车轴表面滚压工艺技术研究*

吴 焕，王 强，吴庆堂，修 冬，李 珊，王泽震，应宇翔，段学俊，魏 巍，郭 波

(长春设备工艺研究所，吉林 长春 130012)

车轴是轨道车辆行走部分的核心元件，是轨道车辆承载重量和安全运行的关键零件。轨道车辆运行过程中，车轴长时间在大载荷、滑动摩擦条件下工作，车轴表面极易产生疲劳裂纹，导致车轴疲劳失效。因此，提高车轴表面性能，增加抗疲劳强度，进而延长其使用寿命则尤为重要。

车轴表面经过传统车削、磨削等加工后会在车轴表面产生残余拉应力，降低车轴抗疲劳和耐腐蚀性[1]，为了改善车轴表面应力状态，降低表面粗糙度，提高硬度，需对车轴表面进行滚压强化。吴超等[2]通过对动车组EA4T车轴的滚压试验，探讨滚压力、进给速度和主轴转速对车轴表面质量的影响规律，试验结果表明，在车轴滚压时，应当在一定范围内增大滚压力和主轴转速，且进给速度不宜过大。于鑫等[3]通过对EA4T车轴进行滚压加工，使其表面粗糙度降低，残余拉应力变为压应力，表面硬度提升。周航等[4]综述了表面强化技术的强化机理和各种工艺方法。有研究表明，车轴经滚压强化处理后，其表面硬度提升约27%，表面粗糙度由精磨的0.8下降至0.2，使得车轴的疲劳极限提高约1.5倍[5-6]。张树礼等[7]阐述了用滚压曲轴主轴颈和连杆颈圆角的方法，来提高曲轴抗疲劳强度和使用寿命，并进行了结构设计。研究表明，滚压工艺较其他处理方式具有较深的残余应力层和较低的粗糙度，可有效降低工件表面的疲劳破坏，通过工件的滚压有限元数值分析验证了滚压力、滚压速度等参数对残余应力和粗糙度的影响[8-10]。本文以高铁某轴型为例，根据车轴的结构尺寸、精度及刀具特性确定工艺参数，进行滚压试验，车轴圆弧段与圆弧段、圆弧段与直线段连接处滚压有重合区域，采用渐变式搭接方式处理大角度圆弧段滚压；针对进给量、滚压力、主轴转速、进给速度等关键工艺参数，分别进行了滚压球抛光滚压(见图1)和滚压轮强力滚压试验(见图2)，对试验结果进行分析研究。

图1 滚压球抛光滚压工艺试验

图2 滚压轮滚压工艺试验

1 圆弧段滚压试验分析

车轴圆弧段滚压采用滚压球进行抛光滚压，滚压刀具采用ecoroll公司±60°的滚压球刀具，使用φ13 mm滚压球滚压时，适合30°～90°和90°～150°的圆弧段滚压，见图3中C区域，使用φ6 mm滚压球滚压时负责-30°～30°的圆弧段滚压，见图3中A区域。滚压过程由于换刀接刀，在交叉过渡区路径和压力控制不好时，极易形成凸起现象产生接刀痕(见图4)，出现色差，表面粗糙度无法达到Ra0.4 μm的要求，圆弧形状精度超出允差，所以需要对交叉过渡区的路径、滚压力进行优化。

图3 φ13 mm与φ6 mm滚压球进行圆弧滚压示意图

图4 圆弧段滚压过程中产生的接刀痕

1.1 主轴转速对表面质量的影响

根据滚压路线进行抛光滚压试验，分析主轴转速对圆弧段表面粗糙度、表面硬度的影响。保持滚压压力为200 bar，圆弧段初始硬度为205 HBW，试验结果如图5和图6所示。随着主轴转速的提升，表面粗糙度值逐渐增大，影响较大，对车轴表面硬度影响比较小。

图5 主轴转速对表面粗糙度的影响

图6 主轴转速对表面硬度的影响

1.2 滚压压力对表面质量的影响

对抛光滚压进行试验验证，分析滚压压力对表面质量的影响。保持主轴转速270 r/min、进给速度0.2 mm/r，圆弧段初始硬度为209 HBW，试验结果如图7和图8所示，随着滚压压力的变大，圆弧段表面粗糙度变化不明显，表面硬度显著提升。

图7 滚压压力对表面粗糙度的影响

图8 滚压压力对表面硬度的影响

1.3 进给速度对表面质量的影响

对抛光滚压进行试验验证，分析进给速度对表面质量的影响。保持主轴转速270 r/min、进给速度0.2 mm/r，圆弧段初始硬度为209 HBW，试验结果如图9和图10所示，随着进给速度的增加，表面粗糙度显著变大，车轴表面硬度变化不明显。

图9 进给速度对表面粗糙度的影响

图10 进给速度对表面硬度的影响

综上所述，根据车轴表面质量要求，进行滚压球抛光滚压工艺参数匹配，主轴转速选择270 r/min，滚压压力在200 bar以上，选择进给速度范围为0.1～0.2 mm/r，满足硬度提升20%的要求。液压球抛光滚压圆弧试验效果图如图11所示，经抛光滚压后，车轴表面粗糙度为Ra0.152 μm，硬度为270 HBW。

图11 液压球抛光滚压圆弧试验效果图

2 直线段滚压试验分析

采用机械滚压轮进行直线段强力数控滚压工艺试验(见图12)。

图12 机械轮车轴强力滚压工艺试验

主轴转速和进给速度对表面质量的影响与圆弧段近似，直线段只分析滚压轮吃刀量对表面质量的影响。

保持主轴转速为270 r/min，进给速度为0.1 mm/r，初始硬度为230 HBW，试验结果如图13和图14所示，吃刀量对车轴表面粗糙度影响不显著，对车轴表面硬度影响较大，当吃刀量<0.3 mm时，表面硬度随着吃刀量的增大而增大，当吃刀量>0.3 mm时，表面硬度变化不明显。

图14 吃刀量对表面硬度的影响

综上所述，根据车轴表面质量要求，进行机械滚压轮直线段强力数控滚压工艺参数匹配，主轴转速选择270 r/min，吃刀量0.3～0.5 mm，进给速度0.1 mm/r，满足硬度提升20%的要求。机械轮强力滚压直线段试验效果图如图15所示，表面粗糙度为Ra0.269 μm，最佳硬度为279 HBW，硬度提升21.3%。

图15 机械轮强力滚压直线段试验效果图

3 结语

1)圆弧段滚压时：主轴转速选择270 r/min，滚压压力在200 bar以上，选择进给速度范围为0.1～0.2 mm/r。

2)直线段滚压时：主轴转速选择270 r/min，吃刀量0.3～0.5 mm，进给速度0.1 mm/r。

经过滚压后的车轴表面质量满足了技术指标要求，圆弧段表面粗糙度优于Ra0.152 μm，直线段表面粗糙度优于0.269 μm，硬度提升20%～30%，车轴表层硬度达到279 HBW。