铁路轴承套圈磨加工自动线的研发与制造

田 军 刘金垓 顾荣军

(无锡机床股份有限公司，江苏 无锡214161)

重载铁路货车轴承为双列圆锥滚子结构，由一个双滚道轴承外圈，两个内圈，两组滚子及保持架等组合而成，结构复杂，制造精度要求高。轴承套圈需要磨削加工的面有内外圈的双端面、内圈内径、内圈大外径、内圈滚道、内圈挡边、外圈外径、外圈双滚道、外圈双牙口(如图1所示)，此外，内圈的滚道与挡边、外圈的滚道和外径还需超精加工。各加工面除自身的精度和形状(例如滚道的凸度)要求高外，在有些加工面之间还有严格的形位公差要求，这是原有轴承工艺装备难以达到的。随着我国轴承工艺装备在数控插补、复合磨削、高速大功率磨削、自动联线等诸多方面的技术突破，新一代的铁路轴承磨加工工艺装备已能满足高端铁路轴承套圈的磨加工要求，改变了传统的铁路轴承套圈磨加工工艺流程，而且能组成自动线实现高效生产。本文以锡机近些年发展的产品为例，对铁路轴承套圈磨加工自动线及其主要磨床的技术特点介绍如下。

1 工艺流程与磨加工自动线概述

1.1 工艺流程

在新型铁路轴承套圈磨加工工艺装备的支撑下，当前主流的铁路货车轴承套圈磨加工工艺流程如下:

(1)内圈磨加工工艺流程

粗磨双端面—粗磨滚道与大外径(滚道和大外径同时磨削)—粗磨挡边—粗磨内径—热处理—终磨双端面—细磨滚道与大外径(滚道和大外径同时磨削)—细磨内径—终磨滚道—终磨挡边—终磨内径—超精滚道和挡边。

(2)外圈磨加工工艺流程:

粗磨双端面—粗磨外径(无心磨)—粗磨双滚道及牙口(双滚道及牙口同时磨削)—热处理—终磨双端面—细磨外径—细磨双滚道及牙口(双滚道及牙口同时磨削)—终磨外径—终磨双滚道—超精滚道、抛光外径。

1.2 磨加工自动线概述

根据上述典型工艺流程，各铁路轴承生产厂家结合自身实际情况，对纳入自动线的工序进行了选择，有的将套圈的粗磨、热处理到终磨及超精全部纳入自动线，有的则只将套圈的细磨、终磨和超精等最重要的工序纳入磨加工自动线，还有的把套圈热处理前的粗磨和热处理后的细磨、终磨、超精分别组成自动线。图2为内圈从细磨到超精的磨加工自动线示意图，主机分别为2台内圈滚道磨床3MK2125、2台套圈内圆磨床3MK2025、1台内圈挡边磨床3MK2225、1台内圈滚道及挡边超精机3MK3325。图3为外圈从细磨到超精的磨加工自动线示意图，主机分别为2台外圈外径磨床3MK2125/1、2台外圈滚道磨床3MK2332、1台外圈滚道及外径超精机3MK3432。图中的自动联线中，外圈采用2台双竖轴机械手(图4)进行上下料，内圈采用3台四轴桁架机械手(图5)进行上下料。

由于铁路轴承套圈的重量重惯性大，采用链板输送提升的上下料方式会造成工件严重的磕碰伤，噪音大，也会造成机床损伤，因此，铁路轴承套圈的磨加工自动线联线装置采用的是桁架(或称龙门式)与机械手相结合的上下料方式。

在自动联线装置中，钢架结构的桁架并架于机床上方，机械手在桁架上能实现左右(X轴)前后(Y轴)上下(Z轴)运动，并具有旋转功能和对工件传输的认向功能，可对工件进行姿态变换。工件由机械手从料仓送至加工工位，加工完后由机械手从夹具上搬运至下一工序。整个过程中，工件传送平稳，噪音≤75 dB，无冲击、平移、翻转发生。机械手对工件无磕碰拉毛伤，工件上下料和转序过程无撞击，可彻底解决以往链板输送提升上下料方式导致的工件磕碰伤和噪音大等问题。工件运送途径具有防止磨削液泄漏的装置和防止人进入的防护栏，安全环保性强。联线的加工节拍可任意调整，联线装置可以按加工套圈型号范围调整具体尺寸规格。联线具备料空、料满自动报警功能，部分工序加工工件超前或滞后时，联线可系统控制，保证生产节拍的一致性。

