兩種刀具下進給速度對ER8車輪表面完整性的影響

朱崇飛　蔡衛(wèi)星　李波　蔡曉君　彭金方　朱旻昊

摘要：研究了菱形和Φ25硬質(zhì)合金兩種刀具下進給速度對ER8車輪表面完整性的影響，并用X射線殘余應力儀、硬度儀、掃描電子顯微鏡和三維表面輪廓儀檢測不同進給速度加工車輪輪緣的殘余應力值、硬度值、表面微觀形貌及粗糙度值。結果表明：在進給速度從0.05 mm/r增加到0.1 mm/r，再增加到0.2 mm/r的過程中，菱形刀片加工后產(chǎn)生的殘余應力值分別增長了179%和164%。在進給速度從0.2 mm/r增加到0.4 mm/r的過程中，Φ25硬質(zhì)合金刀片加工后產(chǎn)生的殘余應力值增長了397%。兩種刀具加工后的硬度值在200～300 HV之間。在相同進給速度下，菱形刀片加工后的表面紋理寬度和深度均比Φ25硬質(zhì)合金刀片加工后的表面紋理寬度和深度要大，且進給速度越大，紋理寬度和深度相差越大。

關鍵詞：高鐵輪對；車削刀具；進給速度；表面完整性

中圖分類號：U270.33 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.03.006

文章編號：1006-0316 （2023） 03-0034-07

The Impact of Feed Speed of the Two Types of Tools on the Surface Integrity of the ER8 Wheel

ZHU Chongfei1，CAI Weixing1，LI Bo2，CAI Xiaojun2，PENG Jinfang3，ZHU Minhao2

（ 1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.， Qingdao 266111， China;

2.School of Materials Science and Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China;

3.State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China ）

Abstract：The influence of the feed rate of rhombus and Φ25 cemented carbide on the surface integrity of ER8 wheels is studied. X-ray residual stress tester， hardness tester， scanning electron microscope and three- dimensional surface profiler are used to detect the residual stress value， hardness value， surface microstructure and roughness value of the wheel rim processed at different feed speeds. The results show that when the feed rate is increased from 0.05 mm/r to 0.1 mm/r， and then to 0.2 mm/r， the residual stress value of diamond inserts increases by 179% and 164%， respectively. During the process of increasing the feed rate from 0.2 mm/r to 0.4 mm/r， the residual stress value after machining of Φ25 carbide inserts increases by 397%. The hardness values of the two tools after machining are between 200～300 HV. At the same feed speed， the width and depth of the surface texture after processing the diamond insert are larger than those after processing by the Φ25 carbide insert， and the greater the feed speed， the greater the difference between the width and depth of the texture.

Key words：high-speed rail wheelset；turning tool；feed rate；surface integrity

車輪是高速列車的核心走行部件，長期服役于重載荷、熱負荷交互耦合的極端環(huán)境下，苛刻的使役條件對車輪的可靠性與安全性提出了重大挑戰(zhàn)，對車輪的服役性能與安全性能提出了更高要求[1-2]。近年來，以新材料和新設備為代表的新技術不斷發(fā)展，車輪整體研發(fā)、生產(chǎn)加工和制造的水平也取得了長足進步[3]。隨著400 km/h級高速列車關鍵技術的進一步突破，對車輪的綜合性能要求越來越高，但目前高速列車車輪的實際應用狀況還不夠理想，還存在著疲勞損傷、裂紋和多邊形等問題，應當更加深入研究高速列車車輪的生產(chǎn)加工對其性能的影響，找出其影響規(guī)律以提高車輪整體的強度、硬度、韌性和疲勞壽命。李秋澤等[4]分別實測了高速動車組用ER8和ER8C車輪材料的化學成分、金相組織、疲勞特性和疲勞裂紋等數(shù)據(jù)，綜合分析了兩種材質(zhì)車輪的服役性能。謝華勇等[5-8]闡述了殘余應力的產(chǎn)生機理及發(fā)展現(xiàn)狀，通過測量不同進給速度加工后的零件殘余應力值，得出進給量對殘余應力的影響規(guī)律，從而提出優(yōu)化工藝控制已加工表面殘余應力，提高車削加工表面質(zhì)量。張東初等[9-10]通過測量不同加工工藝的粗糙度值，采用數(shù)理統(tǒng)計和回歸分析的方法分析影響表面粗糙度的因素。姜增輝等[11]采用單因素法分析進給量對刀具磨損的影響，得出增加軸向和每齒進給量均會加劇刀具磨損，但增加每齒進給量的加劇效果更低的結論。目前，不同刀具下進給速度對ER8車輪表面完整性影響的研究較少。

