車軸表面滾壓工藝技術(shù)研究*

吳 煥，王 強(qiáng)，吳慶堂，修 冬，李 珊，王澤震，應(yīng)宇翔，段學(xué)俊，魏 巍，郭 波

(長(zhǎng)春設(shè)備工藝研究所，吉林 長(zhǎng)春 130012)

車軸是軌道車輛行走部分的核心元件，是軌道車輛承載重量和安全運(yùn)行的關(guān)鍵零件。軌道車輛運(yùn)行過程中，車軸長(zhǎng)時(shí)間在大載荷、滑動(dòng)摩擦條件下工作，車軸表面極易產(chǎn)生疲勞裂紋，導(dǎo)致車軸疲勞失效。因此，提高車軸表面性能，增加抗疲勞強(qiáng)度，進(jìn)而延長(zhǎng)其使用壽命則尤為重要。

車軸表面經(jīng)過傳統(tǒng)車削、磨削等加工后會(huì)在車軸表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，降低車軸抗疲勞和耐腐蝕性[1]，為了改善車軸表面應(yīng)力狀態(tài)，降低表面粗糙度，提高硬度，需對(duì)車軸表面進(jìn)行滾壓強(qiáng)化。吳超等[2]通過對(duì)動(dòng)車組EA4T車軸的滾壓試驗(yàn)，探討滾壓力、進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)車軸表面質(zhì)量的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明，在車軸滾壓時(shí)，應(yīng)當(dāng)在一定范圍內(nèi)增大滾壓力和主軸轉(zhuǎn)速，且進(jìn)給速度不宜過大。于鑫等[3]通過對(duì)EA4T車軸進(jìn)行滾壓加工，使其表面粗糙度降低，殘余拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，表面硬度提升。周航等[4]綜述了表面強(qiáng)化技術(shù)的強(qiáng)化機(jī)理和各種工藝方法。有研究表明，車軸經(jīng)滾壓強(qiáng)化處理后，其表面硬度提升約27%，表面粗糙度由精磨的0.8下降至0.2，使得車軸的疲勞極限提高約1.5倍[5-6]。張樹禮等[7]闡述了用滾壓曲軸主軸頸和連桿頸圓角的方法，來提高曲軸抗疲勞強(qiáng)度和使用壽命，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。研究表明，滾壓工藝較其他處理方式具有較深的殘余應(yīng)力層和較低的粗糙度，可有效降低工件表面的疲勞破壞，通過工件的滾壓有限元數(shù)值分析驗(yàn)證了滾壓力、滾壓速度等參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力和粗糙度的影響[8-10]。本文以高鐵某軸型為例，根據(jù)車軸的結(jié)構(gòu)尺寸、精度及刀具特性確定工藝參數(shù)，進(jìn)行滾壓試驗(yàn)，車軸圓弧段與圓弧段、圓弧段與直線段連接處滾壓有重合區(qū)域，采用漸變式搭接方式處理大角度圓弧段滾壓；針對(duì)進(jìn)給量、滾壓力、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等關(guān)鍵工藝參數(shù)，分別進(jìn)行了滾壓球拋光滾壓(見圖1)和滾壓輪強(qiáng)力滾壓試驗(yàn)(見圖2)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究。

圖1 滾壓球拋光滾壓工藝試驗(yàn)

圖2 滾壓輪滾壓工藝試驗(yàn)

1 圓弧段滾壓試驗(yàn)分析

車軸圓弧段滾壓采用滾壓球進(jìn)行拋光滾壓，滾壓刀具采用ecoroll公司±60°的滾壓球刀具，使用φ13 mm滾壓球滾壓時(shí)，適合30°～90°和90°～150°的圓弧段滾壓，見圖3中C區(qū)域，使用φ6 mm滾壓球滾壓時(shí)負(fù)責(zé)-30°～30°的圓弧段滾壓，見圖3中A區(qū)域。滾壓過程由于換刀接刀，在交叉過渡區(qū)路徑和壓力控制不好時(shí)，極易形成凸起現(xiàn)象產(chǎn)生接刀痕(見圖4)，出現(xiàn)色差，表面粗糙度無法達(dá)到Ra0.4 μm的要求，圓弧形狀精度超出允差，所以需要對(duì)交叉過渡區(qū)的路徑、滾壓力進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 φ13 mm與φ6 mm滾壓球進(jìn)行圓弧滾壓示意圖

