轨道车辆车轴通用外圆磨削砂轮设计

侯光亮 马文波 高昆仑

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266111

引言

当前，我国的轨道交通行业发展迅速，截至2022年初中国高速铁路总里程以及动车组保有量均居世界第一，“复兴号”中国标准动车组在京沪高速铁路、京津城际、京广高速铁路、成渝高速铁路等线路实现时速350km/h运行。标准动车组速度等级覆盖160km/h-350km/h。我国城市轨道交通线路在不断增加，城市轨道交通列车的种类也在不断增多，给人们的出行提供了极大的便利。轨道交通行业的迅速发展，不仅促进了经济社会的发展，也缩短了人们的出行时间，在关注列车速度的同时，也更关心列车的安全性与舒适性。

车轴是轨道列车走行部的关键部件，更关系到列车运行安全的重要结构，在列车运行时主要承受旋转弯曲载荷和扭转载荷，对于高速动车组列车车轴，其在高速状态下的受力情况更为复杂。

车轴外圆加工的过程主要有：车轴下料、粗车、精车、磨削等。通过利用机械设备对车轴外圆进行车削、滚压、磨削等加工，使车轴达到设计的形状和尺寸精度，以满足使用要求。在车轴加工过程中最关键及最难保证的部分是：轴颈和防尘板座、齿轮箱各座磨削，以上部位用于安装轴承、防尘挡圈和齿轮等组件，轴端、轴箱组装质量的好坏将直接影响车辆的运行品质和行车安全， 因此保证该部分的尺寸公差和形位公差是车轴加工工艺的关键。

1 车轴外圆磨削

车轴是转向架的重要结构之一[1]，车轴与齿轮、轴承、车轮、制动盘为过盈配合，所以车轴的加工质量对轮对的压装及装配来说至关重要。车轴外圆磨削作为车轴加工的最后一道工序，磨削质量对车轴的精度有很大的影响。

车轴外圆磨削是通过使车轴和砂轮产生相对运动，使砂轮切削车轴表面以使车轴尺寸及表面粗糙度达到设计要求。通常，车轴是在数控外圆磨床进行磨削加工的。

车轴成型磨削加工依次采用粗磨、半精磨、精磨、无火花磨削4个过程进行，并采用在线测量仪监控磨削过程中车轴轴颈尺寸变化情况，从而间接控制防尘 板座、轴颈根部、防尘板座根部的磨削尺寸。

1.1 典型车轴

车轴的材料主要是优质中碳钢和高强度合金钢[2]，车轴钢号主要包括引进的S38C、EA4T、30NiCrMoV12，以及自主研发的 DZ1，DZ2。列车车轴主要包括车轴结构、车轴全长、车轴载荷中心距、轴颈直径和宽度、防尘板座直径和宽度、轮座直径和宽度、制动盘座直径和宽度、轴身直径和宽度等主要技术参数[3]。

列车车轴是典型的阶梯轴，虽然不同车型的车轴在结构上略有不同，但车轴的主要结构是相同的[4]。车轴可以分为动车车轴和拖车车轴，动车车轴包括轴颈、防尘板座、轮座、齿轮箱座、挡圈座等结构，拖车车轮包括轴颈、防尘板座、轮座、制动盘座等结构。车轴的结构如下图所示。

图1 典型动车车轴结构示意图

1.2 砂轮结构

常用的车轴外圆磨削成型砂轮型号为：CS33A 541 KK 6 VB3；磨料是CS33A（氧化铝和碳化硅混合磨料）；黏结剂VB3为：陶瓷和树脂混合型；组织号为：6；砂轮硬度：中软；砂轮外径：760mm；内空径204.8mm；宽305mm。成型砂轮的组成包括以下几个方面：

磨料：磨料是制造砂轮的主要原料，它担负着切削工作。因此，磨料必须锋利，并具备高的硬度、良好的耐热性和一定的韧性。车轴磨削常采用棕刚玉砂轮（A）、白刚玉砂轮（WA）、单晶刚玉砂轮（SA）、铬刚玉砂轮（PA）等。

