淺析車軸磨削直波紋產(chǎn)生機理及消除

馬文波　曹全奎　張德明

摘 要：分析了阿根廷電動車組動車車軸磨削過程，闡述了其軸承座和緊圈座磨削直波紋產(chǎn)生的原因及其解決措施，本著提高車軸磨削表面質(zhì)量，節(jié)能降耗，消除生產(chǎn)“瓶頸”的原則，對意大利MH3000D數(shù)控外圓磨床使用的砂輪進行了國產(chǎn)化，并優(yōu)化了磨削加工工藝。該項目具有很好的實際應用價值。

關鍵詞：車軸；直波紋；砂輪；國產(chǎn)化

中圖分類號：U270.33 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.072

在機車車輛車軸磨削加工過程中，因為車軸、工裝、設備等工藝系統(tǒng)存在問題，會導致產(chǎn)品實物質(zhì)量與圖紙要求不相符，甚至出現(xiàn)廢品。這樣，不僅增加了企業(yè)的制造成本，而且存在質(zhì)量問題的車軸裝車后，車輛在運行過程中會存在一定的安全隱患，嚴重時會導致車毀人亡。因此，要嚴格控制車軸的磨削質(zhì)量。這是對社會、企業(yè)、個人負責的表現(xiàn)。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

我公司車軸自動加工線磨削工位配置了2臺意大利莫羅拉公司生產(chǎn)的MH3000D數(shù)控外圓磨床，采用直進式切入磨削。磨削砂輪由奧地利泰利萊公司提供，結構尺寸為76 0mm×220 mm×204.8 mm。用這些設備磨削阿根廷電動車組動車車軸齒輪箱各座時，軸承座和緊圈座外圓表面出現(xiàn)嚴重的直波紋缺陷，影響了產(chǎn)品質(zhì)量。如圖1所示，軸承座與緊圈座兩處磨削外圓直波紋目視可見，用手觸摸存在較強的凹凸感，屬于比較嚴重的磨削表面質(zhì)量缺陷。兩座尺寸公差為0.029 mm，磨削加工后，可供修復直波紋的余量約0.01 mm。人工修復容易造成尺寸超差，導致車軸報廢，而且修復直波紋要占用設備、人員，耗時費力，形成了“瓶頸”工序。

2 原因分析

軸承座與緊圈座兩處磨削外圓直波紋出現(xiàn)的原因主要有以下幾點：①砂輪材質(zhì)與車軸材質(zhì)不匹配，砂輪硬度過高，磨粒分布不均勻，砂輪磨損不均勻，引發(fā)了磨削表面直波紋缺陷。②砂輪平衡性不好，砂輪已用鈍或修整不良（修整用量過細或金剛石已磨損）而不鋒利，都容易引發(fā)磨削表面直波紋缺陷。③磨削用量選用不合理，工件轉(zhuǎn)速過高，精磨時進給量過小，也會造成磨削表面直波紋缺陷。④車軸磨削外圓直徑過大或質(zhì)量過重。該車軸軸承座、緊圈座基本尺寸分別為?216.5 mm、?216 mm，車軸重450 kg，屬于較難磨削工件。

3 解決措施

鑒于上述原因，從調(diào)整砂輪磨料及粒度和硬度入手，合理選擇磨削參數(shù)，提高砂輪磨削能力，減少磨削激振。對于容易出現(xiàn)直波紋的軸承座和緊圈座，可采用數(shù)控編程為砂輪修型，改變原來的分段磨削方式，一次進刀即可將兩座磨好。同時，可增大磨削時砂輪和車軸的接觸剛度，減少激振發(fā)生。

3.1 調(diào)整砂輪型號

阿根廷電動車組車軸材質(zhì)為EA4T，它韌性比較大，硬度比較高，屬于較難磨削加工件。公司MH3000D數(shù)控外圓磨床所用砂輪一直由奧地利泰利萊公司提供，采用歐洲標準。如圖2所示，砂輪型號中磨料CS33A為氧化鋁和碳化硅混合磨料，黏結劑VB3為陶瓷和樹脂混合型。目前，國內(nèi)砂輪廠家還不能生產(chǎn)該型號砂輪。砂輪購置費用比較高，8.2萬元/個。車軸自動加工線2臺意大利MH3000D數(shù)控外圓磨床（該型號磨床為雙砂輪架）每年使用砂輪約10個。因此，相關工作人員結合車軸材質(zhì)和實際磨削狀態(tài)，適當調(diào)整了砂輪粒度、硬度和磨料，并檢驗了國產(chǎn)化單晶剛玉砂輪。實驗數(shù)據(jù)如圖3所示，車軸磨削質(zhì)量顯著提高了。

原砂輪型號：

改進砂輪型號1：磨削能力提高約30%.

改進砂輪型號2：磨削能力提高約10%.

國產(chǎn)化砂輪型號：磨削能力提高約30%.

