CN110394608A - 轨道交通用高精度轴承滚子的生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨道交通用高精度轴承滚子的生产工艺，步骤1、冷镦：利用四工位高速冷镦机将钢材拉丝后镦压成滚子毛坯。2、热处理：热处理是全自动网带炉热处理流水生产线。3、硬磨1；4、硬磨2；5、球基面；6、硬磨3；7、超精：超精研工艺是采用8块油石来回震荡，对滚子的滚道面进行加工；8、涡流探伤：本工序采用德国IBG生产的涡流探伤设备，该设备安装在超精机上，实现对滚子的展开，从而进行100%涡流探伤，主要检测滚子表面的缺陷及内部组织的裂纹。9、包装。本发明的优点通过四工位多次成型，不仅能够保证产品的成型精度，同时还能使材料的金属流向趋于合理，提高产品的使用寿命。

Description

轨道交通用高精度轴承滚子的生产工艺

技术领域

本发明涉及轴承滚子加工领域，具体涉及一种轨道交通用高精度轴承滚子的生产工艺。

背景技术

轴承是高铁装备中最重要、最关键、最核心的基础零部件，被誉为装备制造的“心脏”，直接决定着高铁主机产品的性能、质量和可靠性，并且轴承工业是国家基础性战略性产业，对国民经济发展和国防现代化建设起着重要的支撑作用。作为世界第三大轴承制造国，我国轴承产业已经形成了较大的经济规模，按2016年统计，我国轴承行业主营业务收入为1649亿元，轴承产量超过200亿套。我国轴承需求量占全球需求总量的26%以上，每年进口约40亿美元轴承，主要为高铁、高速动车、客运列车、城际轻轨等轨道交通产品的变速箱、齿轮箱、牵引电机等专用轴承配套，因此存在着很大的替代进口市场空间和发展潜力。

目前，国内轴承企业生产的轴承只能满足时速150-180公里的列车，而欧美少数发达国家高铁轴承能满足时速350-400公里列车的需求。例如，我国已掌握了拥有自主知识产权的高速动车组技术，但与之配套的轴承还全部依赖进口。近些年来，世界知名企业如瑞典SKF集团、德国舍弗勒集团、美国铁姆肯公司、日本NSK公司、NTN公司等凭借品牌、装备、技术、资金和生产规模的优势，在全球占有较大的市场份额。国内轴承行业粗放式的发展方式还没有完全转变，产业结构、研发能力、技术水平、产品质量、效率效益都与国际先进水平有较大的差距，其中轴承滚动体的品质是制约国内轴承行业发展的重要原因之一，因此高端精密轴承滚动体的发展有助于提升国内轴承制造业水平，加快实现国内知名轴承企业参与国际市场竞争的步伐。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种轨道交通用高精度轴承滚子的生产工艺，设计巧妙，工艺完善，提高了国内生产水平。

本发明的技术方案：

轨道交通用高精度轴承滚子的生产工艺，

1）冷镦：利用四工位高速冷镦机将钢材拉丝后镦压成滚子毛坯。

2）热处理：热处理是把冷镦后的滚子毛坯在固态范围内通过一定的加热、保温和冷却、清洗辅助完成对产品的淬、回火处理以改变其组织和性能，获取产品特性需求的一种关键工艺；项目热处理是全自动网带炉热处理流水生产线。

3）硬磨1：磨削滚子的外径，去除部分磨量，使滚子的滚道面达到工艺尺寸要求，为后续硬磨2、及硬磨3的滚道面几何精度打下基础。

4）硬磨2：磨削滚子的外径，去除部分磨量，使滚子的滚道面达到工艺尺寸要求，提高滚子滚道面的圆度、椭圆度指标，为后道球基面工序及硬磨3工序打下基础。

5）球基面：球基面工序是加工滚子的大端面，使其端面光滑平整，并形成图纸规定的曲率半径，同时使端面与滚道面轴线垂直。

6）硬磨3：本工序是加工滚子的滚道面，磨量控制在20μm左右，主要目的是为了提高滚子滚道面的粗糙度、圆度、椭圆度、凸度，为成品的波纹度指标打下基础。

7）超精：超精研工艺是采用8块油石来回震荡，对滚子的滚道面进行加工，以提高滚子滚道面的粗糙度、圆度精度和表面质量，以达到表面零缺陷要求，确保粗糙度、波纹度、圆度、凸度的技术指标达标。

8）涡流探伤：本工序采用德国IBG生产的涡流探伤设备，该设备安装在超精机上，实现对滚子的展开，从而进行100%涡流探伤，主要检测滚子表面的缺陷及内部组织的裂纹。

9）包装：为保障产品的一致性，同时为了避免磕碰伤的产生，本工艺采用自行研发的管式包装机对高精度产品进行管式包装。

所述的冷墩是四工位高速冷镦成型工艺，即料段整形，两次成型，产品整形，不仅能够保证产品的成型精度，将长度公差稳定的控制在0.02mm以内，还可以稳定的将产品的外径余量公差控制在单边0.08mm以内。

所述的热处理生产结束后，使用滚筒式抛丸机对热处理后的滚子进行抛丸处理，其主要目的是通过抛丸机内的钢沙喷到产品表面，将产品表面及凹穴和倒角上的氧化皮清理干净，这样对成品的清洁度提供了有利的保障；同时抛丸还有另一个目的，那就是通过滚筒的转动，将热处理结束的产品通过项目碰撞、相互击打的方式释放产品表面的残余应力，使产品的机加工性能更稳定。

抛丸结束的滚子直接上磨削生产线进行生产，通过转盘式理料机将产品按照小端朝前、大端超后的方式将产品依次送到输送带上，在输送带上的产品进入第一道外径磨削工序之前，采用磁场判定的方式将产品中有软点或热处理不合格的产品剔除，同时通过工业相机成像的方式，将产品中直径或长度相差0.1mm以上的产品和大小头颠倒的产品剔除出来。

