滚压强化技术在铁路车轴表面处理中的应用

蔡卫星，邓鸿剑，徐锋



滚压强化技术在铁路车轴表面处理中的应用

蔡卫星，邓鸿剑，徐锋

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）

针对铁路车轴的表面损伤问题，提出了表面滚压技术应用于提高铁路车轴疲劳性能的可行性，综述了滚压强化技术的原理，详述了机械滚压技术、超声滚压技术、温滚压技术以及激光辅助滚压技术在铁路车轴表面处理中的应用现状，并指出完善滚压强化技术使得其能适应零件形式的多样性，优化获得高效稳定的滚压强化工艺，组织强化机理的实验和理论研究以及滚压后材料内部及深度方向残余应力的分布规律研究是未来的研究重点，为拓展其应用提供理论基础。

滚压强化；铁路车轴；表面处理

轨道车辆车轮、车轴和轴承过盈装配在一起称为轮对，是确保行车安全的关键部件。车辆在运行中，长期承受着交变载荷的作用，使得车轴轮座部位产生极大的应力集中，在应力集中的作用下，该处圆周表面均有产生疲劳裂纹的可能[1-2]。约有2/3的车轴的损伤是由疲劳引起的，铁路车轴的损伤会直接导致车辆重大事故的发生。而疲劳损伤往往发生在表面或从表面开始，然后逐渐向内部扩展并最终导致整个构件失效，造成了巨大经济损失和安全隐患。如果通过某种手段或者方法可改善车轴材料的表面性能，就可很大程度上提高其综合服役性能和使用寿命，例如在表层引入一定的残余压应力，改善表层组织结构等，就能显著地提高其疲劳强度，而表面强化是一种改善机械零件和构件表面性能，提高疲劳强度的有效工艺方法。

滚压强化技术是一种较好的表面强化手段，采用的工具和工艺比较简单，效率高、强化效果显著。近年来，滚压强化技术由于其加工精度高、加工过程不产生废屑、废液，有利于节能环保而发展越来越迅速，在航天航空、汽车车轴，火车车轴等很多行业都已广泛使用。

1 滚压强化技术原理

滚压加工是利用滚压工具头在被加工工件表面滚动的过程中施加一定初始静压力的一种表面强化加工方法。在滚压过程中，由于工件在特制的滚压工具下进行加工，材料表面晶粒和应力状态发生改变，但其化学成分不会发生变化，其滚压过程如图1（a）所示[3-4]。滚压工具的材料主要包括红宝石、淬火钢和硬质合金等高硬度材料，滚压工具形状有滚柱、滚珠和滚轮等，滚压工具如图1（b）。

图1 滚压过程及常用的滚压工具

如图1（a），零件表面变形区域可以分为压入区域（A）、塑性变形区域（B）和弹性恢复区（C）等。表面滚压强化技术可以将零件经过机械加工后其表面凸出位置的材料挤压到凹处，降低其表面粗糙度；在滚压过程中材料表面发现塑性变形，表面晶粒细化或随滚压方向压扁，从而材料表面硬度也得到提升；并且在零件中形成了残余压应力，有助于提高其耐蚀性、耐磨性和抗疲劳性能[5-8]。

2 滚压强化技术在铁路车轴中的应用现状

表面滚压强化技术又分为机械式滚压、激光脉冲滚压、温滚压、超声滚压以及深冷滚压等多种复合式工艺。

2.1 机械滚压技术的应用现状

机械式滚压属于传统滚压方法，它是将待加工工件固定在车床或数控机床上，采用选定的滚压工具（辊轮，滚珠，辊轴）通过液压驱动或切削液作为介质进行滚压加工。装置原理如图2所示。

图2 机械滚压装置原理和设备实物

中国北车集团刘昌祟等[9]对机车车轴卸荷槽表面滚压强化进行了研究，提出了采用机械式双辊轮滚压成型加工HXn3机车车轴的成型滚压工艺，经过验证，该滚压工艺加工工艺性，运用可靠性，装置经济性，产品的生产效率和加工质量等各方面都得到了明显的提升效果。王胜利等[10]对内燃机机车抱轴颈分进行机械式滚压强化，结果表明滚压可使车轴的疲劳强度提高1.4～1.5倍，表面硬度一般可提高25%～30%。于鑫等[11]通过对EA4T车轴进行滚压试验，滚压后，表面粗糙度从2.446 μm降到0.244～1.812 μm，残余应力状态从拉应力变为压应力，且表面硬度也有不同程度提高。随着滚压速度增大，车轴表面硬度有一定程度的提高，最大硬化率达到44.1%。郝卓等[12]采用液压滚压加工的方法对长轴表面进行光整加工，分析、设计了滚压装置的具体结构。

