蔡衛(wèi)星，鄧?guó)檮?，徐鋒

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滾壓強(qiáng)化技術(shù)在鐵路車軸表面處理中的應(yīng)用

蔡衛(wèi)星，鄧?guó)檮?，徐鋒

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

針對(duì)鐵路車軸的表面損傷問(wèn)題，提出了表面滾壓技術(shù)應(yīng)用于提高鐵路車軸疲勞性能的可行性，綜述了滾壓強(qiáng)化技術(shù)的原理，詳述了機(jī)械滾壓技術(shù)、超聲滾壓技術(shù)、溫滾壓技術(shù)以及激光輔助滾壓技術(shù)在鐵路車軸表面處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并指出完善滾壓強(qiáng)化技術(shù)使得其能適應(yīng)零件形式的多樣性，優(yōu)化獲得高效穩(wěn)定的滾壓強(qiáng)化工藝，組織強(qiáng)化機(jī)理的實(shí)驗(yàn)和理論研究以及滾壓后材料內(nèi)部及深度方向殘余應(yīng)力的分布規(guī)律研究是未來(lái)的研究重點(diǎn)，為拓展其應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

滾壓強(qiáng)化；鐵路車軸；表面處理

軌道車輛車輪、車軸和軸承過(guò)盈裝配在一起稱為輪對(duì)，是確保行車安全的關(guān)鍵部件。車輛在運(yùn)行中，長(zhǎng)期承受著交變載荷的作用，使得車軸輪座部位產(chǎn)生極大的應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中的作用下，該處圓周表面均有產(chǎn)生疲勞裂紋的可能[1-2]。約有2/3的車軸的損傷是由疲勞引起的，鐵路車軸的損傷會(huì)直接導(dǎo)致車輛重大事故的發(fā)生。而疲勞損傷往往發(fā)生在表面或從表面開(kāi)始，然后逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展并最終導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件失效，造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。如果通過(guò)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(yīng)力，改善表層組織結(jié)構(gòu)等，就能顯著地提高其疲勞強(qiáng)度，而表面強(qiáng)化是一種改善機(jī)械零件和構(gòu)件表面性能，提高疲勞強(qiáng)度的有效工藝方法。

滾壓強(qiáng)化技術(shù)是一種較好的表面強(qiáng)化手段，采用的工具和工藝比較簡(jiǎn)單，效率高、強(qiáng)化效果顯著。近年來(lái)，滾壓強(qiáng)化技術(shù)由于其加工精度高、加工過(guò)程不產(chǎn)生廢屑、廢液，有利于節(jié)能環(huán)保而發(fā)展越來(lái)越迅速，在航天航空、汽車車軸，火車車軸等很多行業(yè)都已廣泛使用。

1 滾壓強(qiáng)化技術(shù)原理

滾壓加工是利用滾壓工具頭在被加工工件表面滾動(dòng)的過(guò)程中施加一定初始靜壓力的一種表面強(qiáng)化加工方法。在滾壓過(guò)程中，由于工件在特制的滾壓工具下進(jìn)行加工，材料表面晶粒和應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，但其化學(xué)成分不會(huì)發(fā)生變化，其滾壓過(guò)程如圖1（a）所示[3-4]。滾壓工具的材料主要包括紅寶石、淬火鋼和硬質(zhì)合金等高硬度材料，滾壓工具形狀有滾柱、滾珠和滾輪等，滾壓工具如圖1（b）。

圖1 滾壓過(guò)程及常用的滾壓工具

如圖1（a），零件表面變形區(qū)域可以分為壓入?yún)^(qū)域（A）、塑性變形區(qū)域（B）和彈性恢復(fù)區(qū)（C）等。表面滾壓強(qiáng)化技術(shù)可以將零件經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后其表面凸出位置的材料擠壓到凹處，降低其表面粗糙度；在滾壓過(guò)程中材料表面發(fā)現(xiàn)塑性變形，表面晶粒細(xì)化或隨滾壓方向壓扁，從而材料表面硬度也得到提升；并且在零件中形成了殘余壓應(yīng)力，有助于提高其耐蝕性、耐磨性和抗疲勞性能[5-8]。

