淺析車軸磨削直波紋產(chǎn)生機(jī)理及消除

馬文波　曹全奎　張德明

摘 要：分析了阿根廷電動(dòng)車組動(dòng)車車軸磨削過(guò)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(duì)意大利MH3000D數(shù)控外圓磨床使用的砂輪進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化，并優(yōu)化了磨削加工工藝。該項(xiàng)目具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：車軸；直波紋；砂輪；國(guó)產(chǎn)化

中圖分類號(hào)：U270.33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.072

在機(jī)車車輛車軸磨削加工過(guò)程中，因?yàn)檐囕S、工裝、設(shè)備等工藝系統(tǒng)存在問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品實(shí)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(wèn)題的車軸裝車后，車輛在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)存在一定的安全隱患，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致車毀人亡。因此，要嚴(yán)格控制車軸的磨削質(zhì)量。這是對(duì)社會(huì)、企業(yè)、個(gè)人負(fù)責(zé)的表現(xiàn)。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

我公司車軸自動(dòng)加工線磨削工位配置了2臺(tái)意大利莫羅拉公司生產(chǎn)的MH3000D數(shù)控外圓磨床，采用直進(jìn)式切入磨削。磨削砂輪由奧地利泰利萊公司提供，結(jié)構(gòu)尺寸為76 0mm×220 mm×204.8 mm。用這些設(shè)備磨削阿根廷電動(dòng)車組動(dòng)車車軸齒輪箱各座時(shí)，軸承座和緊圈座外圓表面出現(xiàn)嚴(yán)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(jiàn)，用手觸摸存在較強(qiáng)的凹凸感，屬于比較嚴(yán)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(fù)直波紋的余量約0.01 mm。人工修復(fù)容易造成尺寸超差，導(dǎo)致車軸報(bào)廢，而且修復(fù)直波紋要占用設(shè)備、人員，耗時(shí)費(fèi)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(diǎn)：①砂輪材質(zhì)與車軸材質(zhì)不匹配，砂輪硬度過(guò)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(guò)細(xì)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(guò)高，精磨時(shí)進(jìn)給量過(guò)小，也會(huì)造成磨削表面直波紋缺陷。④車軸磨削外圓直徑過(guò)大或質(zhì)量過(guò)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(duì)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?cè)瓉?lái)的分段磨削方式，一次進(jìn)刀即可將兩座磨好。同時(shí)，可增大磨削時(shí)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(hào)

阿根廷電動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)。如圖2所示，砂輪型號(hào)中磨料CS33A為氧化鋁和碳化硅混合磨料，黏結(jié)劑VB3為陶瓷和樹(shù)脂混合型。目前，國(guó)內(nèi)砂輪廠家還不能生產(chǎn)該型號(hào)砂輪。砂輪購(gòu)置費(fèi)用比較高，8.2萬(wàn)元/個(gè)。車軸自動(dòng)加工線2臺(tái)意大利MH3000D數(shù)控外圓磨床（該型號(hào)磨床為雙砂輪架）每年使用砂輪約10個(gè)。因此，相關(guān)工作人員結(jié)合車軸材質(zhì)和實(shí)際磨削狀態(tài)，適當(dāng)調(diào)整了砂輪粒度、硬度和磨料，并檢驗(yàn)了國(guó)產(chǎn)化單晶剛玉砂輪。實(shí)驗(yàn)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(hào)：

改進(jìn)砂輪型號(hào)1：磨削能力提高約30%.

改進(jìn)砂輪型號(hào)2：磨削能力提高約10%.

國(guó)產(chǎn)化砂輪型號(hào)：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(jī)械強(qiáng)度比較高，單顆粒抗壓強(qiáng)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(qiáng)，可用來(lái)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(jié)成的砂輪，其切削性能完全可以替代進(jìn)口砂輪。此外，考慮到進(jìn)口砂輪進(jìn)貨周期比較長(zhǎng)，一般為6～8個(gè)月，國(guó)產(chǎn)砂輪一般為15 d左右，并且國(guó)產(chǎn)砂輪費(fèi)用比較低，3.8萬(wàn)元/個(gè)。在充分論證的基礎(chǔ)上，選擇了國(guó)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(dāng)砂輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，質(zhì)量中心與旋轉(zhuǎn)中心不重合會(huì)引起振動(dòng)，這種狀態(tài)稱為砂輪的不平衡。在生產(chǎn)過(guò)程中使用了不平衡的砂輪，將其作用在磨床軸承上，會(huì)使主軸產(chǎn)生振動(dòng)，加快磨床主軸的磨損；如果將其作用在被加工車軸上，會(huì)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。混料、成型攤料不均；燒結(jié)條件不均一，收縮不一致，反應(yīng)不一致，造成密度不均；成型時(shí)幾何偏差會(huì)使得各處壓力不均。修整形態(tài)后，雖然達(dá)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(dòng)不平衡。砂輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)激振，磨削車軸外圓表面會(huì)出現(xiàn)直波紋缺陷。實(shí)際的砂輪都會(huì)出現(xiàn)這種情況。

在組裝新砂輪時(shí)，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(shí)，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(jī)修整后需做動(dòng)平衡，平衡好的砂輪工作時(shí)動(dòng)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(shí)，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(shí)，產(chǎn)生的熱量比較多，磨削區(qū)溫度高達(dá)1 000 ℃，如果熔化的磨屑黏附在磨粒切削刃后刀面上，就會(huì)導(dǎo)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(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備、砂輪和磨削車軸的狀態(tài)，根據(jù)砂輪磨損狀態(tài)，動(dòng)態(tài)優(yōu)化磨削用量。經(jīng)過(guò)大量的磨削對(duì)比實(shí)驗(yàn)和結(jié)果檢測(cè)，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(guò)大的熱變形，又避免了精磨階段由于磨屑過(guò)細(xì)而引起的砂輪急劇堵塞導(dǎo)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(dòng)加工線MH3000D數(shù)控外圓磨床，磨削車軸時(shí)，采用直進(jìn)式切入磨削。磨床所用砂輪為寬砂輪（220 mm），對(duì)于階梯軸外圓面，（阿根廷電動(dòng)車組動(dòng)車車軸磨削外圓面有13個(gè)）原來(lái)只能依次分步磨削，造成砂輪兩側(cè)磨損嚴(yán)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(fèi)。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(jié)構(gòu)形式，結(jié)合直波紋形成機(jī)理，通過(guò)反復(fù)的磨削對(duì)比實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化、改進(jìn)了磨削方式——將原來(lái)的分步磨削方式改為成形磨削方式，一次進(jìn)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(jìn)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(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析磨削直波紋的產(chǎn)生機(jī)理，結(jié)合車軸、砂輪材質(zhì)，選擇了國(guó)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(dòng)車組動(dòng)車車軸的軸承座和緊圈座磨削外圓直波紋問(wèn)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(guó)產(chǎn)砂輪價(jià)格便宜，供貨周期僅15 d左右。此項(xiàng)目一年可為公司節(jié)約砂輪購(gòu)置費(fèi)用44萬(wàn)余元，而且解決了公司車軸自動(dòng)加工線磨削工序遇到的生產(chǎn)“瓶頸”。

參考文獻(xiàn)

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

[2]尹成湖.磨工工作手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

〔編輯：白潔〕