滾壓強化技術在鐵路車軸表面處理中的應用

吳文兵

摘要：迄今為止，各種表面強化處理方法多達幾十種，這些方法各有優缺點，適用于不同領域。表面滾壓強化是一種較好的表面強化手段，對于降低零件表面的粗糙度、引入殘余壓應力，改善零件的耐腐蝕、耐磨性和抗疲勞性能均具有重要意義。近年來，滾壓強化技術由于其加工精度高、加工過程不產生廢屑、廢液，有利于節能環保而發展越來越迅速，在航天航空、汽車車軸，火車車軸等很多行業都已廣泛使用。基于此，本文主要對滾壓強化技術在鐵路車軸表面處理中的應用進行分析探討。

關鍵詞：滾壓強化技術;鐵路車軸;表面處理;應用

1、前言

軌道車輛車輪、車軸和軸承過盈裝配在一起稱為輪軸，是確保行車安全的關鍵部件。車輛在運行中，長期承受著交變載荷的作用，使得車軸輪座部位產生極大的應力集中，在應力集中的作用下，該處圓周表面均有產生疲勞裂紋的可能。如果通過某種手段或者方法可改善車軸材料的表面性能，就可很大程度上提高其綜合服役性能和使用壽命，例如在表層引入一定的殘余壓應力，改善表層組織結構等，就能顯著地提高其疲勞強度，而表面強化是一種改善機械零件和構件表面性能，提高疲勞強度的有效工藝方法。

2、滾壓強化技術原理及發展

滾壓表面強化技術是一種無切削的加工方法。滾壓過程中，通過驅動特制的滾壓工具（通常為淬火鋼、硬質合金以及紅寶石等高硬度材料制成的滾柱、滾珠或滾輪等形狀的工具）在零件表面往復滾壓，其強化過程如圖1所示。滾壓零件變形區可分為壓入區域、塑性變形區和彈性恢復區等幾部分，A為壓入區域，表層金屬材料產生塑性流動，填入到低凹的波谷中;B為塑性變形區，當接觸壓力超過材料的屈服極限時，工件被滾壓工具滾壓發生塑性變形;C為彈性恢復區，當滾壓工具逐漸離開被加工表面時，零件表面發生彈性恢復。表面滾壓強化可將機械加工表面不規則的波峰金屬擠進波谷，降低了表面粗糙度;同時，由于在金屬表面產生塑性變形，使表層晶粒組織細化，硬度提高，并形成了殘余壓應力，從而使零件的耐蝕性、耐磨性、配合性和抗疲勞性能得到明顯改善。

3、滾壓強化技術在鐵路車軸中的應用現狀

表面滾壓強化技術又分為機械式滾壓、激光脈沖滾壓、溫滾壓、超聲滾壓以及深冶滾壓等多種復合式工藝。

3.1機械滾壓技術的應用現狀

機械式滾壓屬于傳統滾壓方法，它是將待加工工件固定在車床或數控機床上，采用選定的滾壓工具（輥輪，滾珠，輥軸）通過液壓驅動或切削液作為介質迚行滾壓加工。裝置原理如圖2所示。

通過對機車車軸卸荷槽表面滾壓強化研究，提出了采用機械式雙輥輪滾壓成型加工HXn3機車車軸的成型滾壓工藝，經過驗證，該滾壓工藝加工工藝性，運用可靠性，裝置經濟性，產品的生產效率和加工質量等各方面都得到了明顯的提升效果。

通過對內燃機機車軸頸進行機械式滾壓強化，結果表明滾壓可使車軸的疲勞強度提高1.4～1.5倍，表面硬度一般可提高25%～30%。通過對EA4T車軸進行滾壓試驗，滾壓后，表面粗糙度從2.446μm降到0.244～1.812μm，殘余應力狀態從拉應力變為壓應力，且表面硬度也有不同程度提高。隨著滾壓速度增大，車軸表面硬度有一定程度的提高，最大硬化率達到44.1%。采用液壓滾壓加工的方法對長軸表面進行光整加工，分析、設計了滾壓裝置的具體結構。