在进入磨床之前，在机床进料口处采用压料轮将产品轻轻压在持续转动的输送带上，从而增加产品与输送带的摩擦力，使产品能够连续地送入机床，确保产品在磨削过程中的状态一致，不会出现断料的现象，这样不仅保证了整条生产线的生产节拍一致，同时还保证了产品在砂轮磨削的过程中受力稳定，有利于保证产品外径尺寸的一致性。

通过在硬磨1砂轮磨削位置增加气压传感器，对砂轮的脱粒情况进行监控，及时对脱粒的情况进行补偿，能够稳定、及时地对导轮架位置进行补偿，从而确保粗磨之后产品的外径尺寸一致性可以稳定控制在5μm范围以内；同时，粗磨工序为了去除多余的磨量，该设备采用下中心高的方法对滚子进行磨削，确保产品一次磨削量可以稳定达到0.15mm左右。

粗磨结束后，同样以输送带的方式将粗磨加工结束的产品一个一个地依次送入细磨机床内，进入细磨机床前，由于输送带敞开，因此为确保大小头倒置的产品不能进入机床，本工艺在产品进入机床前增加了两个防大头装置，并且在第二个防大头装置后增加了防护罩防止人为放料导致大小头倒置的产品进入机床。

针对硬磨2的加工设备，本工艺对机床增加了马波斯动平衡系统，同时机床进给机构增加了海德汉光栅尺，确保气压传感器反馈的砂轮脱粒情况能够得到有效的补偿，同时动平衡系统能够实时在线对砂轮进行动平衡，确保产品的圆度。

细磨工序，通过对设备相关辅助设施的增加，同时通过对粗磨磨量的控制，细磨工序磨削量基本控制在0.05mm左右，圆度基本控制在3μm以内，除此之外，产品的锥度本工艺都控制在0~+5μm以内，这样做的主要目的是根据球基面的加工原理，使球基面设备在驱动滚子自转时，受力点位于滚子的大端，从而保证了产品在磨削过程中磨削面不会出现跳动或不稳的现象，从而保证了产品的端跳和产品曲率半径的一致性。

细磨加工结束后，采用输送带将产品提升至1.5米左右，然后用尼龙管将输送带上的滚子送入球基面磨削位置；将砂轮的旋转中心与滚子的轴线呈30~40°的夹角，通过圆弧的计算来确定具体的角度，将滚子放置在V型块上，使用150目的橡胶砂轮来驱动滚子自转，由于滚子自身有锥度，驱动轮以恒定的压力驱动滚子自转后将滚子推向砂轮，通过砂轮与滚子的夹角及滚子的自转，将滚子的端面圆弧轮廓加工出来；该设备之所以能够稳定控制曲率半径，其主要原因是通过滚子和砂轮的磨削位置的运动轨迹来保证产品的圆弧轮廓的；为了确保产品的一致性，在冷镦工序毛坯产品设计时本工艺就对毛坯的形状进行了调整，本工艺将毛坯的端面加工成成品图纸所示的圆弧面，这样就使得滚子在磨削时不会出现磨削量过大的现象，并且滚子的倒角位置和凹穴位置的磨削量基本一致；除此之外，为了提高产品的精度，使其满足高铁产品的技术要求，本工艺对滚子球基面的波纹度进行了控制，波纹度的考核不仅考核了产品端面圆弧的球形误差，同时还考核了端面圆弧的端跳和粗糙度，因此如果这三项指标中的其中一项指标无法达到波纹度要求，波纹度判定指标都是不合格的。

球基面加工结束后仍采用输送带的方式将产品输送至终磨工序，本工艺通过五轴四联动导轮磨床将无心磨的导轮加工成所需的圆弧轮廓，同时将不同螺距内的螺旋面以一定的规律改变各个螺旋槽内的角度；砂轮修整时，本工艺采用的是伺服电机差补修整，将砂轮的轮廓修整成所需的轮廓，修整成R100000mm的圆弧轮廓，并且将无心磨的下托板修整成R1000000mm的圆弧面，通过砂轮的轮廓、导轮的轮廓和托板的轮廓，将产品以固定的轨迹进行磨削，从而将产品的凸度通过无心磨磨削的方式磨出来；除此之外，本工艺采用150#的橡胶砂轮进行磨削，将磨削量控制在0.03Mm左右；本工艺则是通过砂轮动平衡系统和托板中心高的设置来保证产品的圆度基本控制在1.0μm以内，除此之外，本工艺通过确保产品的连续进料保证设备能够连续稳定磨削，从而将产品的批直径变动量基本控制在1.5μm以内。

终磨加工结束的产品本工艺同样采用输送带的方式将产品依次送到超精工序，超精工序本工艺仅适用0.1MPa左右的压力对产品表面进行超精，该工序超精的主要目的是对产品的表面进行抛光；确保产品的一致性，本工艺对超精机进行了改进：增加了气压传感器，在供气压力不稳或供气压力不足时，设备无法正常开启；增加了油石限位传感器，当油石到达限位时设备自动停机并提示更换油石，防止因油石耗尽造成产品超精的状态不一致从而导致产品的轮廓和外径尺寸造成很大的散差。

为确保高铁产品安全可靠，在超精机上本工艺安装了涡流探伤系统，通过涡流探伤系统，能够将产品浅表层裂纹及烧伤全部探测出来并剔除出来，防止不合格品流到下一工序造成缺陷产品的流失。

超精出料后，本工艺采用硬度分选仪对产品的硬度进行检测，将产品的硬度差超过1.5HRC的产品剔除；硬度分选后采用高压冲洗的方式对产品进行预清洗，预清洗结束后采用风泵的形式将产品表面清洗残留的超精油进行吹离，防止过多的超精油带入光电外观前的清洗机，造成清洗介质的异常变脏。