圖4 圓弧段滾壓過程中產(chǎn)生的接刀痕

1.1 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面質(zhì)量的影響

根據(jù)滾壓路線進(jìn)行拋光滾壓試驗(yàn)，分析主軸轉(zhuǎn)速對(duì)圓弧段表面粗糙度、表面硬度的影響。保持滾壓壓力為200 bar，圓弧段初始硬度為205 HBW，試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。隨著主軸轉(zhuǎn)速的提升，表面粗糙度值逐漸增大，影響較大，對(duì)車軸表面硬度影響比較小。

圖5 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響

圖6 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面硬度的影響

1.2 滾壓壓力對(duì)表面質(zhì)量的影響

對(duì)拋光滾壓進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，分析滾壓壓力對(duì)表面質(zhì)量的影響。保持主軸轉(zhuǎn)速270 r/min、進(jìn)給速度0.2 mm/r，圓弧段初始硬度為209 HBW，試驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示，隨著滾壓壓力的變大，圓弧段表面粗糙度變化不明顯，表面硬度顯著提升。

圖7 滾壓壓力對(duì)表面粗糙度的影響

圖8 滾壓壓力對(duì)表面硬度的影響

1.3 進(jìn)給速度對(duì)表面質(zhì)量的影響

對(duì)拋光滾壓進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，分析進(jìn)給速度對(duì)表面質(zhì)量的影響。保持主軸轉(zhuǎn)速270 r/min、進(jìn)給速度0.2 mm/r，圓弧段初始硬度為209 HBW，試驗(yàn)結(jié)果如圖9和圖10所示，隨著進(jìn)給速度的增加，表面粗糙度顯著變大，車軸表面硬度變化不明顯。

圖9 進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響

圖10 進(jìn)給速度對(duì)表面硬度的影響

綜上所述，根據(jù)車軸表面質(zhì)量要求，進(jìn)行滾壓球拋光滾壓工藝參數(shù)匹配，主軸轉(zhuǎn)速選擇270 r/min，滾壓壓力在200 bar以上，選擇進(jìn)給速度范圍為0.1～0.2 mm/r，滿足硬度提升20%的要求。液壓球拋光滾壓圓弧試驗(yàn)效果圖如圖11所示，經(jīng)拋光滾壓后，車軸表面粗糙度為Ra0.152 μm，硬度為270 HBW。

圖11 液壓球拋光滾壓圓弧試驗(yàn)效果圖

2 直線段滾壓試驗(yàn)分析

采用機(jī)械滾壓輪進(jìn)行直線段強(qiáng)力數(shù)控滾壓工藝試驗(yàn)(見圖12)。

圖12 機(jī)械輪車軸強(qiáng)力滾壓工藝試驗(yàn)

主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)表面質(zhì)量的影響與圓弧段近似，直線段只分析滾壓輪吃刀量對(duì)表面質(zhì)量的影響。

保持主軸轉(zhuǎn)速為270 r/min，進(jìn)給速度為0.1 mm/r，初始硬度為230 HBW，試驗(yàn)結(jié)果如圖13和圖14所示，吃刀量對(duì)車軸表面粗糙度影響不顯著，對(duì)車軸表面硬度影響較大，當(dāng)吃刀量<0.3 mm時(shí)，表面硬度隨著吃刀量的增大而增大，當(dāng)吃刀量>0.3 mm時(shí)，表面硬度變化不明顯。

圖14 吃刀量對(duì)表面硬度的影響

綜上所述，根據(jù)車軸表面質(zhì)量要求，進(jìn)行機(jī)械滾壓輪直線段強(qiáng)力數(shù)控滾壓工藝參數(shù)匹配，主軸轉(zhuǎn)速選擇270 r/min，吃刀量0.3～0.5 mm，進(jìn)給速度0.1 mm/r，滿足硬度提升20%的要求。機(jī)械輪強(qiáng)力滾壓直線段試驗(yàn)效果圖如圖15所示，表面粗糙度為Ra0.269 μm，最佳硬度為279 HBW，硬度提升21.3%。

圖15 機(jī)械輪強(qiáng)力滾壓直線段試驗(yàn)效果圖

3 結(jié)語

1)圓弧段滾壓時(shí)：主軸轉(zhuǎn)速選擇270 r/min，滾壓壓力在200 bar以上，選擇進(jìn)給速度范圍為0.1～0.2 mm/r。

2)直線段滾壓時(shí)：主軸轉(zhuǎn)速選擇270 r/min，吃刀量0.3～0.5 mm，進(jìn)給速度0.1 mm/r。

經(jīng)過滾壓后的車軸表面質(zhì)量滿足了技術(shù)指標(biāo)要求，圓弧段表面粗糙度優(yōu)于Ra0.152 μm，直線段表面粗糙度優(yōu)于0.269 μm，硬度提升20%～30%，車軸表層硬度達(dá)到279 HBW。