應(yīng)宇翔，吳 煥，吳慶堂，修 冬，段學(xué)俊，王 凱，王澤震，魏 巍，李 珊，郭 波

(長春設(shè)備工藝研究所，長春 130012)

0 引言

車軸是軌道車輛行走部分關(guān)鍵部件之一，其機械性能和疲勞壽命對車輛運行安全產(chǎn)生很大的影響[1]。車輛在運行過程中長期受到交變載荷的作用，使車軸輪座產(chǎn)生極大的應(yīng)力集中，在此作用下，該處圓周表面均有產(chǎn)生疲勞裂紋的可能[2-3]。因此，開展車軸關(guān)鍵區(qū)域表面強化技術(shù)的研究刻不容緩。

車軸疲勞強度的提高主要得益于表層硬度的提高、表層殘余壓應(yīng)力或表面粗糙度值的降低等[4]。提高車軸的疲勞強度可以采用表面強化處理的方法來實現(xiàn)，針對滾壓強化技術(shù)，王勝利[5]對內(nèi)燃機機車抱軸頸進行機械式滾壓強化，結(jié)果表明滾壓使車軸的疲勞強度提高1.4～1.5倍，表面硬度可提高25%～30%。于鑫[6]通過對EA4T車軸進行滾壓試驗，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，且表面硬度也不同程度提高。郝卓[7]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(shè)計了滾壓裝置的具體結(jié)構(gòu)。熊平等[8]應(yīng)用超聲沖擊強化對LZ50車軸鋼進行處理，處理后表面硬度提高，粗糙度降低和存在較大的殘余壓應(yīng)力。梁晨[9]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。

滾壓強化技術(shù)采用的工具和工藝較簡單、高效，強化效果顯著，是一種較好的表面強化手段。近年來，滾壓強化技術(shù)由于其加工精度高、加工過程節(jié)能環(huán)保而快速發(fā)展，在航天航空、汽車車軸等多個行業(yè)廣泛使用[10]。本文針對EA4T材料，直徑為φ300 mm，長度為2900 mm的大直徑長軸，依據(jù)滾壓強化表面處理技術(shù)并結(jié)合有限元仿真分析設(shè)計了滾壓強化設(shè)備，以使其能夠滿足車軸表面耐磨性、耐蝕性和配合性的使用要求。

1 總體方案設(shè)計

1.1 滾壓強化技術(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，材料表面晶粒細(xì)化或隨滾壓方向壓扁，從而材料表面硬度也得到提升，但其化學(xué)成分不會發(fā)生變化[11-12]，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[13-16]。

1.2 滾壓方案設(shè)計

如圖1所示，黑色區(qū)域為滾壓強化區(qū)域，該車軸在磨削過程留有頂尖孔，可以作為滾壓裝夾過程中的夾持定位基準(zhǔn)，由于滾壓過程中滾壓輪對車軸會產(chǎn)生巨大的徑向力，所以車軸旋轉(zhuǎn)過程需要克服較大的旋轉(zhuǎn)力矩，不適用采用雞心夾頭來帶動車軸旋轉(zhuǎn)。

圖1 車軸滾壓強化區(qū)域

如圖2所示，車軸左端采用的帶頂尖的三爪液壓浮動卡盤進行定位夾緊，另一端通過液壓驅(qū)動活頂尖進行定位支撐，兩頂尖產(chǎn)生夾持、定位作用，保證車軸的軸向位置固定，兩頂尖必須要保證同軸精度，使?jié)L壓過程與磨削過程中心線位置一致。夾盤對車軸進行圓周定位，并帶動車軸進行旋轉(zhuǎn)；滾壓輪通過導(dǎo)軌的軸向移動產(chǎn)生軸向位移，通過伺服液壓缸的徑向推進產(chǎn)生徑向位移，通過軸向、徑向聯(lián)合運動實現(xiàn)車軸的連續(xù)滾壓，配合車軸的旋轉(zhuǎn)作用完成車軸的滾壓加工，并根據(jù)車軸結(jié)構(gòu)特點確定了車軸的滾壓方案。

圖2 滾壓方式圖

2 關(guān)鍵件選型分析

由于滾壓力需求為30 kN，考慮到液壓傳遞過程中的損耗、摩擦及安全系數(shù)等問題，按照滾壓力最大F壓=50 kN來確定液壓系統(tǒng)的工作壓力，通過計算得到液壓系統(tǒng)設(shè)計公稱壓力P=16 MPa，工作壓力10 MPa，進行液壓缸選型。