随后产品进入超声波清洗机进行清洗，清洗结束后进行光电外观，通过光电外观设备的成像对比，将表面有肉眼可见的缺陷剔除，确保产品的外观符合高精度圆锥滚子图纸要求。

为了确保装配到同一套轴承里的滚子批直径变动量及产品轮廓的一致性得到保证，本工艺采用在线管式包装的方式对产品进行在线管式包装，这样做的主要目的一是为了确保产品表面不会出现散装包装方式而造成的磕碰伤，同时还可以保证客户在装配轴承时，同一套轴承里的产品不仅外径相差较小，而且产品的外径轮廓、曲率半径、锥度关键指标的一致性都能够得到有效的保障。

所述的热处理使用氮气作为载气，纯度达到99.999%，经多区段输入炉膛，使炉膛内各区炉压趋于一致；丙烷裂解气作为可控气氛的富化气，与氮气相对应，也采用多区段输入性控制；同时对每区段丙烷采用两路控制：一路为固定量通入，流量恒定；一路为变量通入，流量较小，由碳控仪控制；针对高温状态下气氛的循环和流动特点，采用恒定的氮气流量使炉膛内各区段流量基本一致，将炉压波动控制到最低，为可控碳势的低幅波动提供保证，同时专项配置炉前三气检测系统，从而实现热处理过程的零脱碳控制，使滚子硬度批差≤1HRC，金相组织稳定在2-3级，残余奥氏体含量稳定控制在8%以下。

所述的1）滚子在热处理之后从硬磨1到超精，整个过程实现连线加工，达到不落地生产的效果，并实现在线检测和自动补偿。

2）所配置自动检测装置，可以实现连续不断地在线抽检，使机外检测机与滚子无心磨床构成测量、反馈、自动补偿的闭环系统，实现无心磨削的长期稳定运行；另外可实现在线检测的数据累积，可以进行SPC数据统计并自动生成X-R图，自动计算和生成CPK\CMK，提高了整条自动线的过程保证能力，有效控制滚子的批直径变动量。

3）防错装置的运用，配备有防大头装置、自动断料装置、断料延时等防错技术，自动化程度高，减少了用工。

4）实现全线的连线生产，使滚子依次按照出机床的顺序依次进入下一台机床，使得滚子在高速磨削时产品的受力状态一致，从而保证了产品的几何形状和尺寸散差的一致性。

5）通过在线管式包装将滚子依次包入包装膜内进行发货，客户收到滚子后拆开包装膜依次将滚子装入轴承内，因此装入同一套轴承内的滚子几何形状及产品尺寸基本趋于一致，没有太大的变化，从而提高了滚子在轴承内部的受力分布状态，提高了产品的寿命。

所述的滚子产品在热处理生产过程中有两个重要的环节：加热和冷却；为了保证热处理的工艺要求满足精密滚子加工的特定需求，选用合成淬火剂，在淬火槽中设置冷却器、加热器和循环装置，通过改变浓度和温度瞬间调整冷却特性，即在高温阶段冷却速度比水慢、比油快；产品在第二阶段快速冷却，得到淬火马氏体；当冷却进入第三阶段时，随着温度降低，合成淬火剂会形成凝胶状薄膜，从而使工件的低温冷速变慢，不仅保持了精密滚子盐浴淬火工艺的物理改性优势，更从根本上解决了快速冷却开裂和心部与表面两极区的硬度差的技术难点。

在淬火介质冷却技术上，还运用了介质体外循环热交换冷却，通过温控仪连接变量泵自动调节冷却水供给流量，稳定控制淬火介质温度保持在40℃左右。

本发明的优点是针对传统加工存在的质量问题，例如滚子环带过大、切料不平、倒角不饱满等缺陷，公司自主研发了四工位高速冷镦成型工艺，即料段整形，两次成型，产品整形，取消淬火前去环、串光、软磨等所有工序。该生产工艺减小了滚子毛坯环带，倒角饱满、切料平整，提高材料利用率达30%以上。除此之外，通过四工位多次成型，不仅能够保证产品的成型精度，同时还能使材料的金属流向趋于合理，提高产品的使用寿命；滚子凸度受工艺及装备的限制，目前大多为全凸型，通过模拟滚子磨损后的应力状况分布，调整工艺调配油石，实现对滚子微观轮廓曲线和滚动面波纹度的改进和提升，超精后的滚子表面花纹均匀，银亮发光，包括正常工艺超精后的白带和盈实区域的粗糙度差异也得到改观，从而达到减少摩擦和降温的作用，提高滚子装配轴承后的寿命。高铁产品、铁路客运列车产品、风电产品等特殊领域要求滚子的凸度轮廓为对数曲线，但目前为止国内仍没有一个企业能稳定生产对数曲线轮廓的产品。我公司通过引进德国MODLER的五轴四联动导轮磨床对无心磨的导轮、托板，超精机的超精辊轮廓进行修正，通过对端曲线对接的方式实现了产品轮廓的对数曲线，并达到批量生产的效果。通过在线管式包装将滚子依次包入包装膜内进行发货，客户收到滚子后拆开包装膜依次将滚子装入轴承内，因此装入同一套轴承内的滚子几何形状及产品尺寸基本趋于一致，没有太大的变化，从而提高了滚子在轴承内部的受力分布状态，提高了产品的寿命。采用德国进口涡流探伤仪，对滚子的内部组织结构和表面质量进行逐个有效检测，对照质量标准，剔除不合格品，保障产品质量的可靠性。使产品具有耐磨损、高精度、高可靠性、长寿命、低噪音等特点。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

参照附图1，轨道交通用高精度轴承滚子的生产工艺的具体步骤：

1、冷镦：利用四工位高速冷镦机将钢材拉丝后镦压成滚子毛坯。

、热处理：热处理是把冷镦后的滚子毛坯在固态范围内通过一定的加热、保温和冷却、清洗辅助等完成对产品的淬、回火处理以改变其组织和性能，获取产品特性需求的一种关键工艺。项目热处理是全自动网带炉热处理流水生产线。

