（机械工程专业论文）高速铁路轴承滚子半自动车床的改造.pdf

哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 摘要 目前高速铁路轴承成为轴承制造业重点开发产品之一，铁路大提速促使 轴承企业研发和生产高可靠性、高稳定性和长寿命的铁路轴承，以满足经济 发展和机械制造工业的不断进步。 本课题来源于生产的需要。面对激烈的市场竞争，企业开发出新型铁路 提速轴承。但是作为轴承零件之一的滚子因没有加工设备而成为工厂实际生 产技术难题。设计生产新型滚子加工设备，研发周期长，零件制造成本高； 重新购进新设备，又需要高额资金，这些都促使工厂必须以旧设备为基础进 行设备改造。 通过对企业闲置的c z 9 2 0 6 1 轴承套圈半自动车床进行全面评价后，认为 该设备仅仅是因为加工范围小而面临淘汰十分可惜，因此决定对其进行设备 改造。 本论文从机械设计、控制系统和机床加工能力试验三个方面介绍了机床 的改造。机械设计部分，设计了轴向直击式踢料装置，可以将滚子打入夹具 内，实现自动上料。控制系统部分，针对加工产品的工艺要求，分别对液压 系统、电气控制系统和气动控制系统进行设计和改造。电气控制方面改造了 可编程序控制器，重新设计p l c 软件程序。机床加工试验部分，在经过改造 后的车床上实现了滚子加工。通过仪器检测，发现所加工的滚子质量良好， 达到工艺技术要求，证明改造后的机床运行平稳可靠，能够满足滚子加工要 求，达到改造目的。 关键词：半自动车床；高速铁路轴承；滚子；设备改造 哈尔滨i ：稗大学硕十学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，h i g h s p e e dr a i l w a yb e a r i n gb e c o m e so n eo ft h ek e yd e v e l o p e d p r o d u c t so fb e a t i n gm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y h i g h l yr a i l w a ys p e e du pa c t u a t e st h e b e a r i n ge n t e r p r i s e s t o d e v e l o pa n dp r o d u c et h er a i l w a yb e a t i n gw i t hh i 【g h r e l i a b i l i t y , h i g hs t a b i l i t ya n dl o n gl i f ei no r d e rt os a t i s f yt h ec o n t i n o u sp r o c e s so f e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dm a c h i n eb u i l d i n gi n d u s t r y t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ed e m a n d so fp r o d u c t i o n e n t e r p r i s e sd e v e l o p e d n e wt y p eh i g h - s p e e dr a i l w a yb e a t i n gb e c a u s eo ft h ef i e r c em a r k e tc o m p e t i t i o n a s o n e p a r to f t h eb e a r i n g ，r o l l e rb e c a m et h et e c h n i c a lp r o b l e mo fr e a lp r o d u c t i o nd u e t ot h el a c ko fp r o d u c t i o ne q u i p m e n t h o w e v e r , t h ed e v e l o p m e n tc y c l eo fn e wt y p e r o l l e rm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n tw a sv e r yl o n g ，a n di tw o u l dr e s u l ti nh i g h m a n u f a c t u r i n gc o s t ；i ta l s od e m a n d e da i le n o r m o u ss u mo fm o n e yt ob u yn e w e q u i p m e n t a l lt h i sa c t u a t e dt h ef a c t o r yt oi m p r o v et h ef o r m e re q u i p m e n t a f t e ra no v e r a l le v a l u a t i o no fb e a r i n gr i n gs e m i - a u t o m a t i cl a t h ec z 9 2 0 6 1 w h i c hw a si n a c t i v ei ne n t e r p r i s e ，i t sa p i t yt h a tt h eo l dm a c h i n ew a sw a s h e do u t o n l yb e c a u s eo ft h el o ww o r kr a n g e ，s ow ed e c i d e dt oi m p r o v ei t t h em o d i f i c a t i o no fal a t h ew a si n t r o d u c e di nt h i sp a p e ra st h ef o l l o w i n g t h r e ep a r t s ：m e c h a n i c a ld e s i g n ，a l lk i n d so fc o n t r o ls y s t e ma n dp r o c e s sa b i l i t y e x p e r i m e n t f i r s t l y , a na x i sd i r e c tk i c k i n gd e v i c ew h i c hc a nk i c k e dt h er o l l e r si n t o t h ef i x t u r ew a sd e s i g n e d s e c o n d l y , t oa i ma tt h ep r o d u c t st e c h n o l o g y , h a d r a u l i c s y s t e m ，e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e ma n dp n e u m a t i cc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e d a st o t h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m ，e d i tp r o c e d u r ec o n t r o ld e v i c ew a st r a n s f o r m e da n d p l cs o f t w a r ew a si n t r o d u c e d f i n a l l y , as e r i e so fp r o c e s se x p e r i m e n t sw e r e t e s t e do nt h el a t h e b ym e a n so fi n s t r u m e n ta n a l y s i s ，i tw a sf o u n dt h a th i g hq u a l i t y p r o d u c t sc a nb ea c h i e v e du s i n gt h i sm o d i f i e dl a t h e i ts h o w st h a tt h em o d i f i e d g e n e r a ll a t h ec a nr u ns m o o t h l y , a n di tc a ns a t i s f ya l lt h eq u a l i f i c a t i o n sn e e d sf o r 哈尔滨1 1 犟大学硕十学何论文 t h er o l l e rm a n u f a c t u r i n g k e yw o r d s ：b e a r i n gr o l l e rs e m i - a u t o m a t i cl a t h e ；h i g h - s p e e dr a i l w a yb e a t i n g ； r o l l e r ；e q u i p m e n ti m p r o v m e n t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：施加 日期： 砧年月膳日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 母往授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：如砀导师( 签字) ：梆 日期：办矿年多月堙日卉呻年月，9 日 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 研究背景及课题来源 随着世界经济全球化的发展和中国加入w t o ，中国经济已融入世界经 济一体化，中国的制造业得到长足发展。轴承作为重要的机械基础件，其产 品的技术水平和质量直接影响中国轴承制造业的水平【l 】。在世界轴承市场， 中国已成为世界轴承制造大国，但不是强国，这是由于中国轴承在产品结构 上存在突出矛盾【2 】。一方面量大而广的普通轴承供大于求，市场竞争激烈； 另一方面高品质、高精度的轴承开发能力弱，市场短缺。