車軸加工殘余應力研究

宋韜 管益輝 秦述勇

摘要：隨著人們生活水平的提升，對于出行的需求也在不斷提升。為了適應越來越多的乘客，高速、重載成為了軌道車輛發(fā)展的方向，而高速內(nèi)燃動車組也被提上研究方向。由于內(nèi)燃動力包安裝到車輛上，導致軸重進一步提升，對承重部件的性能要求更為嚴格。車軸作為承載中的核心部件，在行駛過程中受到軌道、懸掛系統(tǒng)的復雜隨機旋轉(zhuǎn)彎曲扭轉(zhuǎn)載荷，工作環(huán)境十分惡劣。車軸在加工過程中會有殘余應力的產(chǎn)生，尤其是空心車軸空心部位的加工，控制車軸加工殘余應力對分析車軸疲勞壽命具有重要的意義。

Abstract： With the improvement of people's living standards， the demand for travel is also increasing. In order to adapt to the increasing number of passengers， high-speed and heavy-duty rail vehicles have become the development direction， and high-speed internal combustion EMUs have also been put on the research direction. As the internal combustion power package is installed on the vehicle， the axle load is further increased， and the performance requirements of the load-bearing parts are more stringent. Axle， as the core part of load bearing， is subjected to the complex random rotation， bending and torsion load of track and suspension system in the process of driving， and the working environment is very bad. There will be residual stress in the processing of axle， especially in the processing of hollow part of axle. It is of great significance to control the residual stress in the processing of axle to analyze the fatigue life of axle.

關鍵詞：車軸;加工;殘余應力

Key words： axle;machining;residual stress

中圖分類號：U260.331+.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0057-02

1? 研究背景

軌道行業(yè)憑借其快速穩(wěn)定，運量大，成本低一直在運輸行業(yè)占有足夠的地位。我國地域遼闊，人們對貨物運輸和出行需求量大，乘坐汽車的安全性不足而航空價位高運量小。鐵路運輸正好彌補了這些缺陷，成為人們首選的交通工具。近些年我國大力發(fā)展軌道行業(yè)，高速列車、雙層列車、動車組列車、內(nèi)燃動車組列車等相繼被提出并設計生產(chǎn)。內(nèi)燃動車組是近些年提出的研究方向，因為內(nèi)燃動車組動力包搭載到車輛本上，車輛的軸重較高，而車軸作為核心部件在內(nèi)燃動車組的可靠具有十分重要的研究意義。車軸加工是車軸生產(chǎn)過程中十分重要的步驟，適當?shù)募庸し椒ê图庸すに嚹軌虮ＷC車軸加工的質(zhì)量，進而保證車軸運行過程中的運行品質(zhì)。車軸加工性能直接關系到車輛的安全性與穩(wěn)定性，控制車軸加工殘余應力對分析車軸疲勞壽命具有重要的意義。

2? 車軸加工工藝

車軸作為列車走行部中極為重要的組成部分，加工工藝尤其重要。車軸加工過程包括鍛造和加工兩大重要分類。其中尤其以加工最為復雜也更為重要。為了降低車輛簧下質(zhì)量，緩和車輛運行過程中的輪軌沖擊力，多把車軸中心掏空做成空心車軸使用。而空心車軸加工工藝要求高，加工面粗糙度要求嚴格，殘余應力需要重點關注，尤其是空心部位的加工，空心車軸中的空心部位為光面通孔，其空心部位為直徑30的通孔，長徑比達到75，孔的直線度要求不超過0.1mm/m，孔內(nèi)粗糙度要求不大于Ra1.6μm。本文以EA4T空心車軸為例介紹車軸精密加工，車軸基本形態(tài)如圖1所示。

3? 殘余應力概念及生成原因

殘余應力工業(yè)生產(chǎn)過程中十分常見的一種應力情況，該應力通過機械加工、熱處理等方式后殘余在工件內(nèi)部。殘余應力存在非常普遍，一般切削加工與表面強化工藝都會導致殘余應力的產(chǎn)生。殘余應力會顯著影響材料的使用性能，如耐磨性、耐腐蝕性、斷裂初性、尺寸穩(wěn)定性等，特別是影響材料的抗疲勞性能。

機械應力、熱應力以及相變都會引起工件殘余應力的產(chǎn)生，也是最常見的產(chǎn)生方式。機械應力引起的殘余應力主要是指工件受到機械力的作用產(chǎn)生不均勻的塑性變形而引起的殘余應力;熱應力引起的殘余應力主要是指工件受到不均勻的冷卻或加熱過程形成了溫度梯度使局部收縮或膨脹而引起的殘余應力;相變引起的殘余應力主要是指工件材料發(fā)生相變導致不均勻的體積變化造成的殘余應力，加工過程中材料變形如圖2所示。

4? 車軸加工殘余應力

車軸在生產(chǎn)加工過程總，刀具對車軸的作用力一方面使車軸發(fā)生塑性變形，一方面產(chǎn)生大量的機械加工熱量。當車軸空心部位深鉆孔時，車軸內(nèi)壁受到鉆孔的影響產(chǎn)生塑性變性，刀具的切削力壓縮沿車軸內(nèi)表面方向材料，使其收縮，而垂直于車軸內(nèi)表面方向材料被拉伸，車軸不等同性的材料變化導致了殘余應力的產(chǎn)生;在深孔加工過程中，雖有切削液的存在，但是還是不可避免的出現(xiàn)的大量熱量使車軸產(chǎn)生不均勻的熱量變化，導致車軸表面出現(xiàn)溫度梯度變化產(chǎn)生的殘余應力。雖在珩磨內(nèi)孔粗糙度的情況下會削減大量的殘余應力，且將內(nèi)孔表面處理圓滑，但不可避免的存在些許殘余應力的情況。