、硬磨1：磨削滚子的外径，去除部分磨量，使滚子的滚道面达到工艺尺寸要求，为后续硬磨2、及硬磨3的滚道面几何精度打下基础。

、硬磨2：磨削滚子的外径，去除部分磨量，使滚子的滚道面达到工艺尺寸要求，提高滚子滚道面的圆度、椭圆度等几何精度指标，为后道球基面工序及硬磨3工序打下基础。

、球基面：球基面工序是加工滚子的大端面，使其端面光滑平整，并形成图纸规定的曲率半径，同时使端面与滚道面轴线垂直。

、硬磨3：本工序是加工滚子的滚道面，磨量控制在20μm左右，主要目的是为了提高滚子滚道面的粗糙度、圆度、椭圆度、凸度，为成品的波纹度指标打下基础。

、超精：超精研工艺是采用8块油石来回震荡，对滚子的滚道面进行加工，以提高滚子滚道面的粗糙度、圆度精度和表面质量，以达到表面零缺陷要求，确保粗糙度、波纹度、圆度、凸度等技术指标达标。

、涡流探伤：本工序采用德国IBG生产的涡流探伤设备，该设备安装在超精机上，实现对滚子的展开，从而进行100%涡流探伤，主要检测滚子表面的缺陷及内部组织的裂纹。

、包装：为保障产品的一致性，同时为了避免磕碰伤的产生，我们采用自行研发的管式包装机对高精度产品进行管式包装。

二、采用的核心工艺与技术

（1）高精密滚子四工位高速冷镦工艺

针对传统加工存在的质量问题，例如滚子环带过大、切料不平、倒角不饱满等缺陷，公司自主研发了四工位高速冷镦成型工艺，即料段整形，两次成型，产品整形，取消淬火前去环、串光、软磨等所有工序。该生产工艺减小了滚子毛坯环带，倒角饱满、切料平整，提高材料利用率达30%以上，同时还能使材料的金属流向趋于合理，提高产品的使用寿命。冷镦工序是整个滚子加工的关键工序，造成产品报废的缺陷有90%都是冷镦工序产生，我司通过与国外紧固件冷镦设备厂家共同研发引进了一台四工位冷镦机，该冷镦设备采用高速切料的方式将原材料进行切断，切出的料段不仅变形量小，而且端面平整，不会出现撕裂的现象，因此进一步保障的产品的质量。除此之外，通过四工位多次成型，不仅能够保证产品的成型精度，将长度公差稳定的控制在0.02mm以内，还可以稳定的将产品的外径余量公差控制在单边0.08mm以内，有效的保证了产品的一致性，是产品在后道磨削加工时由于产品的一致性好，使得产品在磨削过程中的状态稳定，这也是能够批量稳定加工高精度圆锥滚子的关键因素之一。

（2）滚子超精凸度控制技术

滚子凸度受工艺及装备的限制，目前大多为全凸型，通过模拟滚子磨损后的应力状况分布，调整工艺调配油石，实现对滚子微观轮廓曲线和滚动面波纹度的改进和提升，超精后的滚子表面花纹均匀，银亮发光，包括正常工艺超精后的白带和盈实区域的粗糙度差异也得到改观，从而达到减少摩擦和降温的作用，提高滚子装配轴承后的寿命。

（3）对数曲线加工技术

高铁产品、铁路客运列车产品、风电产品等特殊领域要求滚子的凸度轮廓为对数曲线，但目前为止国内仍没有一个企业能稳定生产对数曲线轮廓的产品。我公司通过引进德国MODLER的五轴四联动导轮磨床对无心磨的导轮、托板，超精机的超精辊轮廓进行修正，通过对端曲线对接的方式实现了产品轮廓的对数曲线，并达到批量生产的效果。

（4）环保零脱碳热处理工艺技术

热处理使用氮气作为载气，纯度达到99.999%，经多区段输入炉膛，使炉膛内各区炉压趋于一致；丙烷裂解气作为可控气氛的富化气，与氮气相对应，也采用多区段输入性控制。同时对每区段丙烷采用两路控制：一路为固定量通入，流量恒定；一路为变量通入，流量较小，由碳控仪控制。针对高温状态下气氛的循环和流动特点，采用恒定的氮气流量使炉膛内各区段流量基本一致，将炉压波动控制到最低，为可控碳势的低幅波动提供保证，同时专项配置炉前三气检测系统，从而实现热处理过程的零脱碳控制，使滚子硬度批差≤1HRC，金相组织稳定在2-3级，残余奥氏体含量稳定控制在8%以下。

（5）圆锥及圆柱滚子自动生产连线技术

1）圆锥及圆柱滚子自动连线生产技术的研究。实现圆锥及圆柱滚子在热处理之后从硬磨1到超精，整个过程实现连线加工，达到不落地生产的效果，并实现在线检测和自动补偿。

2）圆锥及圆柱滚子自动连线专用装备的先进性。所配置自动检测装置，可以实现连续不断地在线抽检，使机外检测机与滚子无心磨床构成测量、反馈、自动补偿的闭环系统，实现无心磨削的长期稳定运行；另外可实现在线检测的数据累积，可以进行SPC数据统计并自动生成X-R图，自动计算和生成CPK\CMK，提高了整条自动线的过程保证能力，有效控制滚子的批直径变动量。

3）防错装置的运用，配备有防大头装置、自动断料装置、断料延时等防错技术，自动化程度高，减少了用工。

4）实现全线的连线生产，使滚子依次按照出机床的顺序依次进入下一台机床，使得滚子在高速磨削时产品的受力状态一致，从而保证了产品的几何形状和尺寸散差的一致性。

5）通过在线管式包装将滚子依次包入包装膜内进行发货，客户收到滚子后拆开包装膜依次将滚子装入轴承内，因此装入同一套轴承内的滚子几何形状及产品尺寸基本趋于一致，没有太大的变化，从而提高了滚子在轴承内部的受力分布状态，提高了产品的寿命。