为了应对中国加入 w t o 的市场挑战和激烈的市场竞争，使中国轴承工业融入世界经济大循环 中，就必须立足轴承行业，充分发挥各种优势，积极开拓创新，研发和生产 高精度、高附加值、高可靠性、高科技含量和低振动、低噪音、低摩擦轴承【l 引， 满足经济发展和机械制造工业的不断进步对轴承产品越来越高的要求。 本课题来源于轴承制造厂生产的需要。针对生产小型轴承市场日渐萎缩 的现状，企业立足现有，开拓创新，开发出具有高附加值、高精度、高技术 含量、高可靠性的中大型轴承新产品高速铁路轴承。但是作为轴承零件 之一的滚子因没有滚子加工设备进行车端面和车倒角工序的加工而一度成为 实际生产技术难题。设计生产新型滚子加工设备，研发周期长，零件制造成 本高；重新购进新设备，又需要高额资金，这些都促使工厂必须以旧设备为 基础进行设备改造，为此，工厂考虑改造现有的闲置机床c z 9 2 0 6 1 轴承套 圈半自动车床为高速铁路轴承滚子加工设备，利用它来实现滚子的车加工。 改造c z 9 2 0 6 1 轴承套圈半自动车床的必要性如下： ( 1 ) 普通轴承市场上供大于求，而高精密、高质量的轴承极具市场潜力【4 j ， 抢先机、争市场正是工厂发展的重要途径。 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 j1r ji i i i ( 2 ) 对零件精度、质量及生产高效性要求日益提高 面对激烈的市场竞争，市场对零件的精度、质量及生产高效性要求日益 提高，改造后的高速铁路轴承滚子半自动车床，能够集中工序加工滚子端面 和倒角，提高生产效率，并进一步优化产品质量。 ( 3 ) 工厂面临低费用成本加工的压力日益增强 设计生产新型滚子加工设备，研发周期长，零件制造成本高；重新购进 新设备，又需要高额资金，这些都导致了工厂必须依托旧设备进行设备改造。 1 1 2 课题的研究意义 改造c z 9 2 0 6 1 轴承套圈半自动车床能为生产提速滚子提供最低的制造 成本、良好的零件加工质量以及最快的市场投入进度，因此，改造c z 9 2 0 6 1 轴承套圈半自动车床为高速铁路轴承滚子加工设备，具有许多明显优点。 ( 1 ) 增加生产跨类型产品的能力 通过对机床的改造能使机床增加零件制造多样性的能力，从而更好的适 应多变的市场环境，增强产品的竞争力，提高工厂的创新能力。 ( 2 ) 优化滚子零件的精度和质量 应用高速铁路轴承滚子半自动车床加工零件滚子，同时进行端面和倒角 的车削加工，提高了产品的生产效率，改善表面粗糙度，优化滚子零件的精 度和质量。 ( 3 ) 降低了设备制造费用 将闲置机床改为滚子加工设备与重新设计专用滚子加工设备相比，可以 大大节约投资费用，缩短研发制造周期，降低生产费用，提高工厂产品产出 能力。 ( 4 ) 实现多样化加工 根据生产需要，对闲置设备进行改造，扩大了机床使用功能，提高了设 备利用率，填补了厂内空白。 由此可见，改造c z 9 2 0 6 1 轴承套圈半自动车床的实际应用价值，正是 2 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 本文对普通车床进行改造的目的和意义所在。 改造后的高速铁路轴承滚子半自动车床操作方便、性能可靠、加工质量 好、易于维修，使我们应用较少的投资获得较大的收获，为企业节约大量的 资金；同时也积累了设备改造经验，大大促进了企业的技术革新工作。 1 2 国内外与本课题研究内容相关的发展状况 1 2 1 国内外轴承发展现状比较 目前我国轴承工业由计划经济转向市场经济时间不长，轴承行业的装备 水平总体上还比较落后，技术档次和产品质量与世界先进水平相比还有很大 差距，国内轴承市场发育还不完善，低档次轴承产品总体规模过大，已呈现 供大于求状态，高附加值、高技术含量的专用轴承还需大量进口【5 1 。 就国内轴承产品现状看，我国轴承工业占据国内外市场仍困难重重主 要原因是国内轴承技术水平与国际先进水平相比，还有很大差距【6 。引。主要表 现为： ( 1 ) 行业生产集中度低。在全世界轴承约3 0 0 亿美元的销售额中，世界8 大跨国公司占7 5 - - - 8 0 。德国两大公司占其全国总量的9 0 ，日本5 家占其 全国总量的9 0 ，美国l 家占其全国总量的5 6 。而我国瓦轴等1 0 家最大的轴 承企业，销售额仅占全行业的2 4 7 ，前3 0 家的生产集中度也仅为3 7 4 。 ( 2 ) 产品水平低，质量不稳定。受技术水平、工艺装备及检测手段的限 制，我国轴承产品的质量水平一直未曾超越国外，相对国外轴承公司而言， 国外凭借更为先进的科研、生产和管理技术，产品水平已远远将我国落在后 面。如在高、精、尖的轴承方面，国内的精密轴承合格率为9 5 ，国外为9 8 ， 国外已批量生产z 3 组轴承，而国内仍徘徊在z 2 组。 ( 3 ) 工艺装备落后，制造水平低。我国轴承工业制造工艺和工艺装备技 术发展缓慢，车r o t 数控率低，磨加工自动化水平低，全国仅有2 0 0 多条自动 生产线。大多数企业，尤其是国有老企业中作为生产主力的仍是传统设备。 另外，即使是在轴承加工的重要设备中，具有国外8 0 年代水平的也仅占1 4 ， 气 哈尔滨一r ：稗人硕十学何论文 其余的设备只有国夕1 7 0 年代以前的水平。