工程硕士学位论文-HXD3B机车车轴加工工艺研究.doc

分类号： th162 学校代号：10150udc： 密级： 学 号：g2006026工程硕士学位论文hxd3b机车车轴加工工艺研究study on machining process of the hxd3b electrical locomotives axles学生姓名：校内导师及职称：企业导师及职称：工程领域：机械工程研究方向：工艺技术申请学位：工程硕士论文答辩日期：2010年6月4日学位授予单位：大连交通大学摘要摘 要车轴，是轨道车辆和机车的最重要的部件之一，其安全性直接关乎车辆的行车安全。本文从工艺的角度针对车轴加工质量进行理论研究，通过对车轴用材料、车轴断裂分析和加工工艺方法等进行分析，目标是研发出具有自主知识产权的hxd3b机车车轴。首先通过对车轴的研究现状，国内外车轴用材料和车轴设计等进行介绍；空心轴是车轴的先进发展方向。本论文在车轴受力及车轴压装力研究中，论述车轴受力的基本原理，并通过计算，分析比较不同材料车轴的几何状态，并详细探讨了载荷、过盈量对车轴压装力的影响。根据弹性力学的有限单元法和实验应力分析的光弹冻结法对车轴的压装应力的分析，研究压装力对车轴加工工艺的影响。 其次在总结资料并结合实际加工经验及hxd3b车轴的要求的基础上，对hxd3b型车轴的加工工艺进行了深入的研究。主要对车轴的加工工艺现状和特点进行了深入的分析；对车轴加工的工艺路线进行了拟定；介绍了工艺规程的设计；介绍了如何选择每道工序的定位基准。对车轴加工中的关键工序进行了深入详细的分析。对各道工序的加工余量和加工设备的选用进行了研究；研究了如何确定各工序所用的设备、刀具、卡具和量具。重点论述如何制定出先进的工艺卡片和工序卡片，并分析其技术的先进性和生产的经济性。最后对hxd3b型车轴的加工工艺中的三道需要数控加工的工序进行了深入的研究，重点对数控编程方法和使用工具caxa-me进行介绍，对数控加工中的程序的代码结构进行了详细的介绍，以优化数控加工程序。本次研究的结果可以为hxd3b机车车轴国产化提供理论基础，并且使车轴加工工艺具有更高的效率、更低的生产成本。 关键词：车轴；加工工艺；数控加工iabstractthe axle, the most important compontent of railway vehicle and motorcycle, its safety concerns directly the vehicles safety. through the theoretical research from the viewpoint of technology of axle processing quality, through the analysis of the use of axle material, axle fracture and processing method etc, the target is to develope independent intellectual property rights hxd3b locomotive axle.first, in the introduction of the axle research situation , axles materials and axles design of both at home and abroad, hollo shaft is the advanced development direction of the axle.in this paper, through the research of the axle, pressing force axle, discusses the basic principle of axle bearing. through calculation, analysis and comparison the geometry of different materials axles, a load how to effect pressing force axle, which is discussed in detail. according to the elastic mechanics method of finite element and experimental stress analysis of freezing method for the stress analysis of axle , we research on the effect of pressing force