目前国内加工圆锥滚子的技术水平基本在3级滚子水平，按照高铁产品圆锥滚子产品精度需求的1级滚子，目前国内仍有很大的差距，其中最为关键的主要体现在以下几个指标：1、产品的批直径变动量；2、曲率半径散差；3、圆度的稳定性；4、凸度的形状这四个方面。JGBR通过自主创新，通过对磨削设备增加相应的辅助设施和工艺优化形成了一套能够稳定加工高精度圆锥滚子的工艺流程及技术，具体如下：

热处理生产结束后，使用滚筒式抛丸机对热处理后的滚子进行抛丸处理，其主要目的是通过抛丸机内的钢沙喷到产品表面，将产品表面及凹穴和倒角上的氧化皮清理干净，这样对成品的清洁度提供了有利的保障。同时抛丸还有另一个目的，那就是通过滚筒的转动，将热处理结束的产品通过项目碰撞、相互击打的方式释放产品表面的残余应力，使产品的机加工性能更稳定。

抛丸结束的滚子直接上磨削生产线进行生产，通过转盘式理料机将产品按照小端朝前、大端超后的方式将产品依次送到输送带上，在输送带上的产品进入第一道外径磨削工序之前，采用磁场判定的方式将产品中有软点或热处理不合格的产品剔除，同时通过工业相机成像的方式，将产品中直径或长度相差0.1mm以上的产品和大小头颠倒的产品剔除出来。在进入磨床之前，在机床进料口处采用压料轮将产品轻轻压在持续转动的输送带上，从而增加产品与输送带的摩擦力，使产品能够连续地送入机床，确保产品在磨削过程中的状态一致，不会出现断料的现象，这样不仅保证了整条生产线的生产节拍一致，同时还保证了产品在砂轮磨削的过程中受力稳定，有利于保证产品外径尺寸的一致性。

通过在硬磨1砂轮磨削位置增加气压传感器，对砂轮的脱粒情况进行监控，及时对脱粒的情况进行补偿，能够稳定、及时地对导轮架位置进行补偿，从而确保粗磨之后产品的外径尺寸一致性可以稳定控制在5μm范围以内。同时，粗磨工序为了去除多余的磨量，该设备采用下中心高的方法对滚子进行磨削，确保产品一次磨削量可以稳定达到0.15mm左右。

粗磨结束后，同样以输送带的方式将粗磨加工结束的产品一个一个地依次送入细磨机床内，进入细磨机床前，由于输送带敞开，因此为确保大小头倒置的产品不能进入机床，我们在产品进入机床前增加了两个防大头装置，并且在第二个防大头装置后增加了防护罩防止人为放料导致大小头倒置的产品进入机床。针对硬磨2的加工设备，我们对机床增加了马波斯动平衡系统，同时机床进给机构增加了海德汉光栅尺，确保气压传感器反馈的砂轮脱粒情况能够得到有效的补偿，同时动平衡系统能够实时在线对砂轮进行动平衡，确保产品的圆度。细磨工序，通过对设备相关辅助设施的增加，同时通过对粗磨磨量的控制，细磨工序磨削量基本控制在0.05mm左右，圆度基本控制在3μm以内，除此之外，产品的锥度我们都控制在0~+5μm以内，这样做的主要目的是根据球基面的加工原理，使球基面设备在驱动滚子自转时，受力点位于滚子的大端，从而保证了产品在磨削过程中磨削面不会出现跳动或不稳的现象，从而保证了产品的端跳和产品曲率半径的一致性。

细磨加工结束后，采用输送带将产品提升至1.5米左右，然后用尼龙管将输送带上的滚子送入球基面磨削位置。目前国内球基面加工设备主要采用砂轮成型法对球基面进行加工，通过将砂轮的磨削面修磨成图纸设计的曲率来保证产品的曲率，但这种类型的加工方式就决定了其加工出的产品肯定无法达到高精度滚子的精度要求，因为滚子在磨削过程中砂轮一直处于消耗的状态，砂轮的形状无时无刻不在变化，但它的曲率却是完全依靠砂轮的形状来保证的，我们做过对比测试，如果滚子靠近倒角处磨削量变化2μm，产品的曲率半径将会相差3%SR左右，这就决定了此类设备是无法加工出符合高精度滚子要求的产品。我司通过与意大利ORP公司共同开发，设计出了一款范成法球基面磨加工设备，型号MTF-130，该设备利用砂轮旋转中心和滚子自转中心的夹角磨削后形成圆弧状球基面，由于这种原理无需对砂轮进行修整，而是靠砂轮自成型，因此磨出的产品不仅端跳达到2微米以下，更重要的是解决了国产设备的瓶颈：球基面曲率半径散差的问题。

将砂轮的旋转中心与滚子的轴线呈30~40°的夹角，通过圆弧的计算来确定具体的角度，将滚子防止在V型块上，使用150目的橡胶砂轮来驱动滚子自转，由于滚子自身有锥度，驱动轮以恒定的压力驱动滚子自转后将滚子推向砂轮，通过砂轮与滚子的夹角及滚子的自转，将滚子的端面圆弧轮廓加工出来。该设备之所以能够稳定控制曲率半径，其主要原因是它的加工原理与国内设备不同，它是通过滚子和砂轮的磨削位置的运动轨迹来保证产品的圆弧轮廓的，并不是通过金刚笔修整砂轮来对滚子的圆弧轮廓进行控制的。为了确保产品的一致性，在冷镦工序毛坯产品设计时我们就对毛坯的形状进行了调整，我们将毛坯的端面加工成成品图纸所示的圆弧面，这样就使得滚子在磨削时不会出现磨削量过大的现象，并且滚子的倒角位置和凹穴位置的磨削量基本一致。除此之外，为了提高产品的精度，使其满足高铁产品的技术要求，我们对滚子球基面的波纹度进行了控制，波纹度的考核不仅考核了产品端面圆弧的球形误差，同时还考核了端面圆弧的端跳和粗糙度，因此如果这三项指标中的其中一项指标无法达到波纹度要求，波纹度判定指标都是不合格的。