这些差距将无法保证重点轴承的生 产，从而失去市场竞争能力，严重阻碍我国轴承工业的发展。 ( 4 ) 研发和创新能力低。由于大多数企业在创新体系的建设和运行、研 发和创新的资金投入、人才开发等方面仍处于低水平，加上面向行业服务的 科研院所走向企业化，国家已没有对行业共性技术研究的投入，从而削弱了 面向行业进行研发的功能。因此，全行业“两弱两少 突出，即基础理论研 究弱，参与国际标准制订力度弱，少原创技术，少专利产品。当前我们的设 计和制造技术基本上是模仿，几十年一贯制。产品开发能力低，总体滞后于 高端产品发展的需求，导致近些年来，进口轴承大幅度增长，象高速铁路客 车、中高档轿车等重要主机的配套和维修轴承，基本上靠进口。 1 2 2 国内外铁路轴承发展状况 1 国内铁路轴承发展状况 目前各国铁路客运发展的共同趋势是高速、大密度；在货运方面，集中 化、单元化和大宗货物运输重载化是各国铁路发展的共同趋势。此种形势随 之而来便增加了对机车车辆零配件的需求，特别是代表轴承发展方向的高精 度、高附加值、高可靠性、高科技含量铁路轴承( 包括铁路客运和铁路货运 轴承) 。 铁路车辆包括货车、客车、机车、动车组、地铁及城市轻轨车辆等。“十 一五 我国铁路交通要实现跨越式发展，客运向准高速、高速发展，货运向 快速、重载方向发展。铁路轴承是铁路车辆快速安全行驶的重要承载零件， 与国家财产、旅客生命安全密切相关，因此要求铁路轴承必须具有很高的可 靠性、稳定性和长寿命，特别是目前我国铁路连续提速的情况下，轴承质量 就显得尤其重要。普通铁路轴承的生产能力已经大于实际需求，而高可靠性、 高稳定性和长寿命的准高速、高速客车轴承、快速重货车轴承还不能满足市 场需求，对进口的依赖性较高，是“十一五 技术、质量攻关的重点。 “十一五”计划期间，铁道部明确提出，为满足铁路大提速的要求，除 4 哈尔滨t 秤大学硕十学何论文 了采购中国自主研发的新型货车外，还要对已有货车进行改造，以达到时速 1 2 0 公里的要求，铁路货车轴承仍将充分受益于铁路货车重载提速。 铁路货车轴承包括新造铁路货车轴承和大修铁路货车轴承两种，主要应 用于铁路货车车辆。目前根据铁路车辆“十一五工作目标，我国货车总 保有量预计达到7 0 万辆，其中提速货车达到5 3 万辆。根据铁道部( ( 2 0 0 5 年 铁道统计公报，截止2 0 0 5 年我国仅有2 6 5 万辆货车满足提速要求。因此“十 一五期间我国将至少新增提速货车2 6 5 万辆，年均增加5 3 万辆，年需新 造铁路货车轴承4 2 4 万套。 另外，我国目前年修理货车的能力约为5 5 万辆，则年修理货车需要铁 路货车轴承数量为4 4 万套。因此“十一五 期间我国每年新增的对铁路货车 轴承的需求约为8 6 4 万套。预计到2 0 1 0 年，我国铁路轴承年需求总量为1 8 0 万套，其中铁路货车配套与维修轴承共需1 2 0 万套，比目前增长约3 8 8 8 ， 市场前景较为广阔。 另一方面，提速铁路客车和高速铁路客车配套的轴承需求量也剧增，到 “十一五”末期，高速铁路客车约1 6 万余套。为适应铁路客车大面积提速的 需要，对高速铁路客车轴承的研究也成为重点研究和开发的领域。 目前，在铁路轴承制造方面，我国的洛轴集团和成都天马轴承公司作为 轴承行业中的骨干企业，在铁路轴承方面取得的成果显著。其中洛轴集团有 限公司作为铁道部批准的中国铁路轴承行业中规模大、技术实力强的专业研 制生产铁路客、货、机车轴承的企业，下属的铁路轴承有限公司主导生产的 准高速铁路客车轴承、提速铁路货车轴承、铁路机车轴承均是“高新技术产 品”，其中准高速铁路客车轴承被列入“国家火炬计划项目”，铁路货车轴承已 成功出口国际市场。前不久建立一条具有国际先进水平的全自动铁路轴承生 产线。这是迄今为止世界上最先进的铁路提速轴承数控车加工生产线和高速 铁路轴承自动生产线，它将进一步满足国内铁路高速重载需要和未来轨道交 通的高速度要求。 另一个由成都天马铁路轴承有限公司组建成立的铁道部轴承也是我国定 哈尔滨i ：稃人学硕十学位论文 点生产铁路货车提速轴承、大修轴承、铁路机车轴承厂家。其主导产品除了 通用短圆柱滚子轴承近年国内市场占有率排名第一外，另一主导产品就是铁 路货车轴承，市场占有率在3 3 左右。 同时瓦轴也己建成了年产2 0 万套铁路货车轴承，年产8 万套客车轴承和 年产5 万套机车轴承生产基地。能够生产5 大类型、3 个精度等级、1 0 0 多种 规格的铁路机车、客车、货车轴承。其中e 轴、f 轴铁路货车轴承、牵引电 机轴承及机车轴箱轴承已为美国铁道行业配套多年 9 1 。公司研发的验收铁路 货车轴承动态质量虚拟仪及标准技术，创国内铁路货车轴承验收技术新纪录。 目前瓦轴已把生产高速铁路系列产品作为今后的发展重点。 2 国外铁路轴承发展状况 随着世界经济一体化进程的加快和世界贸易产品竞争的加剧，不仅国内 加快轴承产业创新发展的步伐，世界各国名牌轴承公司s k f 、t o r r i n g t o n 和 t i m k e n 依赖他们先进的轴承技术、高水平的设备制造能力，强大的创新能 力，先进的管理水平，也纷纷走出国门，到国外办企业，到中国办企业，和 我们进行激烈的市场竞争。其中高精度、高附加值、高可靠性的铁路轴承就 是国外着重在大型、高精密、高组合轴承产品竞争中努力的目标之一【10 1 。