本文以高速列車常用的ER8材質(zhì)車輪為試驗對象，使用菱形刀片和Φ25硬質(zhì)合金刀片兩種不同的刀具，在不同進給速度下對車輪進行車削加工，對成形表面進行殘余應力、硬度和SEM（Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡）形貌及粗糙度檢測。通過分析比較得到兩種刀具下進給速度對ER8車輪表面完整性的影響。為高速列車ER8車輪生產(chǎn)加工工藝的優(yōu)化提供參考和依據(jù)。

1 試驗材料與方案

ER8材料具有強度高、硬度大和韌性優(yōu)良的特點，是目前高速列車車輪采用最廣泛的材料。本次試驗選擇1：1比例的ER8材質(zhì)車輪（退火態(tài)），ER8材質(zhì)是EN 13262[12]中的標準牌號，其化學成分的質(zhì)量分數(shù)如表1所示。使用菱形刀片和Φ25硬質(zhì)合金刀片在ER8車輪輪緣上進行車削加工，兩種刀具的型號如表2所示。

為準確反映出兩種刀具下進給速度對ER8車輪表面完整性的影響，切削速度vc和切削深度ap需要保持不變。在車削加工過程中，設置vc＝140 m/min，ap＝0.2 mm，進給速度fn分別為0.05 mm/r、0.1 mm/r、0.2 mm/r、0.4 mm/r、0.6 mm/r、0.8 mm/r和1.0 mm/r。車削加工完成后，運用X射線殘余應力儀、硬度儀、SEM以及白光干涉儀檢測ER8車輪輪緣的殘余應力值、硬度值、表面微觀形貌和粗糙度值。

2 試驗結果及分析

2.1 殘余應力分析

使用X射線殘余應力儀（μ-X360n）沿ER8車輪輪緣車削加工區(qū)域進行測量，每隔45°測量一點，共測8個點，取平均值作為最后的測量結果，如圖1所示。

可以看出，兩種刀具在七種不同進給速度下的殘余應力值既有壓縮殘余應力，也有拉伸殘余應力，當進給速度較小時為壓縮殘余應力，進給速度較大時為拉伸殘余應力。在進給速度從0.05 mm/r增加到1.0 mm/r的過程中，加工ER8車輪表面的殘余應力值均呈現(xiàn)先上升后穩(wěn)定的趨勢。菱形刀片加工的ER8車輪表面殘余應力在進給速度從0.05 mm/r增加到0.1 mm/r，再增加到0.2 mm/r的過程中，殘余應力值分別為-372 MPa、294 MPa和775 MPa，分別增長了179%和164%，上升趨勢非常明顯；在進給速度從0.2 mm/r增加到1.0 mm/r的過程中，殘余應力值則保持相對穩(wěn)定。Φ25硬質(zhì)合金刀片加工的ER8車輪表面殘余應力在進給速度從0.05 mm/r增加到0.2 mm/r和從0.4 mm/r增加到0.8 mm/r的這兩個階段內(nèi)均呈現(xiàn)小幅穩(wěn)定上升趨勢；在進給速度從0.2 mm/r增至0.4 mm/r時，殘余應力值分別為-193 MPa和574 MPa，增長了397%，呈現(xiàn)大幅度的迅速增長。由此可知，菱形刀片加工的ER8車輪殘余應力會受到較小進給速度的影響，而Φ25硬質(zhì)合金刀片加工的ER8車輪殘余應力則會隨著進給速度的增加而不斷增長。

車削加工時，ER8車輪與刀具相互作用，ER8車輪表層金屬受到切削力和切削熱的共同作用，發(fā)生程度不同的塑性變形，如果產(chǎn)生的切削熱過大，還會使ER8車輪表層金屬發(fā)生相變，都會導致殘余應力的產(chǎn)生[13]。過大的殘余應力還會影響ER8車輪的性能和壽命，所以需要根據(jù)使用的刀具選擇合適的進給速度，以降低殘余應力。

2.2 硬度分析

使用里氏硬度儀（TH10）測量ER8車輪輪緣車削加工區(qū)域的硬度，測量時選擇維氏硬度（HV）模式，測量位置及測量點數(shù)與殘余應力相同。測得結果如圖2所示。可以看出，兩種刀具在七種不同進給速度下的硬度值均在低進給速度下呈現(xiàn)小幅度上升趨勢，在中高進給速度下趨于動態(tài)穩(wěn)定，數(shù)值約為260 HV（菱形刀片）和300 HV（Φ25硬質(zhì)合金刀片）。進給速度從0.05 mm/r增加到0.2 mm/r，菱形刀片加工的硬度從205 HV增加到268 HV，增加63 HV，增長幅度30.73%；進給速度從0.05 mm/r增加到0.4 mm/r，Φ25硬質(zhì)合金刀片加工的硬度從204 HV增加到302 HV，增加98 HV，增長幅度48.04%。所以隨著進給速度的增加，菱形刀片加工的ER8車輪硬度上升速度相對Φ25硬質(zhì)合金刀片要更快一些，但是增長的幅度較低。