球基面加工结束后仍采用输送带的方式将产品输送至终磨工序，我司终磨工序采用的磨削方法与磨削工艺与国内其他工厂有很大的区别：我司通过五轴四联动导轮磨床将无心磨的导轮加工成所需的圆弧轮廓，同时将不同螺距内的螺旋面以一定的规律改变各个螺旋槽内的角度。砂轮修整时，我们采用的是伺服电机差补修整，将砂轮的轮廓修整成所需的轮廓，一般情况下修整成R100000mm的圆弧轮廓，并且将无心磨的下托板修整成R1000000mm的圆弧面，通过砂轮的轮廓、导轮的轮廓和托板的轮廓，将产品以固定的轨迹进行磨削，从而将产品的凸度通过无心磨磨削的方式磨出来，而国内企业基本都采用超精的方式对产品的轮廓进行加工。除此之外，我们在磨削工艺上与国内其他厂家还有不同，我们采用150#的橡胶砂轮进行磨削，将磨削量控制在0.03Mm左右，而国内厂家则是通过多次磨削，并且将产品的磨削量控制在0.015mm左右来保证产品的圆度。我司则是通过砂轮动平衡系统和托板中心高的设置来保证产品的圆度基本控制在1.0μm以内，本工序我们会将产品的粗糙度控制在0.16~0.2μm以内，不会将粗糙度控得过高，这样的话超精工序是无法加工出符合我们图纸要求的轮廓和粗糙度的。除此之外，我们通过确保产品的连续进料保证设备能够连续稳定磨削，从而将产品的批直径变动量基本控制在1.5μm以内。

终磨加工结束的产品我们同样采用输送带的方式将产品依次送到超精工序，超精工序我们仅适用0.1MPa左右的压力对产品表面进行超精，该工序超精的主要目的并不是像国内其他厂家一样对产品的轮廓进行成型，而是对产品的表面进行抛光，因为我们终磨出来的产品本身已经带有轮廓，如果再使用很高的压力进行超精反而会破坏产品的轮廓。未确保产品的一致性，我们对超精机进行了改进：增加了气压传感器，在供气压力不稳或供气压力不足时，设备无法正常开启；增加了油石限位传感器，当油石到达限位时设备自动停机并提示更换油石，防止因油石耗尽造成产品超精的状态不一致从而导致产品的轮廓和外径尺寸造成很大的散差。

为确保高铁产品安全可靠，在超精机上我们安装了涡流探伤系统，通过涡流探伤系统，能够将产品浅表层裂纹及烧伤全部探测出来并剔除出来，防止不合格品流到下一工序造成缺陷产品的流失。

超精出料后，我们采用硬度分选仪对产品的硬度进行检测，将产品的硬度差超过1.5HRC的产品剔除。硬度分选后采用高压冲洗的方式对产品进行预清洗，预清洗结束后采用风泵的形式将产品表面清洗残留的超精油进行吹离，防止过多的超精油带入光电外观前的清洗机，造成清洗介质的异常变脏。

随后产品进入超声波清洗机进行清洗，清洗结束后进行光电外观，通过光电外观设备的成像对比，将表面有肉眼可见的缺陷剔除，确保产品的外观符合高精度圆锥滚子图纸要求。

为了确保装配到同一套轴承里的滚子批直径变动量及产品轮廓的一致性得到保证，我们采用在线管式包装的方式对产品进行在线管式包装，这样做的主要目的一是为了确保产品表面不会出现散装包装方式而造成的磕碰伤，同时还可以保证客户在装配轴承时，同一套轴承里的产品不仅外径相差较小，而且产品的外径轮廓、曲率半径、锥度等关键指标的一致性都能够得到有效的保障。

（6）采用快速冷却合成淬火与表面硬度均匀性控制技术

滚子产品在热处理生产过程中有两个重要的环节：加热和冷却。为了保证热处理的工艺要求满足精密滚子加工的特定需求，公司经过长期的试验和研究，成功突破了可控气氛热处理连线生产技术，该设备在产品冷却时所采用的冷却介质及冷却方式对热处理件的性能起着重要作用。为了改善项目产品的使用性能及更好地发挥材料潜力，选用合成淬火剂，在淬火槽中设置冷却器、加热器和循环装置，通过改变浓度和温度瞬间调整冷却特性，即在高温阶段冷却速度比水慢、比油快；产品在第二阶段快速冷却，得到淬火马氏体；当冷却进入第三阶段时，随着温度降低，合成淬火剂会形成凝胶状薄膜，从而使工件的低温冷速变慢，不仅保持了精密滚子盐浴淬火工艺的物理改性优势，更从根本上解决了快速冷却开裂和心部与表面两极区的硬度差的技术难点。

在淬火介质冷却技术上，还运用了介质体外循环热交换冷却，通过温控仪连接变量泵自动调节冷却水供给流量，稳定控制淬火介质温度保持在40℃左右。

（7）采用100%无损涡流探伤。

采用德国进口涡流探伤仪，对滚子的内部组织结构和表面质量进行逐个有效检测，对照质量标准，剔除不合格品，保障产品质量的可靠性。使产品具有耐磨损、高精度、高可靠性、长寿命、低噪音等特点。

Claims (6)

1.轨道交通用高精度轴承滚子的生产工艺，其特征在于，

1）冷镦：利用四工位高速冷镦机将钢材拉丝后镦压成滚子毛坯；

2）热处理：热处理是把冷镦后的滚子毛坯在固态范围内通过一定的加热、保温和冷却、清洗辅助完成对产品的淬、回火处理以改变其组织和性能，获取产品特性需求的一种关键工艺；项目热处理是全自动网带炉热处理流水生产线；

