铁路车轴表面残余应力研究

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编者按

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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。

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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火可有效提升车轴表面残余压应力，且影响层厚度较大；车轴需采用小切削量进行车削，且车削在一定程度上可增加表面拉应力；磨削可有效去除车削产生的表面缺陷，从而提升产品表面抗疲劳性能。

参考文献：

[1] 薄鑫涛，郭海祥，袁凤松．实用热处理手册[M]． 上海：上海科学技术出版社，2009.

[2] 宋维锡. 金属学[M]. 北京：冶金工业出版社，2000.

[3] 张洁．金属热处理及检验[M]．北京：化学工业出 版社，2004.

[4] 于程歆，刘林．淬火冷却技术及淬火介质[M]．沈 阳：辽宁科学技术出版社，2010.

[5] 戴起勋．金属材料学[M]．北京：化学工业出版 社，2011.

[6] 顾剑锋，潘建生，胡明媚．淬火过程的计算机模拟 及其应用[J]．金属热处理，2000，21（5）：35-37.

本文发表于《金属加工（热加工）》2023年第5期第36~38页，作者：太原重工轨道交通设备有限公司 金显贺，薛振峰，郑毅，原标题：《 铁路车轴表面残余应力研究 》。

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