车轴加工工艺优化方案

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摘要：文章通过对车轴表面高能束加工工艺与现行加工工艺的对比，分析各加工工艺的优缺点，并通过对高能束加工车轴进行实验分析，验证车轴高能束加工替代传统磨削/滚压加工的可行性。

关键词：机车；车轴；高能束；加工工艺

机车车轴是机车走行部关键部件之一，通过与轮芯、传动齿轮配合作业，将机车转矩传递给铁轨，其加工质量直接决定机车运行质量。机车高速运行及制动时，车轴长期处于交变载荷工况下，在轮芯、车轴解体探伤作业时，常在轮座表面发现疲劳裂纹。经分析，发现其主要原因为：车轴与轮芯为过盈配合，车轴轮座在压装作业后会产生应力集中，在应力的作用下，机车运行时，轮座圆周表面出现疲劳裂纹的倾向较大。为了提高车轴表面机械性能，车轴在加工的最后一道工序经常采用表面滚压强化加工，硬化表面，提高抗疲劳强度、表面粗糙度、轮轴压装质量和车轴使用寿命。

1车轴传统滚压加工方式的不足

目前SS4B型机车车轴加工工艺流程为：1对车轴整体进行尺寸车削加工；2对抱轴承座、轮座和轴颈进行磨削加工；3对抱轴承座、轮座、轴颈及过渡圆弧进行滚压加工。其中车削加工的目的是使车轴成形；磨削加工的目的是保证车轴尺寸及表面粗糙度；滚压加工为强化车轴表面硬度，提高粗糙度、车轴装配质量及表面抗疲劳强度。传统加工方式的车、磨、滚由3台设备分别完成，需要反复转运及吊装，增加了非加工的等待时间，降低了作业效率。滚压过程属于物理接触，表面为刚性力接触，接触力可达1000~3000N，对加工机床传动装置（如Vol.42SupplementDec.20th，2019导轨、丝杠损伤很大，对机床自身刚度、稳定性要求高。同时，滚压加工方式较易在车轴表面产生硬化层，硬化层与基材有明显的微观分层现象，易造成硬化层脱落。基于传统的加工方式，车滚一体化机床对于传动丝杆刚度要求大，使用寿命低，且易造成外圆面跳动过大，影响车轴加工质量。伴随着科技的发展与进步，高能束超声波金属表面加工技术在发电行业、城轨车辆车轴加工方面的应用日渐成熟，并可能替代传统的滚压加工方式。

2车轴高能束加工工艺

2.1高能束加工的技术原理。利用金属在常温状态下的冷塑性特点，将高能束冲击原理结合到各种机械加工中，可实现微小孔纳米级加工、振动车削、振动磨削、振动铣削、振动钻削、振动雕刻、振动抛光、振动滚压等。高能束加工是超声波金属表面加工技术中的一种，主要由加工刀具及超声波控制系统组成。高能束加工其实是激光束、电子束、离子束、高频高能束加工的统称，是由电能转换的、高频的、高能量密度且振幅很小的高能束机械能和温度略高于室温的激活能构成的复合能量。通过各种传递方式将能量打入金属组织内部改变金属塑性，从而实现金属改性加工，使金属零件表面达到更理想的粗糙度，减少刀具损耗，减少工序和人力开支，同时在零件表面产生压应力，提高零件表面的显微硬度、耐磨性及耐腐蚀性，延长疲劳寿命。2.2高能束技术特点。1能量大，聚焦性能好，金属组织密度纳米化，能大幅提高材料塑性。2磨削加工精度高，表面粗糙度低。由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部冲击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热度更小，不会产生变形烧伤；直接深入到材料内部，反复加工也不会产生表层剥落，表面粗糙度大幅度降低，可实现超金属表面加工。3可以消除残余拉应力并预置压应力，实现工件表面的强化，提高尺寸的稳定性。4可以修正工件圆度，加工各种形状的型孔、型腔和成型表面。5高能束机床比较简单，只需要一个方向轻压进给，操作、维修都比较方便。2.3加工刀具。加工刀具是整套设备的主要组成部分，与工件表面直接接触。高能束加工刀具包括气动控制形成缸、内置能量转换器、能量发生控制器连接机床数控系统。其振动频率输出为0~100μm，拥有95%以上的能量转换比，最大输出功率值96000W。高能束加工刀具接口示意图如图1所示。2.4加工过程。基于减少工件转运及吊装、工序集成一体化需求，将车削、磨削、滚压加工工序集成到同一台设备上。现车轴车削车床为LTC-50BXLM型数控卧式车床，车削加工进给量0.015mm，工件表面粗糙度Ra1.6。高能束专用刀具定置在车床12位自动回转刀架上，高能束表面加工程序与外圆车削程序同步，转速控制在150~300r/min，进给速度控制在3~5mm/min。检修车轴的加工尺寸裕量小，故对于只需要磨削加工的车轴，需在磨床砂轮运动机构上增加高能束刀具。其加工方式与磨削加工相同，转速控制在150~300r/min，进给速度控制在3~5mm/min，加工频率为30kHz。工件在精加工后，选用高能束加力功能，对工件施加0~30000Hz的冲击振动，给工件施加附加动应力，达到或超过材料的屈服极限，使工件发生微观塑性变形，使内部的歪曲晶格得以慢慢地恢复平衡状态；并通过高能束加工，提高车轴加工面粗糙度。2.5实验数据。对40Cr样块进行高能束加工，其材料显微硬度及金属结构有了显著提升，抗疲劳强度增大，如图2、图3所示。说明经过高能束加工，工件性能得到了提升。2.6高能束加工工艺相对于传统加工方式的优点。高能束表面加工与传统磨床和滚压加工比较，设备的维护成本低，价格低，劳动强度低，环境污染小，加工效率高，耐磨性高，表面显微硬度高，抗疲劳强度高。普通磨床加工的表面光洁度≤0.3，滚压加工≤0.1，而高能束加工可以达到≤0.05。高能束加工表面粗糙度值达Ra0.2以下，直接实现镜面效果，可减少抱轴倾向，增强耐磨性，降低应力集中和应力腐蚀，消除裂纹萌生源，大幅提高了车轴的疲劳性能。

3结束语

车辆经高能束加工后，材料表面硬度、光洁度、疲劳强度均得到明显提升，且表面显微硬度提高20%以上，能获得高质量的R弧过渡区。同时，高能束刀具可完美与数控车床及外圆磨床改造融合，操作简单，可替代磨削、抛光、滚压等程序；改进工艺、减少人工，使用成本低且不受工件跳动影响；工件无需二次装夹，极大提高了生产效率、增加了产能。在未来的车轴检修行业中，高能束加工具有广泛应用前景。

参考文献：

[1]郭向东.机械加工工艺对零件加工精度的影响[J].湖南农机，2013（7：148-149.

[2]于鑫，李世涛，孙杰．EA4T车轴车削表面完整性研究[J]．工具技术，2014（9：77-80．

[3]马仁卿.实用车工技术手册[M]．北京：中国石化出版社，2004.

作者:高志超 单位:神华铁路货车运输有限责任公司