CN103710509A - 高速动车组专用精密圆锥滚子的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速动车组专用精密圆锥滚子的制造方法，包括多工位高速冷墩成型、热酸洗、去应力退火、前清洗、淬火处理、低温冷处理、第一次回火、研磨、磁粉探伤、超精、清洗、外观、成品检验、尺寸分选、抽检表面质量、涂油和计数包装工序。采用多工位高速冷墩成型工艺实现锻件直接热处理，采用不完全淬火工艺，在可控气氛保护下热淬火处理，淬火后立即进行低温冷处理，冷处理后的钢球恢复至室温后，立即进入一次回火阶段，研磨时磨球基面是采用无磁方式，淬火后磨加工各相关工序均可一次完工。采用了本发明的工艺，提高了滚子的寿命，减少了材料损耗，降低了生产成本，提高了滚子毛坯的质量，减少了滚子的加工流程，提高了生产效率。

Description

高速动车组专用精密圆锥滚子的制造方法

 

技术领域

本发明涉及一种高速动车组轴承用圆锥滚子的制造方法，尤其涉及一种高速动车组专用精密圆锥滚子的制造方法。

背景技术

相比于我国已拥有自主知识产权高速动车组技术的现实，配套轴承的国产化应用仍是空白，这于正力求高端的装备制造业是一处短板。

目前大部分高速列车都属于全电气化驱动的动车组。动车组齿轮箱的输入轴转速很高，可达6000 r/min，输入轴轴承设计必须适用这种高速。因此齿轮箱的输入轴主要使用球轴承和圆锥滚子轴承。

轴箱轴承除了要支承列车重量及车辆载重所构成的静态和动态的径向负荷外，在车轴方向还要承受额外的非稳定力。轴箱轴承是走行装置中的一个重要组成部分，其可靠性对列车的运行安全性产生重大影响。轴箱轴承类型主要包括圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承和调心滚子轴承。

在高速动车组运行中，牵引电机轴承的可靠性及使用寿命等直接关系到列车的行车安全。用于牵引电动机的滚动轴承必须满足运行可靠和使用寿命长的挑战要求。牵引电动机的滚动轴承主要用来支承转轴，实现快速运转。在不利条件下，电机轴承可能会因电流通过出现损伤，即使电机的制造工艺很完善，磁力不对称也是无法避免的，它会在转子和定子之间引起感应电压，这样，就形成了通过轴承的电流回路。牵引电机轴承类型主要包括圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承。

高速动车组轴承用圆锥滚子主要的性能指标：精度等级达Ⅱ级，硬度达到62—63HRC，单粒硬度粒差小于0.5HRC，批硬度差小于0.8HRC，优于国际同类产品。

传统高速动车组轴承用圆锥滚子生产工艺存在以下缺点：

1）目前国内市场上的铁路货运专用精密圆锥滚子在选用的原材料是普通GCr15轴承钢，氧含量都在8-12PPM，其材料质量差、含氧量高，夹杂物多，钢的寿命较低，在滚子毛坯成型工艺上，直接采用低速冲压，开式切料方式将原材料制成圆锥形的有环带，小端有凸台并且尺寸离散型很大的滚子毛坯，其滚子成型质量不稳定，且滚子毛坯环带大，材料损耗大，使用模具更换频次高，生产费用偏高；

2）采用传统的热处理淬火、回火工艺不能改善材料的塑性和改变多种叠加的磨削应力状态，使产品容易出现早期疲劳、剥落、甚至开裂；

3）传统滚子热处理没有设置超低温冷处理工艺，而且球基面磨削也采用有磁磨削方式，滚子内部应力不能完全消除，容易出现早期疲劳，而且加工精度不高。

因此，需要提供一种耐磨损、高精度、高可靠性、长寿命、低成本的高速动车组专用精密圆锥滚子及其生产工艺。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种耐磨损、高精度、高可靠性、长寿命、低噪音的高速动车组专用精密圆锥滚子的制造方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高速动车组专用精密圆锥滚子制造方法，其创新点在于：包括多工位高速冷墩成型、热酸洗、去应力退火、前清洗、淬火处理、低温冷处理、第一次回火、研磨、磁粉探伤、超精、清洗、外观、成品检验、尺寸分选、抽检表面质量、涂油和计数包装工序；

所述多工位高速冷墩成型采用四工位高速镦锻机，速度为140～160件/分钟，滚子尺寸精度在0.02mm以内，滚子单重精确到0.05g以内；

所述淬火处理为不完全淬火工艺，采用可控保护气氛和微机碳势控制热淬火处理，99.5%氮气作为保护气氛，同时将甲醇和丙烷按单位时间消耗比20～30ml/h:150～200 ml/h的比例通入炉膛形成1000Mpa的正压，在炉膛内达到1.00%的碳势进行钢球热处理；