for axle processing . secondly based on material and practical experience and hxd3b the requirements of the axle , hxd3b type of axle process is studied. thoroughly analysing the main axle processing status and characteristics , planing the axle of the processing route, introducing the design procedure, introducing how to select the locating datum of each procedure. the key to the axle processing procedure is thoroughly analyzed in detail. for each procedure limits and processing equipment selection is studied. researches on how to determine the each working procedure using equipment, tools , fixtures and measuring. focuses on how to develop advanced process card, and analyzes the technical sophistication and production efficiency.finally for optimizing the nc machining procedure, the thorough studing of three nc machining procedure of the machining process of the axle of hxd3b type, mainly introducing the nc programming method and using tools caxa-me, introducing in detail the nc machining program code structure . the research results can be used for hxd3b locomotive axle localization providing theoretical basis, and the higher efficiency and lower cost of production for the axle processing craft. key words：railway axles; processing technology; cnc machiningv目录目 录摘 要iabstractii绪 论1第一章 车轴概述31.1 国内外机车车轴的发展31.1.1 国外机车车轴研究状况41.1.2 国内机车车轴研究现状51.2 机车车轴用材料研究81.3 机车车轴的制造加工工艺现状与发展91.3.1 国内机车车轴生产现状91.3.2 国外机车车轴制造介绍101.3.3 机车车轴制造趋势101.4 本文研究的目的和意义111.5 本文研究的内容11本章小结12第二章 机车车轴的受力及疲劳分析和寿命研究132.1车轴承载分析132.2 车轴受力分析142.2.1簧上质量载荷142.2.2 驱动载荷162.2.3 制动载荷172.3 车轴断裂失效分析182.3.1车轴疲劳失效研究的发展182.3.2 车轴裂纹和疲劳损坏的危险部位192.4提高车轴寿命的研究242.4.1 改进措施的提出242.4.2 结构设计252.4.3 材质对提高车轴疲劳寿命的影响272.4.4 提高车轴的疲劳强度的表面处理技术282.4.5压装工艺292.4.6检修与探伤312.5车轴压装应力分析322.5.1计算工况的确定332.5.2计算的主要结果35本章小结40第三章hxd3b机车车轴加工工艺研究423.1 车轴加工工艺现状423.2 hxd3b机车车轴特点及加工工艺特点分析433.3 车轴加工工艺路线的拟定433.3.1 工艺规程的意义和作用443.3.2 工艺规程的内容及其制定步骤和所需原始资料443.3.3 工序的安排原则453.4 工艺规程的拟定463.5 定位基准的选择483.5.1 定位基准的分类483.5.2 定位基准的选择483.6工序设计493.7 各工序的加工余量的确定533.8 