3.2超聲滾壓技術的應用現狀

超聲波輔助滾壓工藝（Surface Ultrasonic Rolling Processing，SURP）是一種將超聲振動和普通滾壓技術相結合而產生的新型滾壓技術。超聲輔助滾壓加工工件表面層的塑性變形量取決于超聲輔助滾壓加工工藝及具體的加工參數。研究表面超聲滾壓（SURP）工藝對高速列車車軸鋼EA4T表面的影響：在SURP處理后，試樣表面軸向殘余壓應力、表面硬度都得到大幅度提升。電力機車的研究者應用超聲沖擊強化對LZ50車軸鋼進行處理，處理后表面形成了一層塑性變形層，表面硬度提高，粗糙度降低和存在較大的殘余壓應力。交通大學的研究者采用超聲滾壓對車軸鋼進行表面強化，在功率180W作用下，試樣的表面硬度提高了25%，表面粗糙度降低了6.5倍，變形層厚度大約為80μm，試樣最表層已轉變為均勻的等軸狀納米晶，晶粒尺寸為40～50nm。

3.3溫滾壓技術的應用現狀

溫滾壓工藝是在普通冶滾壓的基礎上增加了一道加熱工序，在一定溫度下進行普通滾壓，具有比普通滾壓更好的強化效果。日本科技者在20世紀50年代就開始研究了鋼在中溫下加工所引起的性能變化。在“藍脆”區和相變區進行塑性變形能夠得到更細化的組織，表明溫加工有利于組織的強化，提高材料的強度和韌性。20世紀70年代，日本少數廠家發現，溫滾壓強化后的車軸較冶滾壓后的車軸疲勞壽命提高約1.1～1.3倍。我國對溫滾壓研究相對較早，研究者對鐵路重載貨車軸承滾動體溫塑性成形研究表明：金屬材料中溫塑性好，變形抗力低的特點，可以防止成形過程中的開裂。研究者研究了45鋼在不同溫度不同壓下量的組合下的溫滾壓疲勞斷裂問題，結果表明：試樣的滾壓對零件疲勞強度有較大的提高，室溫下最佳下壓量為0.006mm，溫滾壓最佳工藝參數為300℃的溫度、0.15mm的下壓量。

3.4激光輔助滾壓技術的應用現狀

激光輔助滾壓技術始于20世紀70年代，是通過脈沖激光和傳統表面滾壓相結合，利用強脈沖激光產生沖擊波來對材料進行強化，使材料表面產生高密度的位錯，并在材料表層產生殘余壓應力，從而提高材料表面的機械性能，其中激光沖擊強化技術也屬于激光滾壓的范疇。與傳統的噴丸、拋丸等加工相比，激光輔助滾壓技術具有更高的應變率，產生的表面殘余壓應力極值更大、深度更深，疲勞強度得到明顯提高。但是，激光滾壓強化技術尚不成熟，成本較高，目前極少應用于軌道交通材料的加工。

4、發展趨勢

雖然滾壓強化在航天航空、汽車和軌道交通等領域有著廣泛的應用，但是其機理研究、工藝優化及應用領域仍有較大的發展空間，應著重強化以下研究工作：

（1）完善滾壓強化技術，使其能適應零件形式的多樣性，擴大其使用范圍。

（2）研究如何獲得高效穩定的滾壓強化工藝，使不同類型構件表層達到要求。

（3）滾壓機理包括光整強化機理、應力強化機理和組織強化機理。目前在光整強化機理和應力強化機理的實驗研究還比較深入，但對組織強化機理的實驗研究較少，相對試驗性規律研究而言滾壓機理的理論分析比較薄弱，所以要加強對這些方面的研究。

（4）加強滾壓零部件內部殘余應力的分析研究。目前，針對材料滾壓后的殘余應力研究均集中在表面殘余應力的研究，而對于殘余應力沿著深度方向上的變化目前未見報道。有研究了滾壓強化后的材料在高溫下應用時其殘余應力的變化情況，研究表明滾壓后零件在高溫下使用時必須考慮組織的不穩定性和殘余應力的改變。

5、結語

雖然表面滾壓技術還有很多理論和技術需要迚一步深入研究，但是采用表面滾壓技術對高速列車的車軸等零部件迚行表面強化處理可提高其疲勞強度，降低運行過程中的安全隱患，為我國高速列車更快的發展提供助力。

參考文獻

[1]劉香茹，周旭東，周航.45鋼帶槽軸溫塑性滾壓強化的數值模擬[J].河南科技大學學報，2010，31（3）：1-7.

[2]周航.溫滾壓表面強化技術研究[D].洛陽：河南科技大學，2010.