象 s k f 公司在铁路轴承领域已经占有重要的地位，不但在中国的铁路轴承市场 取得冠军，如今又开始扩大在全球各地的生产，比如欲在俄罗斯建厂，用于 生产铁路专用的圆锥轴承，以满足俄罗斯同益扩大的铁路轴承市场。德国也 在合并西北轴承厂占领在中国2 5 的铁路轴承市场。 国内的铁路轴承的技术水平与国外的轴承厂家仍保持一定的差距【l 卜1 2 】。 如我国客车时速1 6 0 公里d , 时以上全部依赖进口，而日本5 0 0 系新干线高速铁 路客车最高时速达n 3 0 0 k m h ，法国高速铁路客车达n 2 1 4 k m h 以上，德国和 法国的试验行车时速已高达5 0 0 k m h ，具备3 0 0 k m h 以上的商业运行条件。他 们设计的铁路轴承规格齐全、质量可靠，一般可达到9 9 以上，完全满足高 速铁路客车的行车要求，并进入了产业化生产阶段。 6 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 1 3 本文的主要研究工作 本课题源于生产实际，主要是为了解决高速铁路轴承滚子零件的加工问 题。目的是将企业中闲置的c z 9 2 0 6 1 轴承套圈半自动车床改造成高速铁路 轴承滚子加工设备，使其具备自动上料功能，能够实现滚子零件的加工，并 获得良好的产品质量。 主要工作内容： ( 1 ) 机械设计部分。对车床的部分机械结构进行改造，设计一个轴向直 击式踢料器，使滚子能够精准无误的进入夹具内，实现自动上料功能。 ( 2 ) 液压系统设计部分。针对机械动作要求分析设计液压控制系统，实 现各机械动作。 ( 3 ) 电气系统设计部分。在原机床p l c 控制回路的接线尽量不变动的 前提下改造电气控制系统，编写电气动作循环图，重新设计p l c 的软件程序， 进行p l c 程序的输入、调试等工作。 ( 4 ) 气动系统设计部分。充分利用空压站资源，设计气动控制系统作为 机械打料装置的动力，使改造后的高速铁路轴承滚子半自动车床解决上料难 题。 7 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 第2 章轴承滚子制造技术 轴承作为经济发展的先进制造技术业的关键机械基础件，是通用性很强、 标准化、系列化强度较高的机械基础件。由于工作条件不同，对轴承在载荷 能力、结构和使用性能等方面都提出了各种不同要求。例如，精密机械等 对轴承回转精度要求；高速机械对轴承的寿命要求，超静音机械对轴承的噪 声要求等，为此，滚动轴承需有各式各样的结构，但是最基本的结构是由内 圈、外圈、滚动体和保持架所组成。 滚动体是滚动轴承中最不可少的零件，没有滚动体就失去滚动轴承的意 义。滚子是滚子轴承中的滚动体，它与滚道呈线接触，能承受较大的负荷。 轴承在工作时，滚子的主要运动是本身的自转和绕滚道中心的公转。工作中 其表面接触应力很大，因此滚子的制造质量优劣对轴承的工作性能( 如旋转 精度、振动、噪声和灵活性等) 有很大的影响，是影响轴承使用寿命的主要 因素。实际使用和试验均表明，滚子是滚子轴承中最薄弱的零件【1 4 - 1 5 1 。 2 1 滚子制造工艺 2 1 1 滚子的分类和等级 按形状不同可分为圆柱滚子、圆锥滚子、球面滚子和滚针。按现行国家 标准g b t 4 6 6 1 2 0 0 2 滚动轴承圆柱滚子和机械行业标准j b t 1 0 2 3 5 - - 2 0 0 1 滚动轴承圆锥滚子技术条件的规定，圆柱滚子和圆锥滚子 分为0 、i 、i i 、i i i 四个等级，其产品精度依次由高到低【】。各个级别的滚子 所对应的轴承公差等级为： 0 级滚子：用于成品轴承为2 级公差的轴承。 i 级滚子：用于成品轴承为4 级公差的轴承。 i i 级滚子：用于成品轴承为6 、5 级公差的轴承。 i i i 级滚子：用于成品轴承为0 级公差的轴承。 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 0 、i 、i i 级滚子还用于有振动值要求的低噪声电机轴承中。 2 1 2 高速滚子制造一般过程和常用车削设备 虽然滚子的形状多种多样，但其加工过程大同小异，一般加工过程【l 7 j 为： 材料改制成形( 冷镦、车削、锻造) 一软磨外径或端面一热处理淬、回 火一磨端面一磨球基面( 产品有要求时) 一粗磨外径一细磨外径一终磨外径 一磨凸度( 产品有要求时) 一超精外径( i i 级以上精度的滚子) 。其中高速 滚子车制成形的工艺为车外径、端面和切断一车倒角和端面一车倒角。 滚子常用机械加工设备有：材料改制设备、成型设备、端面磨削设备、 外径磨削设备。 目前行业中对滚子改制成形实施冷镦、车削和锻造三种工艺方法，常用 成型设备有： 冷镦成型设备：用于加工直径2 5 m m 以下的滚子。有单工位单击卧式冷 镦机、单工位单击立式冷镦机、单工位双击卧式冷镦机和多工位卧式冷镦机。 车削成型设备和锻造成型设备：加工直径大于2 5 m m 的滚子。 其中在车削成型设备中对车削轴承滚子零件毛坯使用的车床多是在单轴 或多轴自动车床上用集中工序法或在普通车床上用分散工序法车削棒料直径 大的滚子。 