單晶剛玉（SA）呈灰白色，其顆粒形狀多為等積形，晶體內(nèi)不含雜質(zhì)，具有多棱角的切削刃。在同樣的磨削力作用下，所形成的力矩小于其他磨料，因此，它不易折碎，機械強度比較高，單顆粒抗壓強度為22～38 kg，棕剛玉僅為10～20 kg。由于單晶剛玉有較高的硬度和韌性，所以，切削能力比較強，可用來加工工具鋼、合金鋼、不銹鋼、高鋇鋼等韌性大、硬度高的難磨材料。用單晶剛玉磨料燒結成的砂輪，其切削性能完全可以替代進口砂輪。此外，考慮到進口砂輪進貨周期比較長，一般為6～8個月，國產(chǎn)砂輪一般為15 d左右，并且國產(chǎn)砂輪費用比較低，3.8萬元/個。在充分論證的基礎上，選擇了國產(chǎn)砂輪。

3.2 做好砂輪平衡

砂輪是一種不均質(zhì)的物體，當砂輪高速旋轉(zhuǎn)時，質(zhì)量中心與旋轉(zhuǎn)中心不重合會引起振動，這種狀態(tài)稱為砂輪的不平衡。在生產(chǎn)過程中使用了不平衡的砂輪，將其作用在磨床軸承上，會使主軸產(chǎn)生振動，加快磨床主軸的磨損；如果將其作用在被加工車軸上，會使車軸磨削表面出現(xiàn)直波紋，加工精度和表面粗糙度變差。新砂輪不平衡的原因有以下2種：①內(nèi)在質(zhì)量均勻性（密度）不均?；炝?、成型攤料不均；燒結條件不均一，收縮不一致，反應不一致，造成密度不均；成型時幾何偏差會使得各處壓力不均。修整形態(tài)后，雖然達到了幾何精度，但密度仍不均。②幾何形狀精度（形位）偏差。兩端面不平行，砂輪內(nèi)外徑不同心。砂輪的不平衡原理如圖4所示，用垂直軸線的平面將砂輪分為相等的兩部分。這兩部分的重心分別為A1和A2。重心A1和A2位于不同平面上，既有靜不平衡，又有動不平衡。砂輪高速旋轉(zhuǎn)時會出現(xiàn)激振，磨削車軸外圓表面會出現(xiàn)直波紋缺陷。實際的砂輪都會出現(xiàn)這種情況。

在組裝新砂輪時，要注意檢查砂輪質(zhì)量，用木錘輕輕敲擊砂輪，聲音清脆有余音，證明砂輪合格；聲音短促沉悶，證明砂輪有裂紋，拒絕使用。砂輪做靜平衡時，要求砂輪每轉(zhuǎn)45°角都能停住。由于砂輪比較大（760 mm×220 mm×204.8 mm），砂輪上機修整后需做動平衡，平衡好的砂輪工作時動平衡值僅為0.02 um，如圖5所示。

3.3 磨削用量的調(diào)整

在選取磨削用量時，不僅要考慮車軸的材質(zhì)，還要考慮砂輪的磨損狀況。EA4T材質(zhì)塑性比較大，磨削時，產(chǎn)生的熱量比較多，磨削區(qū)溫度高達1 000 ℃，如果熔化的磨屑黏附在磨粒切削刃后刀面上，就會導致砂輪堵塞，引起砂輪切削能力急劇下降，磨削表面產(chǎn)生直波紋。為了優(yōu)化磨削參數(shù)，在磨削過程中，實時監(jiān)控設備、砂輪和磨削車軸的狀態(tài)，根據(jù)砂輪磨損狀態(tài)，動態(tài)優(yōu)化磨削用量。經(jīng)過大量的磨削對比實驗和結果檢測，確定最優(yōu)的磨削參數(shù)，具體如表1所示。調(diào)整后的磨削用量既消除了粗磨階段車軸過大的熱變形，又避免了精磨階段由于磨屑過細而引起的砂輪急劇堵塞導致磨削能力下降的情況。

3.4 調(diào)整磨削方式

公司車軸自動加工線MH3000D數(shù)控外圓磨床，磨削車軸時，采用直進式切入磨削。磨床所用砂輪為寬砂輪（220 mm），對于階梯軸外圓面，（阿根廷電動車組動車車軸磨削外圓面有13個）原來只能依次分步磨削，造成砂輪兩側磨損嚴重，磨削外圓面容易出現(xiàn)直波紋。為了避免直波紋的出現(xiàn)，需要經(jīng)常修整砂輪，所以，造成了砂輪的浪費。為了提高車軸磨削質(zhì)量和砂輪利用率，根據(jù)車軸齒輪座的結構形式，結合直波紋形成機理，通過反復的磨削對比實驗，優(yōu)化、改進了磨削方式——將原來的分步磨削方式改為成形磨削方式，一次進刀即可將軸承座、緊圈座兩座磨好。按照以上要求編制數(shù)控程序，為砂輪修型，提高砂輪與車軸磨削外圓的接觸剛度，消除工藝系統(tǒng)自激激振的發(fā)生。磨削方式改進后，不僅消除了車軸齒輪座、緊圈座的磨削外圓直波紋缺陷，而且大大提高了磨削效率和砂輪的利用率，具體如圖6所示。

4 結束語

通過分析磨削直波紋的產(chǎn)生機理，結合車軸、砂輪材質(zhì)，選擇了國產(chǎn)砂輪，優(yōu)化了磨削參數(shù)，調(diào)整了磨削加工工藝，從而解決了阿根廷電動車組動車車軸的軸承座和緊圈座磨削外圓直波紋問題。改善后，兩座砂輪磨削表面質(zhì)量滿足了工藝要求，如圖7所示。此外，國產(chǎn)砂輪價格便宜，供貨周期僅15 d左右。此項目一年可為公司節(jié)約砂輪購置費用44萬余元，而且解決了公司車軸自動加工線磨削工序遇到的生產(chǎn)“瓶頸”。

參考文獻

[1]李伯民，趙波.現(xiàn)代磨削技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[2]尹成湖.磨工工作手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.

〔編輯：白潔〕