2.2 超声滚压技术的应用现状

超声波辅助滚压工艺（Surface Ultrasonic Rolling Processing，SURP）是一种将超声振动和普通滚压技术相结合而产生的新型滚压技术。超声辅助滚压加工工件表面层的塑性变形量取决于超声辅助滚压加工工艺及具体的加工参数。

陈利钦等[13]研究了表面超声滚压（SURP）工艺对高速列车车轴钢EA4T表面的影响：在SURP处理后，试样表面轴向残余压应力、表面硬度都得到大幅度提升。南车株洲电力机车的熊平[14]应用超声冲击强化对LZ50车轴钢进行处理，处理后表面形成了一层塑性变形层，表面硬度提高，粗糙度降低和存在较大的残余压应力。大连交通大学的梁晨[15]采用超声滚压对车轴钢进行表面强化，在功率180 W作用下，试样的表面硬度提高了25%，表面粗糙度降低了6.5倍，变形层厚度大约为80 μm，试样最表层已转变为均匀的等轴状纳米晶，晶粒尺寸为40～50 nm。

2.3 温滚压技术的应用现状

温滚压工艺是在普通冷滚压的基础上增加了一道加热工序，在一定温度下进行普通滚压，具有比普通滚压更好的强化效果。日本的五弓勇雄在20世纪50年代就开始研究了钢在中温下加工所引起的性能变化。在“蓝脆”区和相变区进行塑性变形能够得到更细化的组织，表明温加工有利于组织的强化，提高材料的强度和韧性[16]。20世纪70年代，日本少数厂家发现，温滚压强化后的车轴较冷滚压后的车轴疲劳寿命提高约1.1～1.3倍。我国对温滚压研究相对较晚，徐新成等人[17]对铁路重载货车轴承滚动体温塑性成形研究表明：金属材料中温塑性好，变形抗力低的特点，可以防止成形过程中的开裂。周航[18]研究了45钢在不同温度不同压下量的组合下的温滚压疲劳断裂问题，结果表明：试样的滚压对零件疲劳强度有较大的提高，室温下最佳下压量为0.006 mm，温滚压最佳工艺参数为300℃的温度、0.15 mm的下压量。

2.4 激光辅助滚压技术的应用现状

激光辅助滚压技术始于20世纪70年代，是通过脉冲激光和传统表面滚压相结合，利用强脉冲激光产生冲击波来对材料进行强化，使材料表面产生高密度的位错，并在材料表层产生残余压应力，从而提高材料表面的机械性能，其中激光冲击强化技术也属于激光滚压的范畴。与传统的喷丸、抛丸等加工相比，激光辅助滚压技术具有更高的应变率，产生的表面残余压应力极值更大、深度更深，疲劳强度得到明显提高。但是，激光滚压强化技术尚不成熟，成本较高，目前极少应用于轨道交通材料的加工。

3 发展趋势

虽然滚压强化在航天航空、汽车和轨道交通等领域有着广泛的应用，但是其机理研究、工艺优化及应用领域仍有较大的发展空间，应着重强化以下研究工作：

（1）完善滚压强化技术，使其能适应零件形式的多样性，扩大其使用范围。

（2）研究如何获得高效稳定的滚压强化工艺，使不同类型构件表层达到要求。

（3）滚压机理包括光整强化机理、应力强化机理和组织强化机理[19]。目前在光整强化机理和应力强化机理的实验研究还比较深入，但对组织强化机理的实验研究较少，相对试验性规律研究而言滚压机理的理论分析比较薄弱，所以要加强对这些方面的研究。

（4）加强滚压零部件内部残余应力的分析研究。目前，针对材料滚压后的残余应力研究均集中在表面残余应力的研究，而对于残余应力沿着深度方向上的变化目前未见报道。有研究了滚压强化后的材料在高温下应用时其残余应力的变化情况[20]，研究表明滚压后零件在高温下使用时必须考虑组织的不稳定性和残余应力的改变。

虽然表面滚压技术还有很多理论和技术需要进一步深入研究，但是采用表面滚压技术对高速列车的车轴等零部件进行表面强化处理可提高其疲劳强度，降低运行过程中的安全隐患，为我国高速列车更快的发展提供助力。

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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

蔡卫星（1988－），男，河南商丘人，硕士，主要研究方向为机械制造及其自动化。