表面加工工艺对动车组车轴表面性能的影响.pdf
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1、收稿日期:年 月表面加工工艺对动车组车轴表面性能的影响冯中立,蒲磊,杨文贤,彭金方,王晓宁,朱昊中车青岛四方机车车辆股份有限公司;西南交通大学材料科学与工程学院;西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室摘要:为探究不同表面处理工艺对动车组车轴表面性能的影响,以残余应力为主要性能评价依据,开展了 种表面处理工艺的车轴表面性能评价。针对标准动车组车轴卸荷槽部位,探究了不同目数砂纸打磨的车轴表面粗糙度和表面残余应力的关系,并确立最佳抛光参数。结果表明:滚压处理工艺可以形成较大的表面残余压应力,目砂纸打磨与 目砂纸所形成表面残余应力大致相当;不同操作人员以及不同时段打磨抛光形成的表面残余应力存在差异
2、;在 目砂纸与转速 的抛光参数下进行抛光,可以保证车轴表面稳定的打磨性能。关键词:卸荷槽;磨削;车削;滚压;打磨;抛光参数中图分类号:;文献标志码:,:,:;?引言随着我国高铁的快速发展,保证行车安全以及广大乘客的生命财产安全已经成为高铁发展过程中首要考虑的问题 。随着高铁速度的提高,对机车车辆零部件的要求也越来越高,车轴作为机车车辆最重要的部件之一,在列车行驶过程中,承受高周甚至于超高周的旋转弯曲交变载荷作用,其失效形式多为疲劳破坏,疲劳裂纹多萌生于车轴表面,良好的表面性能可以有效抑制疲劳裂纹萌生 ,因此采用合适的车轴表面加工工艺不仅可以提高车轴的服役寿命,还可以提高列车的行车安全,具有不可
3、估量的经济价值和社会价值 。于鑫等 研究了车削加工工艺参数与车轴表面粗糙度和残余应力分布等关系。李世涛等 通过 车轴车削正交试验,研究了工艺参数与表面粗糙度之间的关系。景启明等 在国产 车轴钢上截取光滑和缺口疲劳试样,对材料的缺口疲劳性能进行了研究。上述针对表面加工工艺参数研究是在实验环境下的操作,本文针对标准动车组车轴,在车间打磨完成后,对车削加工、磨削、打磨以及滚压等表面处理工艺和车轴卸荷槽部位的车轴表面性能进行分析,并研究标准动车组车轴卸荷槽部位抛光工艺稳定性,具有良好的实际意义。此外,还针对不同车床转速以及不同砂纸目数,研究车轴表面粗糙度和表面残余应力的关系,对比分析不同工艺处理后的微
4、观形貌、粗糙度、残余应力等方面的特点,分析得出最佳的表面加工工艺以及最佳的抛光工艺参数。?研究对象及参数?试验材料试验材料为标准动车组车轴,共 根。其化学成分见表 及表 。为方便分析,对四根车轴进行编号,号车轴代表第一根不同表面处理车轴;号车轴代表国产智奇车轴,表面处理工艺为抛光;号车轴代表日本进口车轴,表面处理工艺为表面硬化;年第 卷 号车轴代表 滚压车轴,表面处理工艺为滚压。除 号车轴为 外,其余 根均为 。四根车轴的表面处理工艺见图 。表 标准中 车轴钢元素含量()元素 含量 元素 含量 余量表 标准中 车轴钢元素含量()元素 含量 元素 含量 余量()号车轴表面处理工艺()号车轴测试部
5、位()号车轴测试部位()号车轴测试部位()号车轴测试部位图 四根车轴测试表征部位为方便分析,对所有测试部位进行编号,具体编号顺序见表 。表 车轴测试部位编号顺序编号 处理工艺磨削卸荷槽滚压过渡圆弧 目砂纸打磨编号 处理工艺车削 目砂纸打磨卸荷槽卸荷槽卸荷槽针对 根标准动车组车轴卸荷槽部位进行车轴抛光工艺稳定性研究,在不同时段以及不同操作人员的情况下,对比分析 根标准动车组车轴卸荷槽部位的表面残余应力,得出抛光工艺的稳定性。分别在不同转速下采用目数为 目、目、目、目的砂纸打磨车轴,测试其表面粗糙度以及表面残余应力,确定最佳的抛光工艺参数。?表征与分析经过不同处理工艺后的车轴,采用进口便携式射线残