2 滾壓強(qiáng)化技術(shù)在鐵路車軸中的應(yīng)用現(xiàn)狀

表面滾壓強(qiáng)化技術(shù)又分為機(jī)械式滾壓、激光脈沖滾壓、溫滾壓、超聲滾壓以及深冷滾壓等多種復(fù)合式工藝。

2.1 機(jī)械滾壓技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

機(jī)械式滾壓屬于傳統(tǒng)滾壓方法，它是將待加工工件固定在車床或數(shù)控機(jī)床上，采用選定的滾壓工具（輥輪，滾珠，輥軸）通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)或切削液作為介質(zhì)進(jìn)行滾壓加工。裝置原理如圖2所示。

圖2 機(jī)械滾壓裝置原理和設(shè)備實(shí)物

中國(guó)北車集團(tuán)劉昌祟等[9]對(duì)機(jī)車車軸卸荷槽表面滾壓強(qiáng)化進(jìn)行了研究，提出了采用機(jī)械式雙輥輪滾壓成型加工HXn3機(jī)車車軸的成型滾壓工藝，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該滾壓工藝加工工藝性，運(yùn)用可靠性，裝置經(jīng)濟(jì)性，產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量等各方面都得到了明顯的提升效果。王勝利等[10]對(duì)內(nèi)燃機(jī)機(jī)車抱軸頸分進(jìn)行機(jī)械式滾壓強(qiáng)化，結(jié)果表明滾壓可使車軸的疲勞強(qiáng)度提高1.4～1.5倍，表面硬度一般可提高25%～30%。于鑫等[11]通過(guò)對(duì)EA4T車軸進(jìn)行滾壓試驗(yàn)，滾壓后，表面粗糙度從2.446 μm降到0.244～1.812 μm，殘余應(yīng)力狀態(tài)從拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)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(dá)到44.1%。郝卓等[12]采用液壓滾壓加工的方法對(duì)長(zhǎng)軸表面進(jìn)行光整加工，分析、設(shè)計(jì)了滾壓裝置的具體結(jié)構(gòu)。

2.2 超聲滾壓技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

超聲波輔助滾壓工藝（Surface Ultrasonic Rolling Processing，SURP）是一種將超聲振動(dòng)和普通滾壓技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的新型滾壓技術(shù)。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(shù)。

陳利欽等[13]研究了表面超聲滾壓（SURP）工藝對(duì)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(yīng)力、表面硬度都得到大幅度提升。南車株洲電力機(jī)車的熊平[14]應(yīng)用超聲沖擊強(qiáng)化對(duì)LZ50車軸鋼進(jìn)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(yīng)力。大連交通大學(xué)的梁晨[15]采用超聲滾壓對(duì)車軸鋼進(jìn)行表面強(qiáng)化，在功率180 W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80 μm，試樣最表層已轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻牡容S狀納米晶，晶粒尺寸為40～50 nm。

2.3 溫滾壓技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

溫滾壓工藝是在普通冷滾壓的基礎(chǔ)上增加了一道加熱工序，在一定溫度下進(jìn)行普通滾壓，具有比普通滾壓更好的強(qiáng)化效果。日本的五弓勇雄在20世紀(jì)50年代就開(kāi)始研究了鋼在中溫下加工所引起的性能變化。在“藍(lán)脆”區(qū)和相變區(qū)進(jìn)行塑性變形能夠得到更細(xì)化的組織，表明溫加工有利于組織的強(qiáng)化，提高材料的強(qiáng)度和韌性[16]。20世紀(jì)70年代，日本少數(shù)廠家發(fā)現(xiàn)，溫滾壓強(qiáng)化后的車軸較冷滾壓后的車軸疲勞壽命提高約1.1～1.3倍。我國(guó)對(duì)溫滾壓研究相對(duì)較晚，徐新成等人[17]對(duì)鐵路重載貨車軸承滾動(dòng)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(diǎn)，可以防止成形過(guò)程中的開(kāi)裂。周航[18]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(wèn)題，結(jié)果表明：試樣的滾壓對(duì)零件疲勞強(qiáng)度有較大的提高，室溫下最佳下壓量為0.006 mm，溫滾壓最佳工藝參數(shù)為300℃的溫度、0.15 mm的下壓量。