所述低温冷处理工序中在淬火后立即进行低温冷处理，温度为-40～-30℃，冷处理时间为150～200分钟；

所述第一次回火工序中冷处理后的钢球恢复至室温后，立即进入一次回火阶段，回火温度为160～170℃，保温时间为240～270分钟；

所述研磨工序依次为硬磨外径Ⅰ、硬磨外径Ⅱ、磨球基面、硬磨外径Ⅲ，磨球基面时采用无磁方式加工。

进一步的，从硬磨Ⅰ开始到超精结束采用流水线加工。

进一步的，所述磨球基面工序机床采用无磁方式对圆锥滚子进行连续、通过式自动磨削，工件在磨削过程中一边自转，一边公转，实现进料、送入磨削区、粗磨、精磨、送出磨削区、卸料的全自动工艺。

本发明的有益效果：

本发明的生产工艺采用多工位高速冷墩成型，保证毛坯尺寸精度在0.02mm以内，滚子单重可以精确到0.05g以内，可以完全实现锻件直接热处理，生产效率提高100～50%以上；可控气氛热淬火处理和微机碳势控制使热处理后的滚子达到表面零脱碳的要求，避免了钢球在热处理时因表面脱碳可能造成淬火时表面拉应力过大出现显微裂纹的现象；磨球机面工艺采用无磁方式加工，从根本上杜绝了残磁对轴承产品的影响；滚子在在加工过程中，从硬磨Ⅰ开始一直到超精结束，整个过程实现流水线加工，从而达到不落地生产的效果，避免了滚子在加工过程中及搬运过程中出现的相互碰撞而产生的磕碰伤，并且能有效控制滚子批直径变动量。通过本发明的方法制造的滚子圆度≤0.8um，端跳≤3.0μm，规值批直径变动量≤2.0μm，规值批锥角变动量≤1.5μm，硬度为62～63HRC，单粒硬度粒差为0.5HRC，批硬度差为0.8HRC，残余奥氏体8～12%，金相组织2～3级，具有耐磨损、高精度、高可靠性、长寿命、低噪音等特点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作详细说明。

本发明的一种高速动车组专用精密圆锥滚子的制造方法主要包括以下步骤：1.多工位高速冷镦成型；2.热酸洗；3.去应力退火；4.前清洗；5.淬火处理；6.低温冷处理；7.第一次回火；8.研磨；9.磁粉探伤；10.超精；11.清洗；12.外观；13.成品检验；14.尺寸分选；15.抽检表面质量；16.涂油；17.计数包装。

1.多工位高速冷镦成型：原材料检验合格后采用四工位高速镦锻机锻造滚子毛坯，速度为140～160件/分钟，滚子尺寸精度在0.02mm以内，滚子单重精确到0.05g以内。

国内传统滚子冷镦工艺产品有环带，而且圆锥、球面、圆柱滚子均为锥型，因此长圆柱和长球面滚子大端的磨削余量非常大，最大高达1mm多，同时尺寸离散性高达0.3～0.5mm。采用四工位高速镦锻机生产的滚子在外观上已经很接近最终的产品了，而且其尺寸精度可以保证在0.02mm以内，滚子单重可以精确到0.05g以内，因此完全可以实现锻件直接热处理，取消淬火前去环、串光、软磨等所有工序，如果材料自身及热处理过程中可能引起的脱碳、碰伤等情况均能保证的话，其磨削余量可以压缩到极限，淬火后磨加工各相关工序均可一次完工。同时生产节拍也可进行明显的对比：国产Z31-25冷镦机72件/分钟，普通压力机30件/sin，而四工位高速镦锻机140～160件/分钟，因此生产效率提高了100～150%以上。

多工位高速冷镦成型后依次进行2.热酸洗；3.去应力退火；4.前清洗工序，所述工序均为常规工序。

5.淬火处理：前清洗工序后采用不完全淬火工艺进行淬火处理。在99.5%氮气保护气氛下进行淬火处理，氮气是一种惰性气体，是很好的热处理保护气氛，同时将甲醇和丙烷按单位时间消耗比为20～30ml/h:150～200 ml/h的比例通入炉膛形成1000Mpa的正压，在炉膛内达到1.00%左右的碳势（通过氧探头自动控制），在835～845℃温度条件小进行淬火处理，淬火时间42～50分钟，淬火处理后达到了表面零脱碳的要求，避免了滚子在热处理时因表面脱碳可能造成淬火时表面拉应力过大出现显微裂纹的现象。

6.低温冷处理：在淬火后立即进行低温冷处理，温度为-40～-30℃，冷处理时间为150～200分钟，目的在于促进马氏体的转变，进一步减少残余奥氏体。表1为未进行低温冷却处理和经过低温冷却处理的滚子性能的比较。