企业中对一般滚子毛坯车削加工，按工艺常采用d f l 、d f 2 a 、d f 3 、d f 4 、 c 7 6 2 0 1 1 a 轴承滚子自动车床和单轴或多轴自动车床进行车外径、车端面和 切断后，直接移交到f d 2 0 0 车床进行角穴和倒角加工，不使用改造后的轴承 滚子半自动车床；相反对高速滚子毛坯车削加工而言，第一道工序先是由上 述这些车床对滚子棒料进行车外径、车端面和切断加工，然后移交到下工序， 由改造后的轴承滚子半自动车床进行车倒角和车端面加工后，再进行倒角加 工。以高速滚子巾3 2 5 2 为例，采用滚子棒料车削的典型加工过程为：车外径、 车端面和切断一车倒角和端面一车倒角，如图2 1 所示。 9 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 ( a ) 工位( 一)( b ) 工位( 二) 图2 1 滚子车削示意图 2 1 3 滚子制造常用车削刀具 刀具是产品车削加工的重要工具，它直接参与车削加工过程。车刀由刀 体和切削部分组成，按使用要求不同，可有不同的结构和选用不同的材料。 刀具的性能对车削加工效率和产品质量有着重要的影响【1 8 - 2 0 1 。 从刀具的功能分，车刀可分为七种类型，其中适合轴承滚子加工的主要 刀具类型有：直头外圆车刀、弯头车刀、切断刀、切槽刀等。 直头外圆车刀：主要用于车削工件外圆、也可车削外圆倒角。 弯头车刀：主要用于车削工件外圆、端面或倒角。 偏刀，分左偏刀和右偏刀：主要用于车削工件外圆、轴肩或端面。 车槽或切断刀：主要用于切断工件或在工件上车槽。 从刀具的材料分有：高速钢刀具、硬质合金刀、涂层合金刀、陶瓷刀、 金属陶瓷刀、p c b n ( 立方氮化硼) 刀具、p c d ( 人造聚晶金刚石) 刀具等， 不同材料的刀具的切削性能存在很大差异，因此其适合加工的工件材料也不 尽相同，本文中所用的刀具材料为w 1 8 c r 4 v 。 从刀具的结构形式分有：整体车刀、焊接式硬质合金刀、成形车刀等。 从刀具的切削性能分有：普通切削刀具和高速切削刀具。普通切削刀具 切削线速度在2 0 0 m m i n 以下，高速切削时切削线速度可以达到 5 0 0 m m i n 7 0 0 0 m m i n 。与传统车削加工相比，高速切削时切削线速度是普通 1 0 哈尔滨- v = 大学硕 学何论文 切削线速度的2 5 倍。轴承行业常用刀具为普通切削刀具，高速切削刀具适 用于数控车床和机械加工中心。 2 1 4 滚子车削工艺系统 滚子车削加工是指在车床上利用刀具和工件的相对运动，改变滚子的形 状和尺寸，使其成为具有一定几何形状，尺寸和几何精度及表面质量要求的 一种加工方法。在车削滚子时，主轴带动滚子旋转为主运动，而刀具纵向、 横向移动为进给运动【2 1 1 。本课题中车削加工轴承滚子零件的表面有端面和倒 角。车削加工后的质量为后序l n t - 提供了基础，直接影响精加工生产效率和 质量，是保证产品精度、形状和加工效率的一个重要工序，对产品质量造成 一定影响。 轴承滚子车削加工中的车床、刀具、滚子、夹具和量具等构成车削工艺 系统，在车削过程中，各因素的影响综合反映在l n t - 中，在整个车削区中产 生物理的、化学冶金及力学的现象【2 2 】，如图2 2 所示。 f 度 u 图2 2 车削过程现象框图 车削进程中产生的各种现象及其变化规律的识别和判定，是评价车削加 工工艺能力参数的指标吲。车削过程的任务是：( 1 ) 将滚子毛坯转变成具有 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 一定尺寸、形状、位置精度及表面质量性能的零件；( 2 ) 尽可能使车削过程 在最佳条件下进行，提高加工效率和降低成本，保证产品加工质量。 车削结果是评价车削加工质量的指标，如图2 3 所示。 表 i 裂纹与烧伤 面； l 麦面变质垦j 质 ， 残余应力 j 莹 加 里 工 l 表面层冷作硬化程度 质 量 形悼蛙寐 7 眵1 八斤目z 殳 精 脚粤裳奎f 睁 l 竺苎个丹喹i 度 厂万孺度 f 车 。一j 5 削 一 效率 ；结 经 i 果 济 性 - - t 成本 一 形状 切 形态 屑 一体积 图2 3 车削结果框图 轴承滚子车削加工工艺系统主要由四部分组成：轴承滚子零件、刀具、 车床、工艺( 包括工艺参数、切削液) 。对于指定的轴承零件，改变刀具、车 床和工艺将收到不同的车削效果，即不同的精度、表面质量和生产率。在车 削过程中，刀具和车床一经选定，则不再轻易变动，而车削的工艺参数，则 可变动。车削过程是一个复杂多变的过程，其物理模型如图2 4 所示。 哈尔滨一i ：拌人学硕十学位论文 图2 4 车削加工工艺系统模型 归纳起来滚子车削加工的工艺特点主要有以下几方面： ( 1 ) 易于保证滚子加工面的位置精度，车削时，滚子绕某同一轴线回转， 刀具在进行端面车削时能保证端面对轴线有较高的垂直度。 ( 2 ) 加工过程平稳，生产率高。一般情况下，滚子整个车削过程是连续 进行的，因此，车削时的切削面积和切削力基本上不发生变化，故车削过程 平稳，又因为端面和倒角工序同时加工，有利于生产力的提高。 ( 3 ) 刀具简单，成本低。车刀是金属刀具中结构最简单的一种，制造、 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 刃磨和安装都较方便，有利于提高加工质量和生产率。