在磨加工自动线中，除了磨超主机、退磁清洗机外，还配备有机外检测机，可进行在线测量反馈。例如:自动线中配备的外径机外检测机具有检测外径尺寸、锥度、椭圆的功能，测量精度为重复精度0.001 mm/20次;采取工件平放、测头立放的检测方式;检测机能实现数据统计并输出到外围设备，能根据检测数据发出修正信号反馈到磨削设备，可以准确显示和数字量输出工件外径值、锥度值、椭圆值、累计加工数量、次品数量、返工数量、CPK值以及X/R曲线图;此外，检测机还具有选别功能，在检测完成之后，会将检测的结果与设定的样品进行比较，若选下来的工件是合格品，将它放行进入下道工序，否则会将不合格品剔入不合格品料盘。

整条磨加工生产线可完成主机设备上料、抽检出料、下料以及检测过程的自动化，满足相互关联部分的节拍要求，实现柔性化生产，达到“节省人力成本”、“提高生产效率”等要求。此外，还可把各机床工位与上层控制计算机集成连接在一起，实现制造企业现代化生产车间自动化网络管理。可通过数据长期采集记录，进行系统数据的详细分析，对管理者改善工厂管理提供数据支持。可通过对产品过程质量统计数据记录，对各序列号工件的各工序检测数据进行检索，实现每一工件的质量追溯管理，为实现产品全生命周期管理奠定了良好基础。

2 磨床主机的特点与主要技术突破

机器人、机械手等智能化传输设备的发展为各种形状复杂工件的自动化联线生产提供了条件，但决定铁路轴承套圈磨加工自动线水平高低的最根本因素是生产线中各工序磨床主机的性能好坏。唯有主机稳定可靠的动静态工作性能才能支撑磨加工自动线大批量的高效生产。

2.1 组线磨床主机的性能特点

2.1.1 内圈线主要磨床的特点

内圈线所加工的轴承套圈工件尺寸为:套圈孔径Φ100～180 mm，套圈外径Φ130～260 mm，套圈宽度40～200 mm。内圈线的主机主要有内圈双端面磨床、内圈滚道磨床、内径磨床、内圈挡边磨床、内圈滚道及挡边超精机等5种。其中最关键的磨床为内径磨床、内圈滚道磨床、内圈挡边磨床等3种，其终磨机床的工作精度均可达到重载铁路货车轴承精度要求。内圈磨削示意图见图6。

各磨床的主要性能特点如下:

(1)3MK2025数控轴承套圈内圆磨床

适用范围:用于加工轴承套圈内径。

主机净重:8 000 kg。

主机外围尺寸:3 200 mm×2 200 mm×2 100 mm。

加工工艺:机床采用多磁极电磁无心夹具，吸端面，支滚道磨内径，工件进给砂轮振荡(伺服)磨削;定程或仪表尺寸控制;通过单点倒抬修整器修整砂轮，伺服电动机自动补偿。

机床结构特点:机床采用内圆式布局，工件进给砂轮往复;工件进给以及工作台往复均由伺服电动机+滚珠丝杠副传动，其导轨均采用平V贴塑减摩导轨;工件电动机变频调速;采用单点倒抬砂轮修整器;桁架与机械手相结合的机床顶部上下料方式。

(2)3MK2125数控内圈滚道磨床

适用范围:用于加工铁路轴承内圈滚道(粗细磨时含大外径)。

主机净重:10 000 kg。

主机外围尺寸:3 100 mm×2 000 mm×2 100 mm。

加工工艺:机床采用多磁极电磁无心夹具，吸端面，支滚道磨滚道，砂轮进给切入磨削(粗磨和细磨时同时磨削内圈滚道和大外径);通过单点双轴插补修整器修整砂轮，伺服电动机自动补偿;定程尺寸控制。

机床结构特点:机床采用无心式布局，工件架固定于机床左侧，手动调整工件前后位置;进给滑板置于机床右侧，砂轮架及修整补偿机构位于进给滑板上;进给滑板和修整补偿滑板均由伺服电动机+滚珠丝杠副传动;采用动压陶瓷喷涂砂轮主轴，由变频交流电动机通过V带驱动;机床采用单点双轴插补修整器，由伺服电动机+滚珠丝杠副传动;工件轴变频调速;桁架与机械手相结合的机床顶部上下料方式。

(3)3MK2225数控轴承内圈挡边磨床

适用范围:用于加工圆锥滚子轴承内圈挡边。

主机净重:8 000 kg。

主机外围尺寸:3 200 mm×2 200 mm×2 100 mm。

加工工艺:机床采用多磁极电磁无心夹具，吸端面，支滚道磨挡边，工件进给磨削;定程尺寸控制;单点直线修整器修整砂轮;伺服电动机自动补偿。

机床结构特点:机床采用砂轮往复移动，工件进给的布局形式;砂轮往复移动以及工件进给运动均由伺服电动机+滚珠丝杠副传动，其导轨均为平V贴塑减摩导轨;采用固定单点砂轮修整器;工件电动机变频调速;桁架与机械手相结合的机床顶部上下料方式。