2.1 伺服液壓缸缸徑D1

F壓=P·10·π·(D1/2)2/100

根據(jù)液壓缸樣本，缸徑D1選125 mm，行程300 mm，型號為125/90-300。具體在使用過程中壓力需要通過液壓系統(tǒng)調(diào)整。

2.2 頂尖液壓缸缸徑D2

在滾壓過程中，液壓尾座需要克服的軸向作用力由塑性變形抗力和滾壓輪與軸表面的滑移摩擦阻力組成，由于滾壓輪跟隨軸轉(zhuǎn)動，因此塑性變形阻力相比滑移摩擦阻力可以忽略，僅對軸向摩擦阻力進行計算。

滾壓輪對軸產(chǎn)生的滑移摩擦力F摩=P×f=50 000×0.2=10 000 N。

由于采用雙輪滾壓，所以Z滑臺軸向作用力F=2F=2×10 000=20 000 N。

F頂=P·10·π·(D2/2)2/100

根據(jù)液壓缸樣本，缸徑D2選80 mm，行程130 mm，型號為80/45-130。

2.3 滾壓輪仿真分析

針對所需加工車軸滾壓強化區(qū)域的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了兩種結(jié)構(gòu)的滾壓刀具，如圖3a所示為圓弧頭滾壓輪，圖3b為直線段滾壓輪，分別用兩種滾壓輪對車軸進行滾壓，并通過Abaqus仿真軟件對車軸和滾壓輪應(yīng)力分布進行有限元分析仿真，從而優(yōu)選出一種滾壓輪。

(a) 圓弧頭滾壓輪 (b) 直線段滾壓輪圖3 滾壓刀具結(jié)構(gòu)圖

從圖4中可以看出，圓弧頭滾壓輪與其滾壓后的車軸局部應(yīng)力集中明顯，軸的最大應(yīng)力已經(jīng)超過車軸材料50鋼與35Mn的屈服極限，超過25CrMo的屈服極限，軸的最大變形為0.66 mm；直線段滾壓輪在滾壓車軸兩端時，與圓弧頭滾壓輪滾壓效果比較，軸與滾壓頭局部應(yīng)力集中明顯改善，軸的最大應(yīng)力未超過25CrMo的屈服極限，軸的最大變形為0.54 mm，因此選用直線段滾壓刀具進行實驗研究。

(a) 滾壓輪應(yīng)力分布情況

(b) 軸應(yīng)力分布情況

(c) 軸變形情況圖4 滾壓輪與車軸受力圖

3 部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)備的主要零部件包括床身、主軸箱、X向(徑向)進給機構(gòu)、Z向(軸向)導(dǎo)軌、尾座滑臺、液壓尾座、滾壓裝置及輔助裝置等如圖5所示。

圖5 數(shù)控滾壓設(shè)備機械結(jié)構(gòu)圖

床身、主軸箱箱體、導(dǎo)軌和尾頂座等采用鑄造件，經(jīng)時效處理，合理布置加強筋，并優(yōu)先采用閉式結(jié)構(gòu)，在減震的同時提高剛度，時效處理后的鑄造結(jié)構(gòu)件穩(wěn)定性能好，長時間工作不易變形。

3.1 床身

床身采用一體式的鑄件結(jié)構(gòu)，合理分布加強筋，提高床身的抗彎抗扭強度，支撐主軸系統(tǒng)、Z向?qū)к壓臀岔斚到y(tǒng)，確保在滾壓力50 kN條件下使用設(shè)備時，穩(wěn)定工作。

圖6 床身外形圖

3.2 主軸系統(tǒng)

主軸箱箱體的設(shè)計充分考慮了散熱和減震，在本設(shè)備設(shè)計中，由于主軸軸向載荷較大，采用雙列圓柱滾子軸承NN3032K與雙向推力角接觸球軸承234432B組配，后軸承采用雙列圓柱滾子軸承NN3024K，如圖7所示。

圖7 主軸箱剖視圖

保證主軸的旋轉(zhuǎn)精度，提高軸向剛度，使得主軸箱具有噪聲低，傳動精度高的特點，主傳動為自動無級變頻調(diào)速，速度范圍為10～500 r/min，主軸卡盤采用12寸帶頂尖的三爪液壓浮動卡盤，來保證工件的旋轉(zhuǎn)精度。