表1 未进行低温冷却处理和经过低温冷却处理的滚子性能的比较

7.第一次回火：冷处理后的钢球恢复至室温后，立即进入一次回火阶段，回火温度为160～170℃，保温时间为240～270分钟。目的在于充分去除滚子淬火时和冷处理的热应力和组织应力，促使滚子组织转变充分，稳定滚子尺寸，保证滚子的硬度同粒球散差≤0.5HRC,同批滚子硬度散差≤0.8HRC。

8.研磨：依次为硬磨外径Ⅰ、硬磨外径Ⅱ、磨球基面、硬磨外径Ⅲ，磨球基面时机床采用无磁装夹与驱动方式对圆锥滚子进行连续、通过式自动磨削。工件在磨削过程中一边自转，一边公转，并实现进料、送入磨削区、粗磨、精磨、送出磨削区、卸料的全自动过程。由于采用无磁方式加工，从根本上杜绝了残磁对轴承产品的影响。机床采用（SIMENS或FANUC）单轴全数字伺服控制系统，实现“人机对话”，并具有故障自诊断功能，系统稳定可靠。可方便的调整、操作和维护。专门设计的工装，模拟圆锥滚子在轴承中的运动，内盘（内圈）与外盘（外圈）的反向旋转，实现滚子的自转；隔离盘（保持架）的旋转实现滚子的公转。隔离盘的工作面和内盘的滚道面在磨削中实现对滚子的高精度定位。工装中的轴向定位、进给元件实现滚子在磨削工程中的轴向进给，并实现在光磨区统一长度尺寸和提高粗糙度的功能。安装在工装外盘上的金刚石笔随着外盘的旋转，在加工中不停的作修整运动，根据砂轮的性能、工件磨量的大小、工件的精度要求，设置合适的砂轮进给速度，可以始终保持砂轮球面形状和球面半径尺寸的准确性。采用专门的高速组合砂轮，砂轮的切削能力强，可以一次实现粗磨和精磨 ，获得很高的表面质量、精确的几何形状以及长度的一致性。

最后经过磁粉探伤、超精、清洗、外观、成品检验、尺寸分选、抽检表面质量、涂油和计数包装工序，上述工序均为常规方法。滚子在加工过程中，热处理之后从硬磨Ⅰ开始一直到超精结束，整个过程实现流水线加工，从而达到不落地生产的效果。采用不落地生产避免了滚子在加工过程中及搬运过程中出现的相互碰撞而产生的磕碰伤，且能有效控制滚子批直径变动量。

最终制得的滚子的性能指标：①硬度为62～63（HRC）、同一粒硬度差为0.5（HRC）；②批硬度差为0.8（HRC）；③残余奥氏体9-10%；④金相显微组织2-3级；⑤圆度≤0.7um；⑥规值批锥角变动量≤1.5μm；⑦端跳≤3μm；⑧规值批直径变动量≤2.0；⑨表面粗糙度Ra≤0.6um；⑩表面质量为零缺陷。

Claims (3)

1.一种高速动车组专用精密圆锥滚子的制造方法，其特征在于：包括多工位高速冷墩成型、热酸洗、去应力退火、前清洗、淬火处理、低温冷处理、第一次回火、研磨、磁粉探伤、超精、清洗、外观、成品检验、尺寸分选、抽检表面质量、涂油和计数包装工序；

所述多工位高速冷墩成型采用四工位高速镦锻机，速度为140～160件/分钟，滚子尺寸精度在0.02mm以内，滚子单重精确到0.05g以内；

所述淬火处理为不完全淬火工艺，采用可控保护气氛和微机碳势控制热淬火处理，99.5%氮气作为保护气氛，同时将甲醇和丙烷按单位时间消耗比20～30ml/h:150～200 ml/h的比例通入炉膛形成1000Mpa的正压，在炉膛内达到1.00%的碳势进行钢球热处理；

所述低温冷处理工序中在淬火后立即进行低温冷处理，温度为-40～-30℃，冷处理时间为150～200分钟；

所述第一次回火工序中冷处理后的钢球恢复至室温后，立即进入一次回火阶段，回火温度为160～170℃，保温时间为240～270分钟；

所述研磨工序依次为硬磨外径Ⅰ、硬磨外径Ⅱ、磨球基面、硬磨外径Ⅲ，磨球基面时采用无磁方式加工。

2.根据权利要求2所述的一种高速动车组专用精密圆锥滚子的制造方法，其特征在于：从硬磨Ⅰ开始到超精结束采用流水线加工。

3.根据权利要求2所述的一种高速动车组专用精密圆锥滚子的制造方法，其特征在于：所述磨球基面工序机床采用无磁方式对圆锥滚子进行连续、通过式自动磨削，工件在磨削过程中一边自转，一边公转，实现进料、送入磨削区、粗磨、精磨、送出磨削区、卸料的全自动工艺。