工艺装备的选用543.8.1 机床的选择543.8.2 刀、卡、量具的选择563.9 提高机械加工生产率的工艺措施563.10 数控机床的选用573.10.1 数控机床的概述573.10.2 数控机床的优势593.10.3 数控机床的选用60本章小结60第四章 数控程序编制及加工614.1数控加工的特点614.2数控加工工序工艺分析614.2.1数控刀具选择614.2.2确定工件的定位与装夹方案624.2.3确定走刀顺序及走刀路线624.2.4切削用量的选择624.3数控加工624.4数控编程634.5 caxa-me制造工程师软件简介634.6 程序结构64本章小结68结论与展望69参考文献70攻读硕士学位期间发表的学术论文74致谢75引言1绪论绪 论中国地域辽阔，人口众多，资源分布不均，地域经济发展不平衡。因此，铁路在我国交通运输体系中起到骨干作用。20世纪90年代以来，国家加大铁路建设的力度，铁路营业里程逐年增加。到2008年，我国铁路营业里程达8.5万千米, 其中复线里程3.5 万千米，电气化铁路2.3万千米以上，但仍然满足不了经济发展和社会发展的需要，因此必须把速度作为铁路发展的关键因素1。从1997年中国铁路就已经制定了铁路发展高速铁路网的目标，在沿海经济发达、客流集中的东部走廊，发展最高时速250千米以上的高速客运专线，其线桥等固定设备的主要技术指标按最高时速350千米预留；准高速线路最高时速160200千米，繁忙干线是旅客列车最高时速140160千米，货物列车最高时速90千米2。为满足经济发展和社会发展的需要，到2020年，我国铁路营业里程将达到20万千米，铁路运输能力将实现大幅提升。同时据中华人民共和国铁道部2006年铁道统计公报我国全国铁路货车拥有量达到56.67万辆。包括机车拥有量达到1.78万台，其中内燃、电力机车比重为99.3%，主要干线全部实现内燃、电力机车牵引。全国铁路客车拥有量达到4.26万辆，其中空调车2.3万辆，占客车总数的53.9% 。全国铁路完成货运总发送量（包括行包运量）288285万吨，旅客发送量125656万人，客货运输量都得到大幅度增长别。在十五期间，建设新线17000km，其中客运专线7000km；建设既有线复线8000km ；既有线电气化改造15000km 。 2010年全国铁路营业里程达到9万千米以上，复线、电化率均达到45%以上，快速客运网总规模达到2万千米以上，煤炭通道总能力达到18亿吨，西部路网总规模达到3.5万千米，形成覆盖全国的集装箱运输系统。基本实现技术装备现代化，运输安全持续稳定，经济效益不断提升。2010年机车保有量将达到19000台左右。车辆运用轮保有量约为250万对-260万对。实际上，我国己成为一个铁路大国，车轴的需求量也是最多的国家之一，达到每年30万根(合约11. 4万吨)的用量。中国也是铁路车辆轮轴生产量最大的国家之一3。自1997年以来，我国铁路列车进行了6次大面积提速，铁路客运量和周转量得到了大幅度提升。根据东方网2007年2月1日报道，时速200km以上高速列车在广深线首发，实现了我国高速列车在既有线路时速200km及以上提速资源零的突破。2007年12月22日，我国首列国产化时速300km“和谐号”动车组列车在南车四方机车车辆股份有限公司竣工下线。它的成功下线标志着中国铁路客运装备的技术水平达到了世界先进水平，中国也由此成为继日、法、德之后世界上第4个能够自主研制时速300公里动车组的国家。在列车提速的同时，货物列车的重载技术也得到较快发展。这就对列车的性能提出了新的要求，从而对火车车轴性能也提出了更高的要求。综上所述，我国铁路事业在飞快的发展，铁路工程也在大跨步地前进，由此必然带来对铁路车辆用车轴的大批量需要和高质量的要求，车轴作为铁路车辆的重要部件，在铁路车辆运行中实现着承载、行驶、导向和制动功能，它的运行工况极为复杂、工作条件十分恶劣，而且其使用安全性能要求也非常之高。车轴的好坏直接关系到运输安全和效率的提高，同时，铁路车辆轮轴技术水平的提高，是铁路装备现代化的重要标志，也是中国铁路提速、重载技术发展的重要技术支撑点。高速重载是高速运输中长期追求的目标。因此，立足铁路大发展的时代背景，对车轴技术进行研究，大力发展车轴技术，对铁路行业发展具有十分重要的意义。发展车轴技术的除了对车轴材料、结构进行创新之外，对车轴加工工艺的创新和研究也是发展车轴技术的关键，本论文以大连机车车辆有限公司自主设计研制的hxd3b型电力机车为例，进行车轴加工工艺研究。第一章车轴概述第一章 车轴概述1.1 国内外机车车轴的发展自1825年世界第一条铁路诞生以来，世界各国铁路研究工作的专家、学者，始终在为提高列车的行车速度做着不懈的努力。