2.3 剖面硬度分析

為了進一步探討兩種刀具下進給速度對車輪剖面硬度的影響，在車輪輪緣加工區(qū)域截取10×10×10 mm大小的試樣，利用維氏顯微硬度儀（HVS-30）從試樣剖面表層開始測量硬度，每隔10 μm測量1個點，沿剖面縱深方向測量16個點，得到剖面硬度曲線如圖3和圖4所示。

可知，菱形刀片加工進給速度從0.05 mm/r增加到0.2 mm/r，剖面硬化層從37 μm增加到45 μm，增長幅度為21.62%；Φ25硬質(zhì)合金刀片加工進給速度從0.05 mm/r增加到0.4 mm/r，剖面硬化層從35 μm增加到43 μm，增長幅度為22.86%。相同進給速度下，菱形刀片加工的硬化層比Φ25硬質(zhì)合金刀片加工的硬化層厚1～5 μm。同時，進給速度越小，剖面靠近硬化層部分的基體硬度波動越小，更加穩(wěn)定。

2.4 表面形貌及粗糙度分析

使用掃描電子顯微鏡（JSM-6610LV）和三維光學顯微鏡（3D Optical，Bruker， Contour GT-K）分別對菱形刀片和Φ25硬質(zhì)合金刀片加工的ER8車輪表面車削紋理和三維形貌進行觀察。結果如圖5～7所示。

可以看出，兩種刀具在不同進給速度下加工ER8車輪輪緣，刀具切削形成的致密溝槽和切削擠壓形成的棱脊均勻分布在ER8車輪表面，進給速度越大，車削紋理寬度和深度越大。在相同進給速度下，使用菱形刀片加工形成的車削紋理相較于Φ25硬質(zhì)合金刀片加工形成的車削紋理，其溝槽更深，棱脊更加凸起，車削紋理寬度和深度更大。在進給速度從0.05 mm/r增加到1.0 mm/r的過程中，菱形刀片和Φ25硬質(zhì)合金刀片加工的車削紋理寬度分別增長了0.95 mm和0.97 mm；車削紋理深度分別增長了38.54 mm和9.53 mm。

為進一步探究兩種刀具在不同進給速度下車削加工后的ER8車輪表面光潔度，對ER8車輪輪緣加工區(qū)域進行粗糙度測量，每種車削加工參數(shù)測量3個點，取平均值作為最后結果，測量結果如圖8所示。

由圖8可以看出，在進給速度從0.05 mm/r增加到1.0 mm/r的過程中，使用菱形刀片和Φ25硬質(zhì)合金刀片加工的ER8車輪表面粗糙度值均逐漸增大，菱形刀片加工產(chǎn)生的粗糙度值增長速度遠大于Φ25硬質(zhì)合金刀片的。當進給速度為0.05 mm/r時，菱形刀片和Φ25硬質(zhì)合金刀片加工產(chǎn)生的粗糙度值分別為0.639 μm和0.42 μm；當進給速度為1.0 mm/r時，菱形刀片和Φ25硬質(zhì)合金刀片加工產(chǎn)生的粗糙度值分別為48.248 μm和11.785 μm；分別增長41.609 μm和11.365 μm。

由于菱形刀片車削時的加工前角比Φ25硬質(zhì)合金刀片小，所以菱形刀片車削加工紋理的溝槽和棱脊都顯得更加尖銳，溝槽底部和棱脊頂部距離更大，表面粗糙度更大。

3 結論

（1）對比兩種刀具在七種不同進給速度下的殘余應力值，菱形刀片只對低進給速度加工的ER8車輪殘余應力有較為明顯的影響，而Φ25硬質(zhì)合金刀片加工的ER8車輪殘余應力則隨著進給速度的增加而提升。

（2）使用菱形刀片加工ER8車輪，車輪表面硬度受到進給速度的影響較小，能夠得到較為穩(wěn)定的表面硬度；而使用Φ25硬質(zhì)合金刀片加工ER8車輪則能在較大進給速度下獲得更高的硬度。

（3）在相同進給速度下，菱形刀片比Φ25硬質(zhì)合金刀片加工形成的車削紋理深度更大，導致表面粗糙度也更大。所以在相同進給速度下，使用Φ25硬質(zhì)合金刀片加工能夠獲得更小的粗糙度和更好的表面光潔度。

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收稿日期：2022-06-15

基金項目：校企合作項目（SF/JG-呂字-2021-085）

作者簡介：朱崇飛（1985－），男，山東青島人，碩士，工程師，主要從事輪對檢修技術工作，E-mail：zhuchongfei@qq.com。*通訊作者：彭金方（1984－），男，四川成都人，博士，副研究員，主要研究方向為金屬材料安全服役及其損傷防護，E-mail：pengjinfang@swjtu.edu.cn。