表面加工工艺对动车组车轴表面性能的影响.pdf

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；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，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。而在车轴其他表面处理工艺距离表面 处，几乎接近无压力状态，拉压应力均在 以内，同样也验证了关于表面处理工艺对车轴表层残余应力影响深度的结论。号车轴 和 处表层残余应力号车轴 和 处表层残余应力图 号车轴表层残余应力测试结果不同表面处理工艺在距离表面 处的表层残余应力变化值均在 以内，说明表面处理工艺对距离表面 处的影响不大；不同表面处理工艺在距离表面 处的表层残余应力变化值均在 以内，进一步说明了表面处理工艺不能影响到距离表面 的深度。?微观形貌分析图 为四根车轴表面形貌。可以看到，号车轴并未出现明显的磨损现象，该车轴的损伤主要是在运输过程中出现的损伤以及在保存过程中可能出现的损伤。其余三根车轴各部位均有纵向的犁沟，此特征为典型的磨粒磨损，说明在车轴服役过程中发生了磨粒磨损 。在卸荷槽部位还出现了与车轴轴向平行的痕迹，此痕迹大多来自于退轮过程或者车轴运输过程中的人为损伤。（）号车轴磨削部位（）号车轴卸荷槽部位（）号车轴滚压部位（）号车轴过渡圆弧部位（）号车轴 目砂纸打磨部位（）号车轴车削部位（）号车轴 目砂纸打磨部位（）号车轴卸荷槽部位（）号车轴卸荷槽部位（）号车轴卸荷槽部位图 四根车轴表面微观形貌（）?抛光工艺稳定性研究针对标准动车组车轴卸荷槽部位抛光后的表面残余应力，分析抛光工艺的操作稳定性。对 根标准动车组车轴卸荷槽部位进行表面残余应力测试，具体测试部位见图 所示。规定沿轴向测试方向为轴向，垂直于轴向测试方向为周向。测试结果如表所示，其中轴号用 表示。图 车轴抛光工艺稳定性研究测试部位工 具 技 术表 车轴抛光工艺稳定性研究测试结果（）轴号 周向 轴向 轴号 周向 轴向 轴号 周向 轴向 周向结果如图 所示，可以看到，根标准动车组车轴卸荷槽部位经过抛光处理后，周向表面残余应力均为压应力状态，而在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均不一样，应力最大为 ，应力最小为 。从图中还可以看到，在数值较为稳定的区域是集中在 之间。排除偶然因素的影响，可以确定车轴卸荷槽部位在经过抛光处理工艺后，所形成的周向表面残余应力的范围在 之间。图 标准动车组车轴周向测试结果轴向结果如图 所示，可以看到，同周向一样，根标准动车组车轴卸荷槽部位经过抛光处理后，轴向的表面残余应力也均为压应力状态，相较于周向的表面残余应力而言，轴向表面残余应力略小于周向的表面残余应力。而在不同操作员以及不同时段打磨抛光形成的表面残余应力均不一样，最大应力为 ，最小应力为 。从图中还可以看到，数值较为稳定的区域集中在 之间。排除偶然因素的影响，可以确定车轴卸荷槽部位在经过抛光处理工艺后，所形成的轴向表面残余应力的范围在 之间。图 标准动车组车轴轴向测试结果?抛光参数对车轴性能的影响针对标准动车组车轴卸荷槽部位，研究不同车床转速、砂纸目数等参数对该部位表面残余应力以及表面粗糙度的影响。不同转速和砂纸目数对车轴表面粗糙度的影响在车床转速分别为 ，情况下，分别使用 目、目、目、目的砂纸抛光车轴，所测得的车轴表面粗糙度见表 。表 不同转速和砂纸目数的卸荷槽表面粗糙度 目数转速 目 目 目 目 图 为由表 所得结果绘制的折线图，在同一砂纸目数打磨的情况下，随着转速的增加，车轴表面的粗糙度也随之略有增加；在同一转速下，砂纸的目数越高，车轴表面的粗糙度越小。年第 卷 图 不同转速和砂纸目数的车轴表面粗糙度变化趋势 不同转速和砂纸目数对车轴表面残余应力的影响在车床不同转速 ，的情况下，分别使用 目、目、目、目的砂纸打磨车轴，所测得的车轴表面残余应力值如表 所示。