1954年法国用电力机车牵引，试验速度达到每小时243千米，1962年日本用电力机车牵引试验速度达到每小时256千米，1972年法国用电力机车牵引试验速度达到每小时318千米。到了20世纪80, 90年代，法国、德国、日本用电力机车牵引试验速度达到每小时400千米以上，特别是法国1990年试验速度达到每小时515. 3千米的世界最高纪录。随着高速铁路技术的不断发展，高速列车的商业运行速度不断提高，从20世纪60年代时速210千米，80年代时速250-300千米，90年代末或本世纪初时速可望达到350千米左右，既有线路经改造符合高速要求的一般运行时速为200千米，还有个别线路可达220-225千米。目前世界上运行时速在200千米以上的新建的高速铁路营业里程约4400千米，若包括运行时速在200千米的线路，总营业里程已超过15000千米，这些线路仅占世界铁路总营业里程的1. 5 %4,5 。与此同时，国外铁路机车及车辆的相关技术也在不断提高。车轴是铁路机车和车辆的重要部件，它的优劣直接关系到行车安全，而且由于其数量多，涉及面广，它的任何改动都将涉及大量的人力、物力和财力，因此对车轴技术的改进一直持较为慎重的态度。经过半个多世纪的努力，目前高速、重载及轻轨车轴技术的发展己取得很大成就。实践证明，安全、高效的车轴技术，将为铁路运输实现安全、高效提供可靠保证，而铁路运输的发展，将不仅为车轴技术发展提供巨大的动力，同时也为相关产业尤其是高科技的应用开辟广阔的市场，是21世纪一个重要的新的经济增长点。车轴通常用优质中碳钢锻造成各段具有不同直径的圆柱体后精加工而成。车轴按车种分类可分为机车、客车和货车车轴三类；按轴承类型可分为滑动轴承车轴和滚动轴承车轴两类。如图1.1所示，车轴由下列主要部分：（1）轮座，车轮压装处，也是车轴上直径最大的部分；（2）轴颈，车轴上与轴承相配合的部分；（3）轴身，两车轮之间的部分，有些客、货车车轴的轴身自轮座向中央逐渐缩小，也有一些轴身通长为圆柱形，柴油机车和电力机车的传动齿轮和采用盘形制动的机车车轴的轴装式制动盘也组装在轴身上；（4）防尘板座，客、货车车轴上轴颈与轮座之间的过渡处，其上装有滑动轴箱的防尘板或滚动轴箱的后挡板；（5）轴领，客、货车车轴两端比轴颈凸出的部分，用以阻挡滑动轴承在轴颈上的过大移动，滚动轴承车轴上没有轴领；（6）轴颈后肩，轴颈上靠近防尘板座的部分，为避免直径突然改变引起应力集中而设计加工制作成圆弧过渡。图1.1 车轴结构示意图fig.1.1 axle structure diagram1.1.1 国外机车车轴研究状况 从20世纪60年代开始，前苏联乌拉尔车辆制造厂、全苏铁路运输研究院、全苏内燃机科学研究院、全苏车辆制造科学研究院和其他一些单位，率先进行制造轴重22吨空心车轴研制工作。俄罗斯的b.b.hob对轴重25t空心车轴进行了研究，并详细介绍了这种空心车轴具有减轻车辆自重，降低车辆与线路间动力作用的优点等6。乌拉尔车辆厂1965年制造的1000根空心车轴，经过安装在4轴、6轴和8轴敞车上编成试验列车运送煤炭和矿山、行车150千米、历时12年的运用试验结果表明：装用空心轴的轮对，在强度和其他一些参数方面，并不逊色于装用标准实心轴的轮对。日本的成村修二郎对铁道车辆车轴疲劳强度进行了研究，指出车辆高速化以后，正确掌握车辆的疲劳强度是极其重要的，介绍了采用实物车轴，通过变量载荷疲劳试验，对铁道车辆用车轴进行疲劳强度的研究情况7。还有日本的野吕学石对空心车轴的超声波探伤方法进行了研究，分析了现行空心车轴超声波探伤方法在探伤精度以及探伤作业后残油的处理等方面存在的问题，介绍了为解决上述问题而开发的新的空心车轴超声波探伤方法的工作原理及其新装置和作为接触介质的油回收机构，评价了新的探伤装置的验证效果。此外，美国俄亥俄州立大学的joseph p. domblesky等人运用有限元方法模拟分析了径向锻造大直径管坯的工艺过程，指出了影响径向锻造的一些主要因素8。加拿大安大略省麦克马斯特大学的showky等人给出了空心轴的加工过程的传感器测试方法9。韩国的j.h.lion和中国台湾的d.yjang运用3-d非线性有限元方法研究了轴对称机件的径向锻造过程中的应力情况，给出了一些有限元模型10。日本的石家弘道探讨了空心车轴进一步轻量化做了更进一步的研究工作11。由于空心轴在合理的设计和制造条件下，可以达到实心轴同样的应用效果，同时还具备了明显的优越性，如降低钢材消耗量、减少车辆非生产运输费用、方便日常维护和探伤、减小车辆和线路间的动力作用力等等，因而为许多国家的铁路车辆所采用。目前在欧洲、日本等发达国家，空心轴应用在铁路车辆中己占10%左右。1.1.2 国内机车车轴研究现状我国车轴的发展起步晚，起点较低。