基于干式硬切削的轴承套圈高速车削自动线

李运生

(安阳鑫盛机床股份有限公司,河南 安阳 455000)

切削液在金属切削加工中对降低切削温度、改善切削条件能起到很好的作用，也有利于断、排屑，但同时也存在冷却液的使用、存储、保洁处理、油雾排放及回收等问题，因此，尽量少用或不用切削液的半干式或干式切削成为金属切削加工的发展趋势之一。干式切削清洁无污染，切屑易回收处理，但对刀具、机床以及辅助设施的要求较高。

硬车削可用于车削淬硬钢、冷硬铸铁等高硬度金属材料，一般用在半精加工和精加工工序实现以车代磨。下文针对研发的ADG系列高速数控车床，介绍了具有高速度、高刚度和高精度特性的基于干式硬切削的轴承套圈高速车削自动线。

1 干式硬车削加工系统

1.1 机床主机

为适应淬硬轴承钢的干式硬车削，需要进一步完善机床主机的结构功能。淬硬钢工件硬度大、强度高，机床要具备足够的系统刚度；为减小切削力采用小切深、小进给量，又为了不影响加工效率，机床要具有足够高的主轴转速，即机床输出功率必须足够大；主轴应具有较高的径向跳动和轴向跳动精度，以保证加工表面质量与精度；采用小切深、小进给量，高速切削下切屑可以快速将切削热带走，为更好地散热，再加装低温冷风装置；机床结构要有利于排屑，机床导轨、丝杠、滑板等部件要采取防护措施[1-2]；此外机床结构件可以采用热敏感性弱的材料，如床身采用花岗岩或人造花岗岩材料等。

1.2 加工刀具

淬硬轴承钢的干式硬车削对车削刀具的要求非常高。刀具的几何形状须有利于减少刀具与工件间切削热和摩擦热的产生，并有利于排屑；刀具材料必须具备耐高温性，目前适用于干式硬车削的刀具材料有超细硬质合金、PCBN和金属陶瓷等超硬材料[3]；刀具采用涂层技术可有效减少摩擦和粘接，如具有很好耐热性和抗氧化性的TiAlN涂层等。

2 自动线方案的确定

2.1 特点与要求

根据轴承的结构特点和工作条件要求，数控车床必须具备高的刚度以及足够好的输出特性(主轴回转及伺服进给精度高)；所使用的刀具和切削参数必须满足相应材料高效加工的要求。

自动线应考虑加工、上下料、物料输送及储放等的匹配，实现高速度、高可靠性等性能指标，满足工序能力指数与生产节拍的要求。

2.2 功能模块组成

自动线功能模块主要有：ADG系列高速数控车床、机器人、供料储料台和翻面装置等。机器人又分关节型机器人和龙门型机器人(又叫移载机)，在车削加工自动线上多采用龙门型机器人，其容易上线，成本低；关节型机器人存在作业半径有限以及误动作等缺陷，所以在车削加工线上较少使用，但随着技术的进步和性能的提高，其应用空间越来越大，特别在环岛线上应用优势明显。

2.3 自动线布局

自动线可以根据具体需要安排成并联、串联或环岛式布局，如图1所示。为适应切屑集中排放，并联式布局需要数控车床采用侧排屑结构形式，而串联式和环岛式布局需要数控车床采用后排屑结构形式。切屑的集中排放又分为地沟水冲方式和空中管道抽吸方式，长屑和大卷屑一般采用地沟水冲方式，而小碎屑一般采用空中管道抽吸方式。

图1 自动线布局

2.4 轴承套圈高速车削自动线

研制的轴承套圈高速车削自动线如图2所示，主要加工NJP3226X1等铁路轴承套圈(图3)，自动线为串联式布局，也有并联式可供选择。

图2 轴承套圈高速车削自动线

图3 铁路轴承套圈

加工主机采用ADG25高速数控车床(人造花岗岩45°斜床身结构)，采用高速电主轴单元，精密直线运动副，自动排屑机，全闭环控制。车床最大回转直径为500 mm，最大车削直径为420 mm，最大车削长度为530 mm，主轴最高转速为5 000 r/min，快移速度为45 m/min，工作精度不低于IT5级，完全满足提速客车和准高铁轴承的加工需要。

自动线上、下料装置采用龙门型机器人，机械手采用气动三爪式卡爪；翻转装置由机械手执行工件换面动作；物料供储站用于存放工件毛坯和成品零件；PLC控制系统用于控制自动上、下料，工件翻转等动作并保证与加工单元动作间的匹配。

为适应无人化加工需要，自动线还具有以下模块或功能：卡盘卡爪行程检测装置，确保工件夹持正确；主轴上方吹气功能，在无人值守状态下清除卡爪上残留的切屑，确保工件夹持不受残留切屑影响；机械手控制接口，为连接车床与机械手等其他外围设备间的连接接口；自动门，供机械手由上方自动门进出；刀具寿命管理功能，当刀具到达使用期限后用备用刀继续加工，无需人工停机更换刀具；主轴负载监测功能，确保无人化加工过程中刀具处于最佳状态。

3 结束语

基于干式硬切削的轴承套圈高速车削自动线试加工结果表明：尺寸精度由传统车削的IT6级提升到了IT5级以上，径向跳动和轴向跳动均控制在2 μm以内，表面粗糙度Ra达到0.18 μm，实现了轴承套圈部分关键工序的以车代磨；切削液的弃用，避免了环境污染，也降低了加工成本；应用自动上、下料技术，降低了工人劳动强度，提高了自动加工能力；加载试验考核MTBF值达到1 009 h，远高于600 h的MTBF值要求，可靠性实现了较大提升。该自动线的成功研制，将有效促进干式硬车技术的发展，提升我国自动化加工的水平。