5? 殘余應力的檢測方法

根據(jù)檢測方法是否會對測試部件造成破壞，可將檢測方法分為有損檢測與無損檢測兩大類。有損法測試法的基本原理是利用機械的方法將待測工件一部分去除，使待測工件釋放部分應力產(chǎn)生位移或應變，進而通過測量這些位移或應變，計算得到待測工件的原始殘余應力。無損測試法則主要通過物理的方法進行殘余應力的檢測。目前針對車軸表面殘余應力檢測的方法主要有：鉆孔法、X射線衍射法、中子衍射法、納米壓痕法等。

在上述殘余應力的檢測方法中，X射線衍射法相比鉆孔法，耗時較少，且對車軸表面無損傷;相比中子衍射法，成本較低，且精度可以滿足要求;相比納米壓痕法，耗時較少，操作方便，技術成熟且計算量小。由于檢測過程無損且方便快捷，X射線衍射法在生產(chǎn)現(xiàn)場受到普遍應用。但X射線在金屬材料中穿透能力有限，達到的厚度僅為凡微米到幾十微米。因此，在實際的車軸生產(chǎn)制造過程中，X射線衍射法通常被用來測定表面殘余應力。

6? 殘余應力的控制

根據(jù)上文對車軸加工工藝的分析，車軸加工過程中必然會產(chǎn)生殘余應力?？刂茪堄鄳Φ漠a(chǎn)生或者將殘余應力加以利用能夠有效的提供車軸的性能。根據(jù)車軸加工過程中殘余應力的產(chǎn)生原因進行分析，刀具對殘余應力的影響最大。根據(jù)刀具情況分析，當車軸加工刀具隨刀尖圓弧半徑增大，刀尖對車削加工表面的“擠光效應”增強，導致加工刀具產(chǎn)生的壓應力增大，殘余應力會相應增大;同時由于刀尖“變頓”，車軸加工過程中的切屑變形增大，后刀面與車削加工表面之間摩擦增大，切削產(chǎn)熱增加，產(chǎn)生的熱量梯度明顯，熱應力產(chǎn)生的殘余應力增大。所以對于車軸加工來書，刀具的選擇應該根據(jù)車軸的具體形狀針對性選擇，避免因為刀具擠光效應或者劇烈的摩擦生熱產(chǎn)生大量的機械殘余應力或者熱殘余應力。

7? 切削殘余應力消除方法

車軸進行切削加工后，車軸表層存在很大的殘余應力，因此，車軸加工后需要進行消除或減小加工殘余應力，方可進入后工序進行生產(chǎn)和使用。目前，軌道交通企業(yè)采用的車軸應力消除有自然消除法和人工消除法兩大類。

自然消除法是將加工完成的車軸存放至自然環(huán)境中，經(jīng)過長期的放置，并且在自然環(huán)境的影響下，使其加工殘余應力逐漸的釋放減弱。由于自然消除法要求存放時間較長，極大的占用企業(yè)資源，生產(chǎn)效率極低，不利于企業(yè)的快速生產(chǎn)，因此自然消除法通常僅適用于試驗用車軸的殘余應力消除。

熱處理法是人工消除車軸加工殘余應力的重要方法，熱處理法通常是對車軸進行升溫和降溫方法使車軸內(nèi)部的加工殘余應力得到釋放和消除。熱處理法通常選擇低溫去應力退火，在實際的生產(chǎn)過程中通常是將加工完成后的車軸放置在加熱爐中均勻地加熱到一定的溫度，經(jīng)過一定時間的保溫后，然后取出放置在自然環(huán)境中進行冷卻。

振動消除法是人工消除車軸加工殘余應力另一種重要的方法，振動消除法通過將車軸安置在振動設備上，振動設備帶動車軸不斷的振動，使得車軸在振動過程中產(chǎn)生細微的塑性形變，以此來消除和降低車軸加工后的內(nèi)部的殘余應力，增強車軸的穩(wěn)定性。振動消除法操作采用彈性物質(zhì)對車軸進行支撐，將振動設備安裝在車軸上，振動設備振動使得車軸與振動設備達到一種共振的狀態(tài)，保持此共振狀態(tài)持續(xù)一定的時間，使得車軸加工殘余應力得以消除。

在軌道交通制造業(yè)中，車軸的生產(chǎn)加工過程通常會優(yōu)先選擇熱處理法和振動消除法來消除車軸加工殘余應力。

8? 總結

車軸作為車輛中極為重要的部件，對車輛運行安全具有重要的影響。根據(jù)分析，由于加工工藝本身的性質(zhì)導致車軸加工過程中殘余應力的產(chǎn)生是不可避免的，隨著車輛運行速度的提升以及車輛載重的增加，車軸工作環(huán)境越來越惡劣，車軸殘余應力控制要重點關注。本文基于車軸的基本結構，重點討論空心車軸通孔加工的過程，分析了加工過程中的殘余應力的產(chǎn)生，討論了刀具對殘余應力產(chǎn)生帶來的影響，為車軸加工殘余應力的控制提供參考。

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