3）硬磨1：磨削滚子的外径，去除部分磨量，使滚子的滚道面达到工艺尺寸要求，为后续硬磨2、及硬磨3的滚道面几何精度打下基础；

4）硬磨2：磨削滚子的外径，去除部分磨量，使滚子的滚道面达到工艺尺寸要求，提高滚子滚道面的圆度、椭圆度指标，为后道球基面工序及硬磨3工序打下基础；

5）球基面：球基面工序是加工滚子的大端面，使其端面光滑平整，并形成图纸规定的曲率半径，同时使端面与滚道面轴线垂直；

6）硬磨3：本工序是加工滚子的滚道面，磨量控制在20μm左右，主要目的是为了提高滚子滚道面的粗糙度、圆度、椭圆度、凸度，为成品的波纹度指标打下基础；

7）超精：超精研工艺是采用8块油石来回震荡，对滚子的滚道面进行加工，以提高滚子滚道面的粗糙度、圆度精度和表面质量，以达到表面零缺陷要求，确保粗糙度、波纹度、圆度、凸度的技术指标达标；

8）涡流探伤：本工序采用德国IBG生产的涡流探伤设备，该设备安装在超精机上，实现对滚子的展开，从而进行100%涡流探伤，主要检测滚子表面的缺陷及内部组织的裂纹；

9）包装：为保障产品的一致性，同时为了避免磕碰伤的产生，本工艺采用自行研发的管式包装机对高精度产品进行管式包装。

2.根据权利要求1所述的轨道交通用高精度轴承滚子的生产工艺，其特征在于，所述的冷墩是四工位高速冷镦成型工艺，即料段整形，两次成型，产品整形，不仅能够保证产品的成型精度，将长度公差稳定的控制在0.02mm以内，还可以稳定的将产品的外径余量公差控制在单边0.08mm以内。

3.根据权利要求1所述的轨道交通用高精度轴承滚子的生产工艺，其特征在于，所述的热处理生产结束后，使用滚筒式抛丸机对热处理后的滚子进行抛丸处理，其主要目的是通过抛丸机内的钢沙喷到产品表面，将产品表面及凹穴和倒角上的氧化皮清理干净，这样对成品的清洁度提供了有利的保障；同时抛丸还有另一个目的，那就是通过滚筒的转动，将热处理结束的产品通过项目碰撞、相互击打的方式释放产品表面的残余应力，使产品的机加工性能更稳定；

抛丸结束的滚子直接上磨削生产线进行生产，通过转盘式理料机将产品按照小端朝前、大端超后的方式将产品依次送到输送带上，在输送带上的产品进入第一道外径磨削工序之前，采用磁场判定的方式将产品中有软点或热处理不合格的产品剔除，同时通过工业相机成像的方式，将产品中直径或长度相差0.1mm以上的产品和大小头颠倒的产品剔除出来；

在进入磨床之前，在机床进料口处采用压料轮将产品轻轻压在持续转动的输送带上，从而增加产品与输送带的摩擦力，使产品能够连续地送入机床，确保产品在磨削过程中的状态一致，不会出现断料的现象，这样不仅保证了整条生产线的生产节拍一致，同时还保证了产品在砂轮磨削的过程中受力稳定，有利于保证产品外径尺寸的一致性；

通过在硬磨1砂轮磨削位置增加气压传感器，对砂轮的脱粒情况进行监控，及时对脱粒的情况进行补偿，能够稳定、及时地对导轮架位置进行补偿，从而确保粗磨之后产品的外径尺寸一致性可以稳定控制在5μm范围以内；同时，粗磨工序为了去除多余的磨量，该设备采用下中心高的方法对滚子进行磨削，确保产品一次磨削量可以稳定达到0.15mm左右；

粗磨结束后，同样以输送带的方式将粗磨加工结束的产品一个一个地依次送入细磨机床内，进入细磨机床前，由于输送带敞开，因此为确保大小头倒置的产品不能进入机床，本工艺在产品进入机床前增加了两个防大头装置，并且在第二个防大头装置后增加了防护罩防止人为放料导致大小头倒置的产品进入机床；

针对硬磨2的加工设备，本工艺对机床增加了马波斯动平衡系统，同时机床进给机构增加了海德汉光栅尺，确保气压传感器反馈的砂轮脱粒情况能够得到有效的补偿，同时动平衡系统能够实时在线对砂轮进行动平衡，确保产品的圆度；

细磨工序，通过对设备相关辅助设施的增加，同时通过对粗磨磨量的控制，细磨工序磨削量基本控制在0.05mm左右，圆度基本控制在3μm以内，除此之外，产品的锥度本工艺都控制在0~+5μm以内，这样做的主要目的是根据球基面的加工原理，使球基面设备在驱动滚子自转时，受力点位于滚子的大端，从而保证了产品在磨削过程中磨削面不会出现跳动或不稳的现象，从而保证了产品的端跳和产品曲率半径的一致性；

细磨加工结束后，采用输送带将产品提升至1.5米左右，然后用尼龙管将输送带上的滚子送入球基面磨削位置；将砂轮的旋转中心与滚子的轴线呈30~40°的夹角，通过圆弧的计算来确定具体的角度，将滚子放置在V型块上，使用150目的橡胶砂轮来驱动滚子自转，由于滚子自身有锥度，驱动轮以恒定的压力驱动滚子自转后将滚子推向砂轮，通过砂轮与滚子的夹角及滚子的自转，将滚子的端面圆弧轮廓加工出来；该设备之所以能够稳定控制曲率半径，其主要原因是通过滚子和砂轮的磨削位置的运动轨迹来保证产品的圆弧轮廓的；为了确保产品的一致性，在冷镦工序毛坯产品设计时本工艺就对毛坯的形状进行了调整，本工艺将毛坯的端面加工成成品图纸所示的圆弧面，这样就使得滚子在磨削时不会出现磨削量过大的现象，并且滚子的倒角位置和凹穴位置的磨削量基本一致；除此之外，为了提高产品的精度，使其满足高铁产品的技术要求，本工艺对滚子球基面的波纹度进行了控制，波纹度的考核不仅考核了产品端面圆弧的球形误差，同时还考核了端面圆弧的端跳和粗糙度，因此如果这三项指标中的其中一项指标无法达到波纹度要求，波纹度判定指标都是不合格的；