目前来说，无论从制造工艺，结构优化程度以及车轴的检修方面，都落后于世界发达国家。新中国铁路的发展主要从1949年以后开始，特别是上世纪80年代至90年代，是中国铁路发展最快的时期。上世纪50年代初，国内铁路客、货车辆轴型以b, c型系列为主。在80年代着手进行了主型客车rc型系列车轴向rd型系列车轴的过渡。90年代以来，我国的rd型系列车轴将继续向re型车轴发展12。我国各主要车轴的结构参数见表1.1。表1.1 车轴的主要参数table 1.1 the main parameters of the axles轴型轴重/t轴径中心到根部距离/mm轴径直径/mm全长/mm中心距/mm安全系数25135150216619561.3525125150219119811.5725110150218119811.8321125130214619561.0821100150214619561.47铁路车辆用轴主要有车辆轴和机车轴两大类，其中车辆轴数量远大于机车轴数量。各类车轴的主要情况见表1.213。鉴于我国铁路发展历程的特殊性，我国政府始终把铁路放在优先发展的地位，但由于铁路车辆轮轴的使用工况相对恶劣，发展比较缓慢。首先，运输负荷重。年走行公里数干线客车达到50万千米60万千米，货车平均为10万千米，最高可达20 万千米（运煤专用通道上的专用敞车)和 34万千米(用于行包快运的棚车)；年平均运输负荷量，客车为1100万人/公里/辆，货车为326万吨/公里/辆。其次，线路条件复杂。曲线半径小，线路坡道大，干线曲线半径最小为r300m；线路延长换算公里数中，约有8.1%的里程处于千分之六以上的长大坡道，最大坡度达3%以上。表1.2 车轴的主要情况table 1.2 the main situation of the axles轴型精加工轴的主要尺寸轴承种类最大轴重（t）用于货车用于客车速度小于120km/h速度小于120km/h速度在120-140km/h速度大于140km/hb108x203x1905滑动轴承12.014.8c127x229x193016.018.9d145x245x195621.0e155x279x198125.0100x187x190512.0120x210x193016.0130x220x1956滚动轴承21.0150x240x195625.0120x191x193016.015.514.513.5130x220x195621.018.017.016.5120x191x193021.015.514.513.5130x195x195622.018.017.016.5 第三，全部货车和绝大多数客车仍采用车轮踏面制动方式；机车动力制动还没有全面推广使用，仍有少量运行区段使用蒸汽机车牵引。 第四，铁路覆盖面积广，大气环境差异大，气温在 40 40之间，既有高温、湿热地区，又有高寒、干燥地区。上述这些外部因素，无疑都对中国铁路车辆车轴的设计、制造和维修保养提出了较为苛刻的条件。 近年来，中国铁路货车重载技术在不断发展，干线开行了5000t级货物列车，运煤专用通道上开行了6000t, 10000t级列车。同时，客运技术也不断提高，客车在主要干线上实施提速战略，部分区段上客车的最高速度可达200km/h。重载技术和提速战略都给中国铁路车辆轮轴技术提出了新要求14。近年来，随着我国crh高速列车的开始运营，列车运行速度越来越高，对车轴轻量化提出了更高的要求。为减少簧下质量，在日本等国己经开始少量应用空心车轴的同时，我国开始了对空心车轴的研究，并取得了一定进展。例如：铁道部四方车辆研究所的曹志礼、工勤忠对高速客车空心车轴的结构设计特点和结构强度做了有限元分析，阐述了我国时速250km高速客车空心车轴的设计特点，并通过有限元计算、轮对压装强度分析、微动腐蚀分析、模态分析以及壁厚偏差分析等，说明了其具有足够的强度和刚度，可以满足高速运行的要求。并指出高速空心车轴的内孔壁必须进行机械加工，车轴的壁厚偏差应控制在1 mm以内15。西南交通大学机车车辆研究所的黄志辉对我国首台高速动力车空心车轴的结构进行了设计，确定了空心车轴轴身的内外径，轮座直径与轴身直径比及过渡圆弧半径及突悬量的选择16。孟宏在200km / h交流传动电力机车空心车轴研究中，通过对空心车轴的几个特殊截面的疲劳强度计算截面，并进行了离散、强度分析及计算分析17。山东理工大学模具工程研究中心通过有限元方法模拟分析、设计了空心车轴锻造的工艺过程的两种工序步骤，并分析了锻件的工艺质量。株洲电力机车厂的顾一新对轮对内空心轴加工方法进行了探讨，介绍了内空心轴的结构特点和技术要求，指出了加工中的技术难点和解决这些难点的方法，可供我们制定加工工艺时参考18。