铁路车轴表面残余应力研究

铁路车轴表面均存在残余应力，表面残余压应力可有效提升车轴使用过程中抗疲劳性能，通过研究精锻机和快锻机锻造生产车轴残余应力，正火、调质和亚临界淬火热处理方式车轴残余应力，以及几种车轴机加工方式（车削、磨削和滚压）生产车轴残余应力等分布情况，了解不同状态车轴表面残余应力的状态，从而便于认识每种加工方法下表面残余应力的变化特点。1

序言铁路运输生产安全与国民经济、社会生产、人民物质文化生活息息相关，也是国防建设的重要交通工具。铁路车轴为决定车辆运行安全的重要零部件，随着铁路运输的提速、车辆重载化和车辆轻量化设计要求，对车轴的使用安全性也提出了更高的要求。车轴表面残余应力直接影响车轴使用安全性，足够的表面压应力可有效提升车轴使用寿命，通过研究现阶段常用加工方法生产车轴的残余应力差别，充分认识车轴残余应力的分布状态。车轴残余应力主要为轴向（纵向）和环向（圆周方向）两个方向的残余应力，铁路车轴以一定速度旋转，表面承受离心力，其与环向残余应力有关，车轴在载重状态下，主要承受旋转弯曲应力，也是车轴失效的主要因素，其与轴向残余应力有关。本文主要从锻造方式（精锻机锻造和快锻机锻造）、热处理方式（正火、调质和亚临界淬火）、加工方式（车削和磨削）和表面处理方法（浅滚压和深滚压）方面对车轴轴向残余应力进行研究[1]。2

锻造方式对车轴残余应力的影响现阶段，铁路车轴锻造设备主要为精锻机和快锻机，锻造过程金属流动分析如图1所示。从图1可知，精锻机锻造车轴时表面金属流动性较大，快锻机锻造车轴时内部金属流动性较大。采用精锻机和快锻机分别锻造相同车轴后，经过同一工艺加工后，测量车轴表面残余应力，结果见表1。表面下0.1～5mm残余应力变化如图2所示。从图2可知，精锻机锻造和快锻机锻造近表面处为压应力，随着深度增加，压应力减小为零，然后变为拉应力，且精锻机锻造表面压应力大于快锻机锻造。a）精锻机锻造

b）快锻机锻造图1锻造过程金属流动分析表1不同锻造方式下的残余应力结果图2不同锻造方式表面不同位置残余应力变化3

热处理方式对车轴残余应力的影响车轴常用热处理方式有正火、调质、亚临界淬火[2]，本文针对正火+空冷、正火+强制风冷、调质和亚临界淬火4种状态车轴，经同一工艺加工后进行残余应力测试分析，结果见表2。

表面下0.1～5mm残余应力变化如图3所示。从图3可知，热处理近表面处为压应力，随着深度增加，压应力减小。车轴表面残余应力与冷却速率有关，冷却速率越大，表面残余压应力越大，亚临界淬火表面压应力最大[3]。表2不同热处理方式下的残余应力结果

图3不同热处理方式表面不同位置残余应力变化4

加工方式对车轴残余应力的影响车轴表面终加工状态有车削、磨削、常规滚压及深滚压，其中车削为终加工状态时，多用于承受应力相对较小、结构平直表面；磨削多用于相对安全系数小的配合部位；常规滚压多用于提升工件表面粗糙度；深滚压主要用于提升表面强度[4]。4种加工方式工件表面特征如图4所示，表层组织状态如图5所示。对以上4种不同加工状态表面进行了残余应力测试，结果见表3，表面下0.1～5mm残余应力变化如图6所示。a）车削

b）磨削

c）常规滚压

d）深滚压图4不同加工方式工件表面特征a）车削

b）磨削

c）常规滚压

d）深滚压图5工件表层组织状态

表3不同加工状态下的残余应力

图6不同加工方式表面不同位置残余应力变化从图5、图6可知，车削切削量相对较大，易形成较小的表面撕裂缺陷，增加表面加工拉应力，大车削量容易产生较大的表面拉应力；磨削可有效地消除车削过程产生的缺陷层，加工后组织与基体一致[5]；常规滚压和深滚压均可有效改善表面组织，使表面组织更加致密，并能够有效增加表面压应力。另外，深滚压影响的深度大，常规滚压有效层厚度约为1.5mm，而深滚压可达到4mm以上，且压应力提升效果更明显，可提高工件抗疲劳性能[6]。5

结束语通过从锻造方式、热处理方式和加工方式等不同方面进行残余应力比较研究，分析表明：车轴深滚压、常规滚压和亚临界淬