1 典型動車車軸結構示意圖

1.2 砂輪結構

常用的車軸外圓磨削成型砂輪型號為：CS33A 541 KK 6 VB3；磨料是CS33A（氧化鋁和碳化硅混合磨料）；黏結劑VB3為：陶瓷和樹脂混合型；組織號為：6；砂輪硬度：中軟；砂輪外徑：760mm；內空徑204.8mm；寬305mm。成型砂輪的組成包括以下幾個方面：

磨料：磨料是制造砂輪的主要原料，它擔負著切削工作。因此，磨料必須鋒利，并具備高的硬度、良好的耐熱性和一定的韌性。車軸磨削常采用棕剛玉砂輪（A）、白剛玉砂輪（WA）、單晶剛玉砂輪（SA）、鉻剛玉砂輪（PA）等。

磨料的粒度表示磨料顆粒尺寸的大小，分為磨粒、微粉兩種類型，粒度影響加工的質量和生產率，一般來說，磨料越細，Ra值越小。車軸磨削常用砂輪粒度一般為46#-60#。

結合劑：砂輪的強度、抗沖擊性、耐熱及抗腐蝕性能主要取決于結合劑的性能。常用結合劑如下：

表1 常用砂輪結合劑

組織是指砂輪中磨粒所占砂輪體積的百分比。砂輪組織等級的劃分是以62%的磨粒體積百分數為“0”號組織，磨粒體積每減2%，其組織增加1號，以此類推，共分15號。車軸磨削用砂輪組織號一般為：6。

砂輪硬度指砂輪表面的磨粒在外力作用下脫落的難易程度，砂輪硬度分級代號如下：車軸磨削用砂輪硬度一般選擇中軟。

表2 砂輪硬度分級代號表

砂輪安裝在數控外圓磨床砂輪架主軸部位，在進行切削加工時，砂輪高速旋轉，最高線速度可達50m/s，通過相對運動產生切削力。由于車軸是階梯軸，所以在進行車軸外圓磨削加工前，要根據車軸的尺寸對成型砂輪進行修形。

1.3 外圓磨削砂輪修形

外圓磨削砂輪修形也是在數控外圓磨床中進行的，根據車軸尺寸編制修形程序，用金剛刀對砂輪進行修形，使砂輪的外形符合磨削車軸部位的尺寸。通常磨削一種類型的車軸需要修形兩種砂輪，一種砂輪用來磨削軸頸、防塵板座等部位，一種砂輪用來磨削齒輪箱各座等部位。

2 通用砂輪尺寸設計

由于車軸的生產模式以多品種、小批量為主，不同類型車軸磨削部位結構不同，需要匹配不同外形的砂輪，在換產時，需要頻繁修整砂輪，并且砂輪修形的時間較長，砂輪的利用率不高。為了提高砂輪的利用率，對車軸的種類和尺寸進行研究，設計出通用的砂輪外形尺寸，使一種砂輪可以同時適用于多種車軸的外圓磨削加工。具體方法是：

2.1 通用砂輪1尺寸設計

通過分析研究29種車軸的徑向和軸向尺寸結構，列出軸頸、防塵板座直徑差，軸頸、防塵板座長度差如下表：

表3 軸頸和防塵板座尺寸

分析上表數據，得到通用砂輪1尺寸：

表4 通用砂輪1主要結構尺寸

在設計完成砂輪尺寸后，在車軸數控外圓磨床編寫程序對砂輪進行修形、修整。

2.2 通用砂輪2尺寸設計

通過分析研究28種車軸的徑向和軸向尺寸結構，列出軸頸、防塵板座直徑差，軸頸、防塵板座長度差如下表：

表5 軸頸和防塵板座尺寸

分析上表數據，得到通用砂輪2尺寸：

表6 通用砂輪2主要結構尺寸

在設計完成砂輪尺寸后，在車軸數控外圓磨床編寫程序對砂輪進行修形、修整。

2.3 通用砂輪驗證

在通用砂輪尺寸設計完成后，按照設計尺寸，在車軸數控外圓磨床編寫程序，對普通砂輪進行修形、修整，使其加工成通用砂輪。在班組施工現場用多種車軸對通用砂輪進行磨削驗證，結果表明，通用砂輪可以滿足所有車軸的外圓磨削加工要求。并且統型后的成型砂輪在軸頸、防塵板座等部位磨削時，只用兩種型號的砂輪即可滿足所有車軸的磨削要求，減少了換產后反復修整造成的砂輪浪費。采購的砂輪按照通用砂輪的設計尺寸進行生產，到貨后即可使用，避免了砂輪大量修整造成的浪費。

3 結束語

本文通過對57種車軸外圓尺寸的分析和研究，設計了兩種外圓成型磨削通用砂輪。通用砂輪1可以滿足29種車軸的外圓成型磨削加工的需求，通用砂輪2可以滿足28種車軸的外圓成型磨削加工的需求。并經過生產試驗驗證，兩種通用砂輪可以保證車軸的磨削尺寸符合設計要求。與普通成型砂輪相比，通用砂輪可以滿足所有車軸的外圓磨削加工要求，減小了因砂輪修形、修整造成的浪費，提高了砂輪的利用效率。