株洲电力机车厂的杨军、余毅云对高速电力机车车轴锻造工艺进行了探讨，指出机车高速化对车轴的综合机械性能要求较高，采用42crmo材质可满足设计要求，主要对42crmo车轴的锻造工艺进行了探讨，提出了一种切实可行的新工艺19。此外，株洲电力机车厂的刘庚武、陈红琳对50钢车轴的锻造与热处理工艺进行了探讨，他们根据美国aarm 101-81以及tb2072-89标准中有关50钢车轴技术条件的要求，对50钢进行了工艺试验与探讨，摸索出了其锻造与热处理工艺参数20。还有株洲电力机车厂的廖学文对ss8型机车空心轴轴头热压工艺及其模具进行了设计，介绍了ss8型机车转向架空心轴轴头的热压成型工艺，重点介绍了其成型模具的设计、坯料加热温度的确定等21。铁科院机辆所的黄成荣对空心轴传动式高速动力车进行了稳定性分析及参数研究。这些工作为空心车轴锻造技术开发提供了理论依据22。20世纪，国际铁路运输经历了曲折的发展历程，而对各类运输方式的激烈竞争，人们开始冷静的思考，什么样的运输方式在保护环境、节约能源、安全快捷、舒适等方面更具有优势，于是对车轴技术提出了新的要求：(1) 探索在高速条件下，与新的轨道结构，新的转向架结构，新的制动系统相匹配的轮轴结构，如弹性车轴，空心车轴等，同时要寻求在客运专线，客货混和提速线及重载专用线等不同工况下轮轴结构的共同点与不同点，寻求最佳的客货速比条件下，轮轨结构的优化。 开发使用300千米/小时客运的高速轮对，高速轮对要求轻量化设计，将采用空心轴和大圆弧辐板轻型车轮，其踏面外形应适应高速运行，对车轮材质，组装工艺，静平衡量，检验标准将提出更高的要求。 开发使用轴重25吨以上的重载运输货车轮对，车轮的设计要求采用低应力概念，以延长重载轮对的使用寿命，提高运输安全性。 在试验研究和计算机仿真的基础上，进一步优化车轮、车轴的型式尺寸，提高热负荷、机械负荷等能力。确保轮对在高速、重载运行时的安全可靠性14。(2) 以提高轮轴疲劳寿命为重点，以增强可靠性为目的，开展车轴研究，从材质的选用，冶炼控制，锻铸方式等方面保证原材料的质量标准。(3) 改善轮轴的维修保养，推广无维修或少维修的维修制度，继续推广先进的检测手段与维修设各，实现维修保养的现代化，以适应运输市场的需求。新的世纪，中国铁路将继续开发时速200千米以上的高速客运和重载货运技术和各种专用车辆，同时还将开发城乡间客运列车及城市轨道运输。1.2 机车车轴用材料研究 铁路机车、车辆车轴是一个十分重要的零件。车轴在运行中如发生断裂(俗称冷切)将造成脱轨、翻车等重大恶性事故。因此世界各国对提高车轴的可靠性均十分重视。 车轴在运行过程中受的是交变载荷，正常损坏形式是疲劳断裂。对金属疲劳的研究就是从车轴开始的。因此，为提高车轴寿命，必须提高疲劳强度。但除疲劳强度外，还必须考虑韧性与低温脆性，尤其是对于车辆用车轴。因为铁路车辆无固定运行范围，由于编组需要，可以从最炎热的广东运行到最寒冷的黑龙江，最低温度可以达到零下50摄氏度，因此为避免发生低温脆断，需要车轴用钢有足够低的冷脆转折温度。 我国gb5086-85规定车轴用钢分为车辆用车轴钢(lz)及机车用车轴钢(jz)。前者含碳稍低，为0.37%0.45%，含锰也稍低，为0.45%0.8%；后者含碳及含锰均稍高，分别为0.4%0.48%及0.55%0.85%。显然这是为了保证车辆用车轴钢有较好的韧性及较低的冷脆转折温度。但铁道部于1989年又发布了jb2072-89标准，将车辆用车轴钢的含碳量提高到0.47%0.57%。 日本采用的车轴用钢sfa55及s fa60的含碳量为0.35 %0.45% 。原苏联在1967年前车轴用钢的含碳量为0.43%，到1971年降为0.41%。由于含碳量的降低，使钢的强度下降25mpa，但韧性有所提高。为了保证强度，又于1974年将车轴用钢的含碳量恢复到0.43%。美国采用含碳0.45%0.59%的车轴钢23。 上述车轴用钢均在正火状态下使用，组织为铁素体加珠光体。对于重载车轴，德国采用含碳量较低的25crmo4钢制造，在调质状态下使用。由国外资料可见，为保证韧性，降低低温脆性，除美国外，一般均采用含碳0.4%左右的钢作为车轴钢24。由此，我国铁道部将车辆用车轴钢的含碳量从0.37%0.45%提高到0.47%0.57%是否合理，值得商榷。 车轴材质的选择首要地应是保证具有所需的强度及良好的韧性，所以钢中含碳量的选取是关键。一般认为，随着含碳量的增加，车轴的强度随之提高，但随之而来的是其裂纹敏感性的增加，所以要通过调整含碳量及采用合适的热处理方式来保证车轴钢性能。 世界铁路车辆用轴的材料，几乎全部采用中碳钢。如车轴用钢的含碳量日本为. 0.35%0.45%，原苏联为0.41%0.43%，法国为0.34%0.38%，美国为0.45%0.59%，中国为0.47%0.57%。