蔡衛(wèi)星，鄧鴻劍，徐鋒

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滾壓強化技術在鐵路車軸表面處理中的應用

蔡衛(wèi)星，鄧鴻劍，徐鋒

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

針對鐵路車軸的表面損傷問題，提出了表面滾壓技術應用于提高鐵路車軸疲勞性能的可行性，綜述了滾壓強化技術的原理，詳述了機械滾壓技術、超聲滾壓技術、溫滾壓技術以及激光輔助滾壓技術在鐵路車軸表面處理中的應用現(xiàn)狀，并指出完善滾壓強化技術使得其能適應零件形式的多樣性，優(yōu)化獲得高效穩(wěn)定的滾壓強化工藝，組織強化機理的實驗和理論研究以及滾壓后材料內(nèi)部及深度方向殘余應力的分布規(guī)律研究是未來的研究重點，為拓展其應用提供理論基礎。

滾壓強化；鐵路車軸；表面處理

軌道車輛車輪、車軸和軸承過盈裝配在一起稱為輪對，是確保行車安全的關鍵部件。車輛在運行中，長期承受著交變載荷的作用，使得車軸輪座部位產(chǎn)生極大的應力集中，在應力集中的作用下，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，鐵路車軸的損傷會直接導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始，然后逐漸向內(nèi)部擴展并最終導致整個構件失效，造成了巨大經(jīng)濟損失和安全隱患。如果通過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力，改善表層組織結構等，就能顯著地提高其疲勞強度，而表面強化是一種改善機械零件和構件表面性能，提高疲勞強度的有效工藝方法。

滾壓強化技術是一種較好的表面強化手段，采用的工具和工藝比較簡單，效率高、強化效果顯著。近年來，滾壓強化技術由于其加工精度高、加工過程不產(chǎn)生廢屑、廢液，有利于節(jié)能環(huán)保而發(fā)展越來越迅速，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 滾壓強化技術原理

滾壓加工是利用滾壓工具頭在被加工工件表面滾動的過程中施加一定初始靜壓力的一種表面強化加工方法。在滾壓過程中，由于工件在特制的滾壓工具下進行加工，材料表面晶粒和應力狀態(tài)發(fā)生改變，但其化學成分不會發(fā)生變化，其滾壓過程如圖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）和彈性恢復區(qū)（C）等。表面滾壓強化技術可以將零件經(jīng)過機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；在滾壓過程中材料表面發(fā)現(xiàn)塑性變形，表面晶粒細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 滾壓強化技術在鐵路車軸中的應用現(xiàn)狀

表面滾壓強化技術又分為機械式滾壓、激光脈沖滾壓、溫滾壓、超聲滾壓以及深冷滾壓等多種復合式工藝。

2.1 機械滾壓技術的應用現(xiàn)狀

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

圖2 機械滾壓裝置原理和設備實物

中國北車集團劉昌祟等[9]對機車車軸卸荷槽表面滾壓強化進行了研究，提出了采用機械式雙輥輪滾壓成型加工HXn3機車車軸的成型滾壓工藝，經(jīng)過驗證，該滾壓工藝加工工藝性，運用可靠性，裝置經(jīng)濟性，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]對內(nèi)燃機機車抱軸頸分進行機械式滾壓強化，結果表明滾壓可使車軸的疲勞強度提高1.4～1.5倍，表面硬度一般可提高25%～30%。于鑫等[11]通過對EA4T車軸進行滾壓試驗，滾壓后，表面粗糙度從2.446 μm降到0.244～1.812 μm，殘余應力狀態(tài)從拉應力變?yōu)閴簯Γ冶砻嬗捕纫灿胁煌潭忍岣?。隨著滾壓速度增大，車軸表面硬度有一定程度的提高，最大硬化率達到44.1%。郝卓等[12]采用液壓滾壓加工的方法對長軸表面進行光整加工，分析、設計了滾壓裝置的具體結構。

2.2 超聲滾壓技術的應用現(xiàn)狀

超聲波輔助滾壓工藝（Surface Ultrasonic Rolling Processing，SURP）是一種將超聲振動和普通滾壓技術相結合而產(chǎn)生的新型滾壓技術。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力、表面硬度都得到大幅度提升。南車株洲電力機車的熊平[14]應用超聲沖擊強化對LZ50車軸鋼進行處理，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力。大連交通大學的梁晨[15]采用超聲滾壓對車軸鋼進行表面強化，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 溫滾壓技術的應用現(xiàn)狀

溫滾壓工藝是在普通冷滾壓的基礎上增加了一道加熱工序，在一定溫度下進行普通滾壓，具有比普通滾壓更好的強化效果。日本的五弓勇雄在20世紀50年代就開始研究了鋼在中溫下加工所引起的性能變化。在“藍脆”區(qū)和相變區(qū)進行塑性變形能夠得到更細化的組織，表明溫加工有利于組織的強化，提高材料的強度和韌性[16]。20世紀70年代，日本少數(shù)廠家發(fā)現(xiàn)，溫滾壓強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。我國對溫滾壓研究相對較晚，徐新成等人[17]對鐵路重載貨車軸承滾動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，可以防止成形過程中的開裂。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題，結果表明：試樣的滾壓對零件疲勞強度有較大的提高，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 激光輔助滾壓技術的應用現(xiàn)狀

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

3 發(fā)展趨勢

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

（1）完善滾壓強化技術，使其能適應零件形式的多樣性，擴大其使用范圍。

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

（3）滾壓機理包括光整強化機理、應力強化機理和組織強化機理[19]。目前在光整強化機理和應力強化機理的實驗研究還比較深入，但對組織強化機理的實驗研究較少，相對試驗性規(guī)律研究而言滾壓機理的理論分析比較薄弱，所以要加強對這些方面的研究。

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

雖然表面滾壓技術還有很多理論和技術需要進一步深入研究，但是采用表面滾壓技術對高速列車的車軸等零部件進行表面強化處理可提高其疲勞強度，降低運行過程中的安全隱患，為我國高速列車更快的發(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，主要研究方向為機械制造及其自動化。