另外，c z 9 2 0 6 1 轴承 套圈半自动车床机电一体化程度高，适合于单件小批量生产，也适宜大批量 生产。 2 1 5 滚子制造新技术 随着滚动轴承设计理论的发展，滚子的结构也有新的设计，如带凸度的 滚子、滚子母线为对数曲线、端面为球基面的圆柱滚子。新的设计可以改善 滚子的受力状态、提高轴承使用寿命【2 4 乏5 1 。目前，针对以上设计的滚子加工 新技术有： 倾斜超精法：它是在直母线超精的基础上发展起来的，在超精时改变超 精辊的倾斜度，有意识的将滚子的两端多超掉一部分，形成外径凸度或对数 曲线。 圆柱滚子球基面范成磨削法：它是借用了调心滚子轴承外圈范成磨的。 2 2 滚子的寿命与可靠性 2 2 1 国内外滚子寿命的现状 我国目前生产的滚子轴承一般比国外一些大轴承公司生产的质量要低， 滚子对轴承寿命的影响在理论上仅次于内圈排第2 位，在国家轴承质量监督 检验中心近三年监督抽查寿命试验中，滚子破坏占轴承失效套数的比例分别 为：2 0 0 0 年为8 0 ，2 0 0 1 年为3 6 ，2 0 0 2 年为3 1 ，虽然在逐步减低，但 比例仍相当高，而国外名牌产品因滚子破坏而失效的比例却较低，甚至在有 些试验中为零。可以看出，不但球滚动体包含滚子滚动体一样与国外有差距， 还需滚动体行业不断努力。 2 2 2 影响滚子寿命的主要因素 从导致滚子破坏的原因分析，主要有下列影响因素，如图2 5 框图所示。 1 4 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 i 及 f 质； i 量： i 一 图2 5 影响滚子寿命因素框图 2 2 3 振动对滚动轴承质量的影响 滚子轴承的减振降噪，首先在电机行业，继而在汽车等行业要求越来越 严格，也越来越迫切【2 6 之8 1 。但与球轴承相比，滚子轴承的减振降噪工作一直 比较薄弱，质量水平一直在低水平徘徊，与国外名牌产品差距较大，在2 0 0 0 年以来国家轴承质量监督检验中心完成的圆锥滚子轴承振动检测试验中， 2 0 0 0 年共抽查2 0 个型号，振动合格率5 5 ，2 0 0 1 年共抽查2 0 个型号，振 动合格率7 0 ，2 0 0 2 年共抽查1 4 个型号，振动合格率6 4 ，但振动加速度 和振动速度在z 、z l 组、v 组，与国外s k f 产品相比，振动加速度差一级， 振动速度差二级。滚子精度国内普遍在i i i 级水平，部分i i 级，国外滚子公差 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 等级在o 级、i 级，国内滚子精度与国外至少差二级，在滚子制造技术，保 证工艺稳定性、提高滚子精度等方面仍需作大量的工作。 滚子的振动和噪声直接影响滚动轴承的寿命，在实际生产中要保证产品 的各项技术指标，提高产品质量【2 9 】。 影响滚子振动与噪声的主要因素很多，如图2 6 所示。 i 滚子振动与噪声i 图2 6 影响滚子振动和噪声冈素框图 2 3 引起国内外滚子零件质量差距的主要因素 我国滚动体在质量水平、工艺水平、装备水平和检测手段等方面与国外 先进水平相比，仍有差距【3 0 - 3 1 1 ，主要体现在以下几方面： 2 3 1 滚子产品设计和工艺编制 我国在滚子设计、工装设计、工艺编制和检测规程等方面，受线性思维模 式的束缚，在设计思想和设计理念上存在差距，缺乏创新求变的意识、认真细 致的研究和系统的综合分析，滚子产品的设计基本停留在5 0 - 6 0 年代水平， 产品开发能力低，总体滞后于高端产品发展的需求，同时设备、工装、原材料、 管理水平、工序质量控制能力和传统习惯的制约导致滚子生产工艺路线长，加 工留量大，加工遍数多，辅助工序多，上下料次数多。许多企业设计标准、磨 1 6 哈尔滨r 稃火学硕十学位论文 削规范多年不变，工装工具多年没有改进。造成产品设计相对落后，原材料浪 费，生产落后，原材料浪费，生产成本增加，工艺合理性差p 2 1 。 2 3 2 滚子制造装备 国内滚子的装备与工艺水平是轴承行业最落后的，基本上是5 0 - 6 0 年 代水平，直径巾2 4 m m 以下的圆柱、圆锥和调心滚子的毛坯成型基本上仍采 用普通的z 3 1 2 5 、z 3 1 1 3 冷镦机，采用盘料或直条料，由于是开式切料，切 料变形大，一次成型形位公差和尺寸大，外观质量差，也有厂家采用普通压 力机成型和采用单轴或多轴自动车床车削成型。而国外使用高速双击冷镦机， 封闭切料，原材料为盘料或棒料，国内盘料直径在巾1 0 m m 以下，而国外在 由2 1 m m 以下。 圆锥滚子外径磨削加工工艺装备国内普遍采用m 1 0 8 0 和x f 0 0 4 圆锥滚 子专用磨床。国外圆锥滚子外径采用高速高精度全自动磨床，如德国 m o d l e r 公司生产的粗磨外径的m t 8 5 s 和精磨外径的m t 8 5 l s 磨床。 圆柱滚子外径磨加工设备提高较大，国产m g t l o l o o 、m g t l 0 5 0 无心磨 床基本满足圆柱滚子生产要求，但圆柱滚子终磨端面磨加工设备和精研加工 设备无法满足要求，尤其在端面圆跳动、表面粗糙度难以达到i 级滚子标准。 