鐵路車軸表面殘余應力研究

鐵路車軸表面均存在殘余應力，表面殘余壓應力可有效提升車軸使用過程中抗疲勞性能，通過研究精鍛機和快鍛機鍛造生產車軸殘余應力，正火、調質和亞臨界淬火熱處理方式車軸殘余應力，以及幾種車軸機加工方式（車削、磨削和滾壓）生產車軸殘余應力等分布情況，了解不同狀態(tài)車軸表面殘余應力的狀態(tài)，從而便于認識每種加工方法下表面殘余應力的變化特點。1

序言鐵路運輸生產安全與國民經濟、社會生產、人民物質文化生活息息相關，也是國防建設的重要交通工具。鐵路車軸為決定車輛運行安全的重要零部件，隨著鐵路運輸的提速、車輛重載化和車輛輕量化設計要求，對車軸的使用安全性也提出了更高的要求。車軸表面殘余應力直接影響車軸使用安全性，足夠的表面壓應力可有效提升車軸使用壽命，通過研究現(xiàn)階段常用加工方法生產車軸的殘余應力差別，充分認識車軸殘余應力的分布狀態(tài)。車軸殘余應力主要為軸向（縱向）和環(huán)向（圓周方向）兩個方向的殘余應力，鐵路車軸以一定速度旋轉，表面承受離心力，其與環(huán)向殘余應力有關，車軸在載重狀態(tài)下，主要承受旋轉彎曲應力，也是車軸失效的主要因素，其與軸向殘余應力有關。本文主要從鍛造方式（精鍛機鍛造和快鍛機鍛造）、熱處理方式（正火、調質和亞臨界淬火）、加工方式（車削和磨削）和表面處理方法（淺滾壓和深滾壓）方面對車軸軸向殘余應力進行研究[1]。2

鍛造方式對車軸殘余應力的影響現(xiàn)階段，鐵路車軸鍛造設備主要為精鍛機和快鍛機，鍛造過程金屬流動分析如圖1所示。從圖1可知，精鍛機鍛造車軸時表面金屬流動性較大，快鍛機鍛造車軸時內部金屬流動性較大。采用精鍛機和快鍛機分別鍛造相同車軸后，經過同一工藝加工后，測量車軸表面殘余應力，結果見表1。表面下0.1～5mm殘余應力變化如圖2所示。從圖2可知，精鍛機鍛造和快鍛機鍛造近表面處為壓應力，隨著深度增加，壓應力減小為零，然后變?yōu)槔瓚?，且精鍛機鍛造表面壓應力大于快鍛機鍛造。a）精鍛機鍛造

b）快鍛機鍛造圖1鍛造過程金屬流動分析表1不同鍛造方式下的殘余應力結果圖2不同鍛造方式表面不同位置殘余應力變化3

熱處理方式對車軸殘余應力的影響車軸常用熱處理方式有正火、調質、亞臨界淬火[2]，本文針對正火+空冷、正火+強制風冷、調質和亞臨界淬火4種狀態(tài)車軸，經同一工藝加工后進行殘余應力測試分析，結果見表2。

表面下0.1～5mm殘余應力變化如圖3所示。從圖3可知，熱處理近表面處為壓應力，隨著深度增加，壓應力減小。車軸表面殘余應力與冷卻速率有關，冷卻速率越大，表面殘余壓應力越大，亞臨界淬火表面壓應力最大[3]。表2不同熱處理方式下的殘余應力結果

圖3不同熱處理方式表面不同位置殘余應力變化4

加工方式對車軸殘余應力的影響車軸表面終加工狀態(tài)有車削、磨削、常規(guī)滾壓及深滾壓，其中車削為終加工狀態(tài)時，多用于承受應力相對較小、結構平直表面；磨削多用于相對安全系數小的配合部位；常規(guī)滾壓多用于提升工件表面粗糙度；深滾壓主要用于提升表面強度[4]。4種加工方式工件表面特征如圖4所示，表層組織狀態(tài)如圖5所示。對以上4種不同加工狀態(tài)表面進行了殘余應力測試，結果見表3，表面下0.1～5mm殘余應力變化如圖6所示。a）車削

b）磨削

c）常規(guī)滾壓

d）深滾壓圖4不同加工方式工件表面特征a）車削

b）磨削

c）常規(guī)滾壓

d）深滾壓圖5工件表層組織狀態(tài)

表3不同加工狀態(tài)下的殘余應力

圖6不同加工方式表面不同位置殘余應力變化從圖5、圖6可知，車削切削量相對較大，易形成較小的表面撕裂缺陷，增加表面加工拉應力，大車削量容易產生較大的表面拉應力；磨削可有效地消除車削過程產生的缺陷層，加工后組織與基體一致[5]；常規(guī)滾壓和深滾壓均可有效改善表面組織，使表面組織更加致密，并能夠有效增加表面壓應力。另外，深滾壓影響的深度大，常規(guī)滾壓有效層厚度約為1.5mm，而深滾壓可達到4mm以上，且壓應力提升效果更明顯，可提高工件抗疲勞性能[6]。5

結束語通過從鍛造方式、熱處理方式和加工方式等不同方面進行殘余應力比較研究，分析表明：車軸深滾壓、常規(guī)滾壓和亞臨界淬