2.1.2 外圈线主要磨床的特点

外圈线所加工的轴承套圈工件尺寸为:套圈外径Φ190～Φ320 mm，套圈宽度50～220 mm。外圈线的主机主要有外圈双端面磨床、外圈外径磨床、外圈双滚道及牙口磨床、外圈滚道及外圈外径超精机等4种。其中最关键的磨床为外圈外径磨床和外圈双滚道及牙口磨床两种，其终磨机床的工作精度均可达到重载铁路货车轴承精度要求。外圈磨削示意图见图7。

各磨床的主要性能特点如下:

(1)3MK2125/1数控轴承外圈外径磨床

适用范围:用于加工铁路轴承外圈外径。

主机净重:10 000 kg。

主机外围尺寸:3 100 mm×2 000 mm×2 100 mm。

加工工艺:机床采用多磁极电磁无心夹具，吸端面，支外径磨外径，砂轮进给切入磨削(也可工件往复、砂轮进给磨削);通过直线修整器修整砂轮，伺服电动机自动补偿。

机床结构特点:机床采用无心式布局，工件架置于机床左侧，伺服驱动工件轴向往复运动;进给滑板置于机床的右侧，砂轮架及修整补偿机构位于进给滑板上;进给滑板和修整补偿滑板均由伺服电动机+滚珠丝杠副传动;采用动压陶瓷喷涂砂轮主轴，由变频交流电动机通过V带驱动;机床采用单点直线修整器，由液压油缸驱动;工件轴变频调速;桁架与机械手相结合的机床顶部上下料方式。

(2)3MK2332数控轴承外圈滚道磨床

适用范围:用于加工铁路轴承外圈双滚道(粗细磨时含双牙口)。

主机净重:8 000 kg。

主机外围尺寸:3 200 mm×2 200 mm×2 100 mm。

加工工艺:机床采用多磁极电磁无心夹具，吸端面，支外径磨滚道，工件进给砂轮切入磨削(粗磨和细磨时同时磨削双滚道和牙口);双轴插补修整器修整砂轮，伺服电动机自动补偿。

机床结构特点:机床采用内圆式布局，工件进给砂轮往复;工件进给以及砂轮工作台往复均由伺服电动机+滚珠丝杠副传动，其导轨均采用平V贴塑减摩导轨;工件电机变频调速;采用双轴插补修整器;桁架与机械手相结合的机床顶部上下料方式。

2.2 主要技术突破

针对铁路轴承的结构特点、加工面的形状及精度、磨削效率及稳定性等方面的要求，锡机根据用户反馈的需求信息，从基础技术着手，进行了大量的实验研究，在如下几个方面实现了技术突破。

(1)动静态刚性与运动灵敏性的突破

机床的动静态工作性能和稳定性，不仅影响所加工轴承的尺寸精度，还影响套圈形状精度和磨削表面质量，进而影响轴承动态性能和使用寿命。为提高机床的动静态工作性能和稳定性，锡机在机床静态刚性研究的基础上开展了主轴轴心动态回转轨迹测试、远红外发热测试、进给机构定位精度与重复定位精度、机床导轨的承载能力和吸振性以及运动灵敏性等诸多方面的动静态刚性与运动灵敏性研究。在机床动静态刚性和运动灵敏性这一对相互制约的矛盾体中，找到了解决问题的关键点，通过机床相关部件结构形式的优化改进和零件加工及装配工艺水平的保证，实现了动静态刚性与运动灵敏性的双向突破，大幅提高了机床的动静态工作性能和稳定性，为批量稳定生产重载铁路货车轴承提供了基础保障。

(2)工件主轴回转精度的提高

试验研究表明，夹持工件的工件主轴回转精度是影响轴承加工精度的关键因素之一。为提高工件主轴回转精度，将原基型产品的箱体式主轴改为精密套筒式主轴，不但大幅提高了工件主轴的回转精度，还延长工件主轴的使用寿命，并且增强了工件主轴拆装维护的便利性。

(3)砂轮主轴动态性能的大幅提升

砂轮主轴的动态性能是影响磨削效率的最直接、最重要的因素，砂轮主轴动态性能的大幅提升，使得锡机铁路轴承套圈磨床的磨削能力得到重大突破。

在磨削外圆的机床砂轮主轴上，采用了动压陶瓷喷涂砂轮主轴(锡机发明专利)。这一主轴系统具有动静刚度高、阻尼大、惯性小、热膨胀系数小的特点，耐磨损且重负荷能力强，使用寿命长，而且维护方便。外圆砂轮可按60 m/s的线速度进行高速磨削，磨削效率可达0.01 mm/s以上。例如:余量0.6 mm宽83 mm的内圈滚道及大外径在3MK2125上的实际磨削时间为45 s，余量0.7 mm宽160 mm的外圈外径在3MK2125/1上的实际磨削时间为70 s。此外，机床主轴系还在原有径向动压控制的基础上增加了轴向动压控制，有效地消除了主轴轴向窜动对磨削精度的影响，提高了机床的磨削精度。