表 不同转速和目数的卸荷槽表面残余应力（）目数转速 目 目 目 目周向轴向周向轴向周向轴向周向轴向 表面残余应力随砂纸目数的变化如图 和图 所示，可以看到经过抛光处理后的卸荷槽表面均呈压应力状态，车轴卸荷槽表面的残余压应力的数值随着砂纸目数的增加而减小。这是因为砂纸目数增加磨粒减小，同时作用于车轴表面上的磨粒数量相应增加，每个磨粒上的作用力减小，磨粒在车轴表面划出沟痕的两侧出现了较小的隆起，车轴表面的压应力和不均匀塑性变形程度随之减小，导致残表面残余压应力下降 。图 不同砂纸目数的车轴周向表面残余应力图 不同砂纸目数的车轴轴向表面残余应力车轴表面残余应力随车床转速的变化如图 和图 所示，经过抛光处理后的车轴卸荷槽表面均呈压应力状态。随着车床转速的提高，车轴卸荷槽表面残余压应力的数值随之增大。其原因在于，车床转速增大，相应地使砂纸作用于车轴表面的次数增加。相当于使车轴的“加工”次数增加，所以表面残余应力随着车床转速的增加而增大 。图 不同转速的车轴周向表面残余应力图 不同转速的车轴轴向表面残余应力表面残余应力的大小与粗糙度高低均为评判车轴加工质量的指标，粗糙度越低，车轴的表面越光滑，较高的粗糙度会增加车轴在服役时过盈配合处的应力集中现象，加剧车轴的损伤 。同时，较大的表面残余压应力可以有效抑制车轴疲劳裂纹的萌工 具 技 术生，从而增强车轴的服役性能 ，因此，需选择合适的粗糙度与表面残余应力值。结合上述分析可知，虽然不同转速与不同的砂纸目数会对表面残余应力造成影响，但总体波动不大，相反却对粗糙度的影响相对明显。因此，转速与砂纸目数的改变对粗糙度的影响大于对表面残余应力的影响，在选定抛光参数时，应以粗糙度为主，表面残余应力为辅 。在 目、转速抛光后，车轴表面粗糙度较低，表面残余应力也处于适中位置，可以保证车轴的表面抛光情况相对较好。?结语（）滚压处理工艺形成的表面残余压应力值最大，目砂纸打磨与 目砂纸所形成表面残余应力大致相当。（）各部位在 处的表层残余应力值差异较大，说明不同的加工工艺对车轴表层残余应力的影响可以达到 的深度；但是在 以及更深处的体残余应力均接近于无应力状态，可以判定，不同的加工工艺对车轴表层残余应力的影响较难达到 以上的深度。（）车轴各个部位均发生了不同程度的损伤，多以周向发生磨粒磨损而导致的犁沟为主，而在轴向，多以轴向的划痕为主，未发现微观疲劳裂纹，大多是车轴退轮过程中形成的轴向划痕或车轴运输过程中造成的人工划痕。（）根标准动车组车轴卸荷槽部位经过抛光处理后，周向的表面残余应力均为压应力状态，而在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。所形成的周向表面残余应力的范围在 之间，轴向表面残余应力的范围在 之间。（）在同一砂纸目数抛光的情况下，随着转速的增加，车轴表面粗糙度也随之略有增加；在同一转速下，砂纸的目数越高，车轴表面粗糙度越小。经过抛光处理后的车轴表面均呈压应力状态，车轴表面残余应力的数值随着砂纸目数的增加而减小，随着抛光转速的提高，车轴表面残余压应力的数值随之增大。参考文献 赵辽翔 车轴钢微动疲劳损伤特性的研究 南昌：华东交通大学，：，（）：于鑫，李世涛，孙杰 车轴车削表面完整性研究 工具技术，（）：李世涛，于鑫，孙杰，等 车轴车削工艺参数与表面粗糙度关系研究 工艺与检测，（）：景启明，曲顺德，季亚奇，等 国产 车轴钢的缺口疲劳性能 机械工程材料，（）：陈利钦，项彬，任学冲，等 表面超声滚压处理工艺对高速列车车轴钢表面状态的影响 中国表面工程，（）：，：何成刚 车轮材料摩擦疲劳损伤机理及微观组织演变行为研究 成都：西南交通大学，杜杨，李恒，于福盛，等 表面粗糙度对残余应力测量结果的影响 焊接，（）：，：朱莉娜，邓彩艳，王东坡，等 表面粗糙度对 合金超高周疲劳性能的影响 金属学报，（）：刘海涛，卢泽生，孙雅洲 切削加工表面残余应力研究的现状与进展 航空精密制造技术，（）：第一作者：冯中立，硕士，工程师，中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东省青岛市 ：，通信作者：彭金方，博士，副研究员，西面交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室，成都市 ：，年第 卷