世界铁路原来一般使用正火方法热处理车轴。在日本，机车、动车及新干线高速列车则使用疲劳强度高的高频淬火车轴。车轴材料一般是sfa55, sfa60钢，目前可靠性要求更高的新干线电动车组的车轴则使用s38c碳素结构钢。正火车轴的正火加热温度范围是830890 ,或在正火后再经500650回火。通过这样的热处理可使材料组织细小并均匀化，改善其力学性能。高频淬火车轴在锻造成形后要先正火再经调质处理(860淬火，600回火)，然后还要在淬火部位的表面用高频感应加热线圈快速加热(约800)后，喷水冷却使之达到淬火的口的。最后再进行低温回火(约200 )25。法国使用edr钢作为车轴材料己经有十多年的历史，而在新干线上的车轴材料为uic (欧洲国际铁路联盟)811标准中的an钢，相当于日本的s38c钢，但不进行高频淬火。不过也在进行这方面的试验研究工作。概括起来，世界铁路车轴用钢的发展趋势是：适当提高车轴钢的含碳量。有人提出将其提高到0. 5%左右。美国等一些北美国家正在试验采用含碳量为0. 45%0. 49%的车轴钢。高速和重载列车车轴发展合金钢。1.3 机车车轴的制造加工工艺现状与发展1.3.1 国内机车车轴生产现状 目前，国内车轴的生产主要依靠自由锻和精锻机，存在着材料利用率低、生产环境差、污染重等缺点26。 自由锻造是对坯料施加局部高速冲击使之成形，由于工艺原因，轴心容易产生裂纹，成品率较低，锻件单边余量一般1015mm，使得后续加工费时，总材料利用率仅为58%65%，锻造时的噪音大于100db,对生产环境造成了极大污染。精锻机锻造车轴时采用多锤头(一般为4锤头)以310次/min的频率径向同步锻打，锻造时锤头同工件接触时间短，热量散失小，且一部分变形能转化成了热能，形成了恒温锻造，使锻件的断面收缩率显著提高。精锻机锻造过程中锻件边旋转边做轴向移动，用改变锤头间距的方式形成轴向阶梯。由于精锻机锻造坯料的每次变形量小，多锤头又改善了锻件的应力状态，避免了横向展宽引起的裂纹，故其具有良好的锻透性。精锻机采用cnc控制，使得锻件尺寸精度较高，下表是精锻机成形rd2轴的效率与外形质量指标27。表1. 3精锻机成形rd2轴的效率与外形质量table1.3 forging machine rd2 axle forming the efficiency and quality of appearance生产率（/min）材料利用率（%）径向尺寸工差（mm）全长不直度（mm）径向单边余量（mm）表面粗糙度（）0.3657335612.52001.3.2 国外机车车轴制造介绍在国外，一些大的国家均采用自由锻或精锻机锻造铁路车轴。前苏联从20世纪五十年代开始研究仿行螺旋轧制车轴的工艺，己经建成一座车轴厂。仿形螺旋轧基本工艺特征是在三个轧辊之间轧制外加轴向张力的轧件，通过仿形板控制轧辊间距的变化，轧出要求的台阶。轧制过程中轧件中部为不变形的刚性区，轧件受连续交变应力的作用，在轧件半径一分之一处附近区域有可能产生疏松。由于仿形螺旋轧件的台阶受轧辊过渡角的影响，使轧件的成形精度不可能很高，而且其产品表面螺旋痕较严重，所以单边余量较大，造成材料的利用率低，仅为66.7%，生产效率也低于精锻机。仿形螺旋轧制由于张力系统和仿形板的使用，必须采用复杂的液压系统，使得设备庞杂28。1.3.3 机车车轴制造趋势 机车车轴制造工艺各国各企业不尽相同，但有如下趋势29。 (1) 发展精炼工艺，净化钢水，以提高材料的纯净度，从而减少车轴的裂纹源。如日本日立公司采用了碱性电弧炉纯氧顶吹氧化精炼和去氧精炼工艺，底注法铸锭。日本住友公司大阪制钢所采用dh真空脱气生产高纯度钢锭等措施。 (2) 锻造方面主要采用径向锻造机和大吨位高速精锻机进行锻造，空气锤和水压机锻造只用于小批量的生产。 (3) 随着高速重载车轴的发展，选用淬透性好的中碳低合金钢进行调质处理后还开展表面淬火和滚压及喷丸强化处理等。实践证明，车轴经表面淬火处理可以提高疲劳强度极限30%以上，而表面经喷丸强化处理可以使疲劳极限提高25%以上。日本的新干线车轴一开始就采用了高频淬火方法，感应加热频率为10khz，后来改为3khz。法国正在试验的中频淬火工艺与日本新干线所采用方法大致相同。另外，日本和法国都在研究高速车辆，且均在研究采用空心车轴。日本经大量研究后确定了两种空心车轴的制造方法：一是用实心轴经过机械加工成空心车轴，中心孔为同一直径的直孔；一是轴身部的中心孔大于轴颈部位的孔，其制造方法是把不同孔径的厚壁管在轮座处对焊而成，再镗孔方式加工内孔。1.4 本文研究的目的和意义车轴是列车车辆行走部位的关键部件，它对于车辆的安全性有着直接的关系，在整个列车车辆中起着十分重要的作用。