调心滚子外径磨加工设备，新乡r 升公司和无锡机床厂生产的3 m 4 0 2 0 、 3 m 6 8 2 5 、3 m 6 8 5 0 外径磨床，加工几何精度和尺寸精度与国外设备接近，但 支承方式不同，国内为固定支承，国外为浮动支承。 在滚子外径超精加工方面，需进一步完善和优化超精导辊的设计及对数 曲线超精导辊磨床的开发3 3 1 。目前洛轴所、瓦轴、洛轴己作了大量工作，但 仍需完善，急需提高国内的装备水平。 2 3 3 检测仪器和检测方法 目前国内检测仪器相对落后，质量管理理念和方法还很原始，在质量管 理、质量检验、质量控制上，主要依靠事后把关检验，大部分专职检验人员 1 7 哈尔滨t 稃大学硕十0 ：何论文 采取传统的检验手段和方法进行质量把关，合格品是检验出来的，而不是控 制出来的。检测仪器和检测技术不具备信息化条件，造成生产过程中质量信 息反馈滞后，质量信息不真实甚至丢失，无法实现质量的预防控制。 2 4 滚动轴承车削技术的发展趋势 车削加工是轴承制造业中重要的加工工艺【3 引。目前滚动轴承零件的车削 加工技术随着it 、c n c 和材料等技术的发展而发展，或者说，它随基础科学 与工业技术的发展而同步发展【3 5 1 。对于车削技术，有一些新型超硬刀具材料 在应用，例女i i p c d 和p c b n 刀具等；数控车床或轴承专用数控车床以及自动 化车削生产线也在应用和发展中。虽然至今金属车削工艺的原理基本没有发 生变化，但是，在加工设备的自动化、智能化、精度、刀具材料、检测手段 等方面，均随着科学技术的发展而不断进步和更别3 6 】。 2 4 1 车削机床的应用及发展 由于滚动轴承是机械基础件，具有标准化、通用化的特点，适合于大批 量生产，因此，对于滚动轴承来说，在一段时间内，车削加工仍将是以普通 的自动、半自动车床为主，采用分散工序法进行加工。但是国内越来越多的 企业将会在规模较大的单一品种的生产中采用具有一定加工范围、工作效率 高、故障率低、工装更换便捷的车削自动短线加工的工艺方法，或者是应用 一些自动化程度高、可靠性好的数控设备来加工，达到既提高劳动生产率、 提高产品质量，又可以增加规模效益的目的。 相反，在发达国家，车削加工设备的c n c 化已达到相当高的程度。在c n c 技术基础上，全自动化生产设备或生产线已经很普遍【3 7 】。因此，传统意义上 的机械式自动车床，例如六角车床及多轴自动车床等，已部分被新型c n c 自 动车床所代替，这使得车削生产的全过程能够通过c a d c a m 手段来实现。 与此同时，数控车床的主轴转速也提高到了4 0 0 0 - 6 0 0 0 r m i n ，再次突破传统 加工速度极限，开创了更高车削速度的新历史。传统意义上的实体靠模仿形 1 8 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 车削加工机床也渐渐被c n c 型车床或c n c 自动化半自动化生产设备所取代。 c a d c a m 技术将得以广泛应用，基本过程如下：c a d 设计制图- c a m 编程 一工装准备一生产【3 8 】。 为此，相对于国外的轴承技术而言，我国的车削加工技术要不断发展与 进步，并在轴承零件车削生产中大量应用，就要实现下列目标：( 1 ) c a d c a m 集成化，从设计制图到车削生产。( 2 ) c n c 可编程车床，零件车削工艺可 编程与程序储存及数据交换。( 3 ) c n c 机床的高效化( 高精度高速化) 。 ( 4 ) 全自动生产线或柔性自动生产线。 2 4 2 刀具材料的研究和开发 由于刀具是实施切削加工的主体，因此许多切削技术的发展和应用都与 刀具技术密切相关。在刀具技术方面，新型刀具材料的发展是其最活跃的领 域。特别是近年来，各种难加工材料的出现和应用，高速切削和超高速切削、 精密加工和超精密加工的发展与应用，都对刀具特别是对刀具材料提出了更 高、更新的要求。同时，随着机床行业和刀具制造行业的迅速发展和企业高 生产率的需求，高速切削技术将越来越多地应用于轴承制造业，具有高速切 削性能的刀具也将会得到越来越多的应用【3 9 1 ，如：涂层刀具、金属陶瓷刀具、 p c b n 刀具、p c d ( 人造聚晶金刚石刀具) 等的应用。由此可见，具有高可 靠性、高强度、高抗震性的刀具材料的研究和开发将是今后刀具材料研究开 发的重点。 2 5 本章小结 本章主要阐述轴承滚子零件的一般制造工艺过程以及整个车削工艺系 统，着重说明影响滚子质量的诸多因素，并从滚子产品设计和工艺编制、滚 子制造装备、检测仪器和检测方法等方面阐述国内外轴承滚子的质量差距， 展望轴承制造业中对车削设备的应用、发展及对刀具材料的研究和开发。 1 9 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 第3 章车床的机械改造设计 3 1 机械打料装置设计方案 加工对象是巾3 2 5 2 规格的滚子，而原c z 9 2 0 6 1 轴承套圈半自动机床 加工范围是2 0 1 _ 2 0 6 型轴承或直径巾2 0 - 由6 4 套圈，轴承最大宽度是 1 6 m m ，当用该机床加工滚子时，因滚子长度是5 2 m m ，重量太重而使滚子的 重心置在“v 型托料块之外，无法托住。故参见图3 1 机床原机械手结构图， 考虑设计方案： 1 螺杆2 螺栓3 螺栓4 螺钉5 上料底板6 推料环 7 节