3.3 X、Z向?qū)к?/h3>

通過圖8可以看出X向進給系統(tǒng)采用伺服液壓缸驅(qū)動，滾柱直線導(dǎo)軌導(dǎo)向保證直線精度和定位精度，雙滾柱直線導(dǎo)軌提高進給系統(tǒng)剛度；Z向直線進給系統(tǒng)采用鑲鋼導(dǎo)軌，具有精度高，剛性好，耐磨等特點，Z向?qū)к売弥睆?0 mm，導(dǎo)程5 mm的滾珠絲杠，采用雙螺母結(jié)構(gòu)，由于輸入扭矩較大，滾壓速度低，所以采用西門子伺服電機和減速器的組合驅(qū)動。

圖8 X向進給機構(gòu)剖視圖

3.4 尾頂系統(tǒng)

本設(shè)備尾座的設(shè)計如圖9所示，充分考慮了剛性、承載能力和人機工程。尾座由上體和下體組成，上體內(nèi)裝有尾座套筒和中心線調(diào)整機構(gòu)，下體為尾座滑臺，頂緊方式為液壓頂緊，選用80/45-130液壓缸，配有齒輪齒條快移機構(gòu)，其快移機構(gòu)由0.55 kW電機驅(qū)動。

圖9 尾座系統(tǒng)

3.5 滾壓裝置

采用伺服液壓缸驅(qū)動滑塊保證滾壓過程中的滾壓位置，根據(jù)滾壓層厚度，結(jié)合車軸材料特性，間接控制滾壓力。

圖10 滾輪裝置圖

3.6 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如圖11所示為數(shù)控滾壓機控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要反應(yīng)控制系統(tǒng)與驅(qū)動器之間、驅(qū)動器與伺服電機之間、系統(tǒng)與輸入輸出模塊之間、系統(tǒng)與外圍設(shè)備(控制面板、手輪等)之間的通信和連接方式?？刂葡到y(tǒng)作為中間節(jié)點將所需的外圍設(shè)備整合到一起，在本機控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)與驅(qū)動、伺服電機之間通過DRIVE_CLiQ總線連接，控制系統(tǒng)通過PROFINET與I/O模塊和機床操作面板連接，控制系統(tǒng)通過模擬主軸接口與變頻器連接，控制系統(tǒng)通過專用接口與手輪和側(cè)頭進行連接。

圖11 滾壓設(shè)備通訊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

最終研制的滾壓設(shè)備如圖12所示。

圖12 強力滾壓設(shè)備

4 滾壓實驗

利用自行研制的滾壓設(shè)備進行了EA4T大直徑車軸表面滾壓強化正交工藝試驗，見圖13。試驗參數(shù)如表1所示。

圖13 滾壓強化工藝試驗圖

表1 滾壓強化正交工藝試驗參數(shù)及結(jié)果

試驗前車軸表面粗糙度為Ra0.942 μm，硬度為210 HB，滾壓后車軸表面粗糙度和硬度曲線如圖14所示，可以直觀看出在主軸轉(zhuǎn)速為100 r/min,Z向進給為10 mm/min，滾壓深度為0.05 mm時滾壓質(zhì)量最好，車軸表面粗糙度為Ra0.183 μm，表面硬度可以達到251 HB，達到了設(shè)計要求，滿足了車軸表面耐磨性、耐蝕性和配合性的使用需求，滾壓后的車軸照片如圖15所示。

圖14 正交試驗數(shù)據(jù)折線圖

圖15 滾壓后的車軸圖

5 結(jié)束語

(1)依據(jù)滾壓強化技術(shù)原理，并結(jié)合EA4T軌道車輛用車軸滾壓強化區(qū)域的結(jié)構(gòu)特點以及表面耐磨性、耐蝕性和配合性的使用要求，提出了EA4T軌道車輛用車軸滾壓強化技術(shù)方案。

(2)針對系統(tǒng)參數(shù)的要求，通過受力分析計算和有限元仿真，完成了關(guān)鍵件的選型，并根據(jù)使用要求完成一體式鑄鐵床身、高剛度主軸系統(tǒng)、X向伺服液壓驅(qū)動、液壓尾頂系統(tǒng)、滾壓裝置等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

(3)通過滾壓正交試驗，使車軸尺寸精度和表面質(zhì)量滿足技術(shù)要求，且在主軸轉(zhuǎn)速為100 r/min,Z向進給為10 mm/min，滾壓深度為0.05 mm時滾壓質(zhì)量最好，車軸表面粗糙度為Ra0.183 μm，表面硬度可以達到251 HB。