其中，车辆车轴主要是起到承载作用，机车车轴在承载的同时还要起到驱动和制动的作用。在列车运行和停车时，都要经受冲击力和制动力的作用，在高速和重载的状态下，受力情况就更为复杂，其安全性与乘客的人身安全和国民财产息息相关，其产量和质量直接影响着铁路生产力的发展。随着我国铁路运载任务的不断升级，列车车轴的需求量也越来越大，对车轴的质量要求也越来越高。因此开展机车车轴加工工艺研究不仅具有重要理论价值，而且具有重要的现实意义。本文选择hxd3b型六轴9600kw大功率交流传动货运电力机车的车轴开展加工工艺研究。该型号机车是由大连机车车辆有限公司自主设计研制的中国品牌机车，是目前世界上单机功率最大，技术水平最高，性能指标最先进的机车，多项关键技术将引领我国机车技术发展。2007年2月，公司与铁道部签订了500台大功率交流传动六轴货运电力机车采购协议，总金额113亿元。该机车以我为主，自主设计，研发，制造，采购和集成，拥有完全自主知识产权，并具有四个特点：一是功率最大，牵引性能更好；二是节能，环保优质品质更加突出，机车再生功率的提高，将有更多的电能反馈回接触网；三是自动化 程度更高，功能更强，可靠性更好；四是改变机车传统设计，除受电弓及支持绝缘子之外，全部高压设备由车顶移至车内，大大提高了机车雨雾等天气的抗污闪能力。该车是铁道部确定的重点发展的目标产品，也是实现中国铁路货运重载运输的主型机车，相信选择该型机车车轴进行加工工艺研究，对推进新型大功率高速机车的车轴加工工艺水平的提高具有典型和示范作用。 1.5 本文研究的内容本文研究内容与章节安排如下：第一章：首先通过查阅文献资料对国内外车轴的发展状况、车轴用材料、加工方法等进行综述，确定论文的研究思路和研究内容。第二章：进行车轴承载研究、失效分析以及提高车轴寿命的研究。通过分析车轴的承载形式，受力的作用，进而研究车轴的磨损、断裂的原因，分析影响车轴寿命的因素，并提出提高车轴寿命和安全性的措施。第三章：首先对车轴加工工艺现状和特点进行分析；然后研究拟定车轴加工工艺路线；最后确定各工序的加工余量和加工设备。第四章：进行机车车轴数控加工分析研究，首先分析确定机车车轴加工可行的数控加工工序，然后研究编制数控加工工序的数控程序。本章小结首先通过查阅文献资料对国内外车轴的发展状况、车轴用材料、加工方法等进行综述，祥述车轴加工研究的意义和目的，确定论文的研究思路和研究内容。75第二章 机车车轴的受力及疲劳分析和寿命研究第二章 机车车轴的受力及疲劳分析和寿命研究 机车车轴是支撑车辆的重要部件之一，在机构上不可能设计的一点差错也没有，所以为了保证安全性，必须在设计、制造和维修的各个阶段做出更大的努力。车轴使用期限一般都在10年以上，对其强度设计应着眼于确保耐疲劳性能，特别是车轴上的轮座和轴承等静配合部位，这样的部位设计时应特别重视疲劳强度。2.1车轴承载分析车轴通过轴承承受车体、转向架的载荷，同时钢轨通过车轮给车轴以反作用力，另外还承受齿轮装置的驱动力和制动装置的作用力。由于这些载荷使得运行中的车轴产生回转弯曲应力和扭转应力。但由于车辆振动和轨道凸凹不平等表面状态的影响，所以出现的应力波形和振幅变化复杂，如图2.130所示。总体来说，影响车轴载荷的因素是多种多样的，但总的来说可以分为垂直载荷和横向载荷，具体影响因素如表2.131所示。图2.1车轴承载示意图fig.2.1 axle load schematic表2.1影响车轴载荷的因素table2.1 axle load factor of influence车轴载荷垂直载荷轨道条件不平整：维修、使用年数等构造：混凝土板、碎石、弹簧刚度、轨缝等车辆条件轮重(车辆质量)、簧下质量转向架构造(弹簧高度等)车轮状态(踏面擦伤等)运行条件速度横向载荷轨道条件轨道不平：维修、使用年数等轨道构造:：混凝土板、碎石、铁轨刚度等线路形状：曲线半径、外轨超高等车辆条件轮重转向架构造：轴箱定位刚度、转向架回转刚度等对未被平衡力离心力的反应等：重心位置等运行条件速度2.2 车轴受力分析动车轴、机车轴是一种既传递动力而又起支撑作用的心轴，而车辆轴是一种不传递动力而只起支撑作用的心轴，主要承受弯曲或弯曲疲劳负荷。高速动力车运行时，车轴载荷主要包括：动力车上部结构通过一系列减震悬挂系统传递到轴箱上的垂向载荷和横向载荷；轮轨接触点作用于车轮上的垂向载荷、横向载荷和纵向载荷；轴箱拉杆作用于车轴上的纵向载荷；驱动系统或制动系统作用于车轴上的载荷以及驱动齿轮和制动盘质量载荷等。总的来说，可分为以下3类：簧上质量载荷、驱动载荷、制动载荷32。2.2.1簧上质量载荷簧上质量载荷指一系列簧上质量振动产生的垂向载荷和横向载荷及安装在车轴上驱动制动单元集中质量振动引起的垂向载荷。车