磨料的粒度表示磨料颗粒尺寸的大小，分为磨粒、微粉两种类型，粒度影响加工的质量和生产率，一般来说，磨料越细，Ra值越小。车轴磨削常用砂轮粒度一般为46#-60#。

结合剂：砂轮的强度、抗冲击性、耐热及抗腐蚀性能主要取决于结合剂的性能。常用结合剂如下：

表1 常用砂轮结合剂

组织是指砂轮中磨粒所占砂轮体积的百分比。砂轮组织等级的划分是以62%的磨粒体积百分数为“0”号组织，磨粒体积每减2%，其组织增加1号，以此类推，共分15号。车轴磨削用砂轮组织号一般为：6。

砂轮硬度指砂轮表面的磨粒在外力作用下脱落的难易程度，砂轮硬度分级代号如下：车轴磨削用砂轮硬度一般选择中软。

表2 砂轮硬度分级代号表

砂轮安装在数控外圆磨床砂轮架主轴部位，在进行切削加工时，砂轮高速旋转，最高线速度可达50m/s，通过相对运动产生切削力。由于车轴是阶梯轴，所以在进行车轴外圆磨削加工前，要根据车轴的尺寸对成型砂轮进行修形。

1.3 外圆磨削砂轮修形

外圆磨削砂轮修形也是在数控外圆磨床中进行的，根据车轴尺寸编制修形程序，用金刚刀对砂轮进行修形，使砂轮的外形符合磨削车轴部位的尺寸。通常磨削一种类型的车轴需要修形两种砂轮，一种砂轮用来磨削轴颈、防尘板座等部位，一种砂轮用来磨削齿轮箱各座等部位。

2 通用砂轮尺寸设计

由于车轴的生产模式以多品种、小批量为主，不同类型车轴磨削部位结构不同，需要匹配不同外形的砂轮，在换产时，需要频繁修整砂轮，并且砂轮修形的时间较长，砂轮的利用率不高。为了提高砂轮的利用率，对车轴的种类和尺寸进行研究，设计出通用的砂轮外形尺寸，使一种砂轮可以同时适用于多种车轴的外圆磨削加工。具体方法是：

2.1 通用砂轮1尺寸设计

通过分析研究29种车轴的径向和轴向尺寸结构，列出轴颈、防尘板座直径差，轴颈、防尘板座长度差如下表：

表3 轴颈和防尘板座尺寸

分析上表数据，得到通用砂轮1尺寸：

表4 通用砂轮1主要结构尺寸

在设计完成砂轮尺寸后，在车轴数控外圆磨床编写程序对砂轮进行修形、修整。

2.2 通用砂轮2尺寸设计

通过分析研究28种车轴的径向和轴向尺寸结构，列出轴颈、防尘板座直径差，轴颈、防尘板座长度差如下表：

表5 轴颈和防尘板座尺寸

分析上表数据，得到通用砂轮2尺寸：

表6 通用砂轮2主要结构尺寸

在设计完成砂轮尺寸后，在车轴数控外圆磨床编写程序对砂轮进行修形、修整。

2.3 通用砂轮验证

在通用砂轮尺寸设计完成后，按照设计尺寸，在车轴数控外圆磨床编写程序，对普通砂轮进行修形、修整，使其加工成通用砂轮。在班组施工现场用多种车轴对通用砂轮进行磨削验证，结果表明，通用砂轮可以满足所有车轴的外圆磨削加工要求。并且统型后的成型砂轮在轴颈、防尘板座等部位磨削时，只用两种型号的砂轮即可满足所有车轴的磨削要求，减少了换产后反复修整造成的砂轮浪费。采购的砂轮按照通用砂轮的设计尺寸进行生产，到货后即可使用，避免了砂轮大量修整造成的浪费。

3 结束语

本文通过对57种车轴外圆尺寸的分析和研究，设计了两种外圆成型磨削通用砂轮。通用砂轮1可以满足29种车轴的外圆成型磨削加工的需求，通用砂轮2可以满足28种车轴的外圆成型磨削加工的需求。并经过生产试验验证，两种通用砂轮可以保证车轴的磨削尺寸符合设计要求。与普通成型砂轮相比，通用砂轮可以满足所有车轴的外圆磨削加工要求，减小了因砂轮修形、修整造成的浪费，提高了砂轮的利用效率。