2.4 激光輔助滾壓技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

激光輔助滾壓技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，是通過(guò)脈沖激光和傳統(tǒng)表面滾壓相結(jié)合，利用強(qiáng)脈沖激光產(chǎn)生沖擊波來(lái)對(duì)材料進(jìn)行強(qiáng)化，使材料表面產(chǎn)生高密度的位錯(cuò)，并在材料表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而提高材料表面的機(jī)械性能，其中激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)也屬于激光滾壓的范疇。與傳統(tǒng)的噴丸、拋丸等加工相比，激光輔助滾壓技術(shù)具有更高的應(yīng)變率，產(chǎn)生的表面殘余壓應(yīng)力極值更大、深度更深，疲勞強(qiáng)度得到明顯提高。但是，激光滾壓強(qiáng)化技術(shù)尚不成熟，成本較高，目前極少應(yīng)用于軌道交通材料的加工。

3 發(fā)展趨勢(shì)

雖然滾壓強(qiáng)化在航天航空、汽車和軌道交通等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但是其機(jī)理研究、工藝優(yōu)化及應(yīng)用領(lǐng)域仍有較大的發(fā)展空間，應(yīng)著重強(qiáng)化以下研究工作：

（1）完善滾壓強(qiáng)化技術(shù)，使其能適應(yīng)零件形式的多樣性，擴(kuò)大其使用范圍。

（2）研究如何獲得高效穩(wěn)定的滾壓強(qiáng)化工藝，使不同類型構(gòu)件表層達(dá)到要求。

（3）滾壓機(jī)理包括光整強(qiáng)化機(jī)理、應(yīng)力強(qiáng)化機(jī)理和組織強(qiáng)化機(jī)理[19]。目前在光整強(qiáng)化機(jī)理和應(yīng)力強(qiáng)化機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究還比較深入，但對(duì)組織強(qiáng)化機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究較少，相對(duì)試驗(yàn)性規(guī)律研究而言滾壓機(jī)理的理論分析比較薄弱，所以要加強(qiáng)對(duì)這些方面的研究。

（4）加強(qiáng)滾壓零部件內(nèi)部殘余應(yīng)力的分析研究。目前，針對(duì)材料滾壓后的殘余應(yīng)力研究均集中在表面殘余應(yīng)力的研究，而對(duì)于殘余應(yīng)力沿著深度方向上的變化目前未見(jiàn)報(bào)道。有研究了滾壓強(qiáng)化后的材料在高溫下應(yīng)用時(shí)其殘余應(yīng)力的變化情況[20]，研究表明滾壓后零件在高溫下使用時(shí)必須考慮組織的不穩(wěn)定性和殘余應(yīng)力的改變。

雖然表面滾壓技術(shù)還有很多理論和技術(shù)需要進(jìn)一步深入研究，但是采用表面滾壓技術(shù)對(duì)高速列車的車軸等零部件進(jìn)行表面強(qiáng)化處理可提高其疲勞強(qiáng)度，降低運(yùn)行過(guò)程中的安全隱患，為我國(guó)高速列車更快的發(fā)展提供助力。

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Application of Rolling Strengthening Technology in Surface Treatment of Railway Axles

CAI Weixing，DENG Hongjian，XU Feng

( CSR SIFANG Co., Ltd., Qingdao 266111, China )

Based on the problem of surface damage of railway axle, the feasibility of applying rolling on the railway axle to improve the fatigue properties is proposed. The principle of rolling strengthening technology is summarized. The application status of mechanical rolling technology, ultrasonic rolling technology, hot rolling technology and laser assisted rolling technology in railway axle are described. And the paper points out that improving rolling technology to make it can adapt to the diversity of parts form, obtaining high efficiency and stable rolling process, experimental and theory studies on microstructure strengthening mechanism and distribution law of residual stress inside and along the depth direction of materials after rolling are the focus of the future research, providing theory fundament to expand its application.

rolling strengthening；railway axle；surface treatment

TU751+.4

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.06.009

1006－0316 (2018) 06－0052－04

2017－10－30

蔡衛(wèi)星（1988－），男，河南商丘人，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化。