球基面加工结束后仍采用输送带的方式将产品输送至终磨工序，本工艺通过五轴四联动导轮磨床将无心磨的导轮加工成所需的圆弧轮廓，同时将不同螺距内的螺旋面以一定的规律改变各个螺旋槽内的角度；砂轮修整时，本工艺采用的是伺服电机差补修整，将砂轮的轮廓修整成所需的轮廓，修整成R100000mm的圆弧轮廓，并且将无心磨的下托板修整成R1000000mm的圆弧面，通过砂轮的轮廓、导轮的轮廓和托板的轮廓，将产品以固定的轨迹进行磨削，从而将产品的凸度通过无心磨磨削的方式磨出来；除此之外，本工艺采用150#的橡胶砂轮进行磨削，将磨削量控制在0.03Mm左右；本工艺则是通过砂轮动平衡系统和托板中心高的设置来保证产品的圆度基本控制在1.0μm以内，除此之外，本工艺通过确保产品的连续进料保证设备能够连续稳定磨削，从而将产品的批直径变动量基本控制在1.5μm以内；

终磨加工结束的产品本工艺同样采用输送带的方式将产品依次送到超精工序，超精工序本工艺仅适用0.1MPa左右的压力对产品表面进行超精，该工序超精的主要目的是对产品的表面进行抛光；确保产品的一致性，本工艺对超精机进行了改进：增加了气压传感器，在供气压力不稳或供气压力不足时，设备无法正常开启；增加了油石限位传感器，当油石到达限位时设备自动停机并提示更换油石，防止因油石耗尽造成产品超精的状态不一致从而导致产品的轮廓和外径尺寸造成很大的散差；

为确保高铁产品安全可靠，在超精机上本工艺安装了涡流探伤系统，通过涡流探伤系统，能够将产品浅表层裂纹及烧伤全部探测出来并剔除出来，防止不合格品流到下一工序造成缺陷产品的流失；

超精出料后，本工艺采用硬度分选仪对产品的硬度进行检测，将产品的硬度差超过1.5HRC的产品剔除；硬度分选后采用高压冲洗的方式对产品进行预清洗，预清洗结束后采用风泵的形式将产品表面清洗残留的超精油进行吹离，防止过多的超精油带入光电外观前的清洗机，造成清洗介质的异常变脏；

随后产品进入超声波清洗机进行清洗，清洗结束后进行光电外观，通过光电外观设备的成像对比，将表面有肉眼可见的缺陷剔除，确保产品的外观符合高精度圆锥滚子图纸要求；

为了确保装配到同一套轴承里的滚子批直径变动量及产品轮廓的一致性得到保证，本工艺采用在线管式包装的方式对产品进行在线管式包装，这样做的主要目的一是为了确保产品表面不会出现散装包装方式而造成的磕碰伤，同时还可以保证客户在装配轴承时，同一套轴承里的产品不仅外径相差较小，而且产品的外径轮廓、曲率半径、锥度关键指标的一致性都能够得到有效的保障。

4.根据权利要求1或3所述的轨道交通用高精度轴承滚子的生产工艺，其特征在于，所述的热处理使用氮气作为载气，纯度达到99.999%，经多区段输入炉膛，使炉膛内各区炉压趋于一致；丙烷裂解气作为可控气氛的富化气，与氮气相对应，也采用多区段输入性控制；同时对每区段丙烷采用两路控制：一路为固定量通入，流量恒定；一路为变量通入，流量较小，由碳控仪控制；针对高温状态下气氛的循环和流动特点，采用恒定的氮气流量使炉膛内各区段流量基本一致，将炉压波动控制到最低，为可控碳势的低幅波动提供保证，同时专项配置炉前三气检测系统，从而实现热处理过程的零脱碳控制，使滚子硬度批差≤1HRC，金相组织稳定在2-3级，残余奥氏体含量稳定控制在8%以下。

5.根据权利要求1所述的轨道交通用高精度轴承滚子的生产工艺，其特征在于，所述的1）滚子在热处理之后从硬磨1到超精，整个过程实现连线加工，达到不落地生产的效果，并实现在线检测和自动补偿；

2）所配置自动检测装置，可以实现连续不断地在线抽检，使机外检测机与滚子无心磨床构成测量、反馈、自动补偿的闭环系统，实现无心磨削的长期稳定运行；另外可实现在线检测的数据累积，可以进行SPC数据统计并自动生成X-R图，自动计算和生成CPK\CMK，提高了整条自动线的过程保证能力，有效控制滚子的批直径变动量；

3）防错装置的运用，配备有防大头装置、自动断料装置、断料延时等防错技术，自动化程度高，减少了用工；

4）实现全线的连线生产，使滚子依次按照出机床的顺序依次进入下一台机床，使得滚子在高速磨削时产品的受力状态一致，从而保证了产品的几何形状和尺寸散差的一致性；

5）通过在线管式包装将滚子依次包入包装膜内进行发货，客户收到滚子后拆开包装膜依次将滚子装入轴承内，因此装入同一套轴承内的滚子几何形状及产品尺寸基本趋于一致，没有太大的变化，从而提高了滚子在轴承内部的受力分布状态，提高了产品的寿命。

6.根据权利要求1所述的轨道交通用高精度轴承滚子的生产工艺，其特征在于，所述的滚子产品在热处理生产过程中有两个重要的环节：加热和冷却；为了保证热处理的工艺要求满足精密滚子加工的特定需求，选用合成淬火剂，在淬火槽中设置冷却器、加热器和循环装置，通过改变浓度和温度瞬间调整冷却特性，即在高温阶段冷却速度比水慢、比油快；产品在第二阶段快速冷却，得到淬火马氏体；当冷却进入第三阶段时，随着温度降低，合成淬火剂会形成凝胶状薄膜，从而使工件的低温冷速变慢，不仅保持了精密滚子盐浴淬火工艺的物理改性优势，更从根本上解决了快速冷却开裂和心部与表面两极区的硬度差的技术难点；

在淬火介质冷却技术上，还运用了介质体外循环热交换冷却，通过温控仪连接变量泵自动调节冷却水供给流量，稳定控制淬火介质温度保持在40℃左右。