在磨削内圆的机床砂轮主轴上，锡机采用了近年研发的高精度、大功率、高刚性永磁同步电主轴。这一电主轴具有低速大转矩、负荷磨削时不降速的优点，同时具有外形小，损耗小，效率高，节电等优点。电主轴功率48 kW，最高转速为9 000 r/min，径向刚度300 N/μm，轴向刚度250 N/μm，动平衡精度G0.4级，径向跳动与轴向跳动均≤2μm。多次磨削试验表明，采用这一主轴的3MK2332数控轴承外圈滚道磨床可在50 s内磨削掉双滚道及双牙口0.8 mm的余量，并保证精度且无烧伤、振纹和暗棱，磨削效率极高。

(4)中大型轴承外圈外径磨削工艺的发展

以往，铁路轴承以及中大型圆锥滚子轴承外圈外径磨削主要靠无心磨床磨削，这一磨削工艺虽然磨削效率高，但很难保证轴承端面与外径的垂直度。根据在中小型圆锥滚子轴承外圈外径磨床上的设计制造经验，锡机在3MK2125基型机床基础上改型设计出3MK2125/1专门用于铁路轴承外圈外径的磨削。该机床采用多磁极电磁无心夹具吸住轴承端面，通过支撑外径磨外径的方式对轴承外圈的外径进行磨削，保证了端面与外径这两个基准面的垂直度。机床还具备工件轴向往复功能，可实现砂轮进给与工件往复的组合动作，既可解决外圈宽度大于砂轮宽度工件的外圆磨削问题，也可获得更好的磨削效果。

(5)复合磨削与数控插补技术的突破

铁路轴承套圈中，内圈的滚道及大外径、外圈的双滚道及双牙口在以往的工艺中因受装备性能的制约只能调头装夹磨削，生产效率低下且很难保证各加工表面间的位置精度和尺寸的一致性。锡机研发的铁路轴承内圈和外圈滚道磨床采取一次装夹多表面复合磨削，既提高了效率又保证了各磨削表面很高的形状、尺寸精度及位置要求。

多表面复合磨削以及滚道的凸度等形状要求，对砂轮的数控插补修整提出了非常高的技术要求。锡机在机床的研发制造中，一方面在砂轮修整器的刚性与灵敏度(见图8)等硬件上实现了突破，另一方面在圆弧模拟对数双曲线(见图9)上掌握了7段圆弧模拟技术，可以精确模拟修整出滚道所需凸度形状。

3 铁路轴承套圈磨加工自动线实施现状与发展展望

锡机于2013年承接生产的铁路轴承套圈磨加工自动线现已交付用户，目前处在安装调试阶段，这些装备即将接受大批量生产的考验。锡机将重点跟踪这些装备的使用情况，解决使用过程中暴露出来的问题，使新型装备尽快走向成熟。具体目标是与用户加强合作，努力使工序能力指数稳定在1.67以上。

铁路轴承套圈磨加工自动线的研发与制造，使得锡机的中大型滚子轴承磨削装备的水平有了较大幅度提高，也为这些基型产品向新型城市轨道交通轴承、高速动车组轴承套圈的磨削加工装备方面发展积累了宝贵的经验。目前，锡机为客户提供的轨道交通轴承套圈磨加工自动线也即将进入用户验收。在中大型滚子轴承磨床方面，下一步锡机将重点研发高速动车组轴承套圈的磨削加工装备。

在国家发改委于2013年2月公布的《关于修改产业结构调整指导目录(2011年本)》中，时速200 km以上动车组轴承、轴重大于30 t重载铁路货车轴承，使用寿命200万km以上新型城市轨道交通轴承等11类高端轴承产品，被列为我国产业结构调整的“鼓励类”产品，这将对我国轴承生产企业发展高端铁路及城市轨道交通轴承等高端轴承产品产生深远的影响。同时也将对锡机生产的轴承磨加工工艺装备提出更高的要求。锡机将努力加快这些高端轴承磨加工装备的发展步伐，为我国轴承企业的转型升级提供强有力的支撑。

［1］付焕清，麻辉，刘玉生，等.铁路轴承磨削加工桁架机械手自动线应用开发［J］.制造技术与机床，2013(9):22-26.