6、余应力检测设备()进行表面残余应力测试。采用短波长 射线残余应力分析仪()进行表层残余应力的检测。采用扫描电子显微镜()对车轴表面进行微观形貌分析。?试验结果与分析?表面残余应力测试 号车轴 种不同表面处理工艺(共计 个部位)的表面残余应力,每个部位沿周向测试 个点,个测试点呈 分布,取其均值作为最终测试结果,每个部位测量轴向表面残余应力和周向表面残余应力(参照 中的要求),测量结果见图 。由图 可知,不同表面处理工艺轴向的表面残余应力都呈现压应力状态,其中,表面处理工艺为滚压的三个部位出现较大的压应力,三个部位的表面残余应力分别为 ,和 ,卸荷槽和过渡圆弧处的表面残余应力分别为 和 ;目砂纸
7、打磨、车削以及 目砂纸打磨所形成的表面残余应力均在 左右。在车轴周向方向,除了第一段磨削位置出现轻微的拉应力外,其他地方均为压应力,而磨削部位的压应力也明显小于其他部位,其他表面处理工艺所形成的周向表面残余应力均在 左右,卸荷槽部位和过渡圆弧部位的周向表面残余应力分别为 和 。滚压部位所形成的周向表面残余应力比其他表面处理工艺大,这与轴向表面残余应力的测试结果一致,说明滚压表面处理工艺可以形成较大的表面残余应力。由此可知,经滚压处理后,轴向残余应力提升最明显,这是因为工具头在车轴表面进行高频率的冲击,在材料内部产生了微观塑性变形,在冲击过程中产生了新的压应力。较大的表面残余压应力可以有效抑制疲
8、劳裂纹的萌生,从而提高车轴的疲劳性能 。对四根车轴卸荷槽部位(表面处理工艺均为抛工 具 技 术光)的表面残余应力进行横向对比,在四根车轴卸荷槽部位分别测试 个点,并取其平均值作为该部位的最后测量结果,测量结果见图 。()号车轴轴向表面残余应力测试结果()号车轴周向表面残余应力测试结果图 号车轴 种工艺表面残余应力测试结果()卸荷槽测试部位()轴向表面残余应力()周向表面残余应力图 四根车轴卸荷槽部位及表面残余应力测试结果由图 可知,在卸荷槽部位,四根车轴沿轴向的表面残余应力均呈现压应力状态,但是四者之间差别较大,其中压应力最大的是 号 滚压车轴,为 ,最小的是 号第一根不同表面处理工艺的车轴,
9、为 ,号国产智奇车轴卸荷槽部位沿轴向的表面残余应力为 ,号日本进口车轴的表面残余应力为 。四根车轴卸荷槽部位周向表面残余应力的测试结果显示,四根车轴周向的表面残余应力大致相当,最大的 号(日本进口)车轴,为 ,最小的是 号车轴,其值为 ,四根车轴周向表面残余应力的差值为 ,显示四根车轴沿周向的表面残余应力值相当。说明不同的表面处理工艺对卸荷槽表面残余应力的影响主要是轴向表面残余应力,而对周向的表面残余应力影响不大。就 根车轴而言,号和 号车轴的周向以及轴向的表面残余应力值均较大,说明 号和 号车轴的表面处理工艺能在卸荷槽部位形成较大的表面残余应力。?表层残余应力对不同表面处理工艺部位进行表层残
10、余应力的测试,在每个测试部位沿表面到心部的方向测试 个点,个点距离表面的距离分别为 ,以及 ,探究表面加工工艺对残余应力的影响深度。测试结果见图 。分析图 可知,号车轴 种不同表面处理工艺在距离表面 处的表层残余应力值波动较大。在 处的最大表层残余应力是卸荷槽部位,为 ,最小的是 目砂纸打磨表面处理部位,为 。而在其它表面处理工艺的部位,在距离表面 处的表层残余应力大致相当,有表现压应力状态的,也有表现出轻微拉应力状态的。在 处卸荷槽部位表现为轻微的拉应力状态,在卸荷槽部位距离表面 处表现为压应力 年第 卷 状态,说明该处的表面处理工艺对车轴表层残余应力的影响已很难达到 处的状态。而在车轴其他
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