车轴加工残余应力研究

宋韬 管益辉 秦述勇

摘要：随着人们生活水平的提升，对于出行的需求也在不断提升。为了适应越来越多的乘客，高速、重载成为了轨道车辆发展的方向，而高速内燃动车组也被提上研究方向。由于内燃动力包安装到车辆上，导致轴重进一步提升，对承重部件的性能要求更为严格。车轴作为承载中的核心部件，在行驶过程中受到轨道、悬挂系统的复杂随机旋转弯曲扭转载荷，工作环境十分恶劣。车轴在加工过程中会有残余应力的产生，尤其是空心车轴空心部位的加工，控制车轴加工残余应力对分析车轴疲劳寿命具有重要的意义。

Abstract： With the improvement of people's living standards， the demand for travel is also increasing. In order to adapt to the increasing number of passengers， high-speed and heavy-duty rail vehicles have become the development direction， and high-speed internal combustion EMUs have also been put on the research direction. As the internal combustion power package is installed on the vehicle， the axle load is further increased， and the performance requirements of the load-bearing parts are more stringent. Axle， as the core part of load bearing， is subjected to the complex random rotation， bending and torsion load of track and suspension system in the process of driving， and the working environment is very bad. There will be residual stress in the processing of axle， especially in the processing of hollow part of axle. It is of great significance to control the residual stress in the processing of axle to analyze the fatigue life of axle.

关键词：车轴;加工;残余应力

Key words： axle;machining;residual stress

中图分类号：U260.331+.1                             文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）11-0057-02

1  研究背景

轨道行业凭借其快速稳定，运量大，成本低一直在运输行业占有足够的地位。我国地域辽阔，人们对货物运输和出行需求量大，乘坐汽车的安全性不足而航空价位高运量小。铁路运输正好彌补了这些缺陷，成为人们首选的交通工具。近些年我国大力发展轨道行业，高速列车、双层列车、动车组列车、内燃动车组列车等相继被提出并设计生产。内燃动车组是近些年提出的研究方向，因为内燃动车组动力包搭载到车辆本上，车辆的轴重较高，而车轴作为核心部件在内燃动车组的可靠具有十分重要的研究意义。车轴加工是车轴生产过程中十分重要的步骤，适当的加工方法和加工工艺能够保证车轴加工的质量，进而保证车轴运行过程中的运行品质。车轴加工性能直接关系到车辆的安全性与稳定性，控制车轴加工残余应力对分析车轴疲劳寿命具有重要的意义。

2  车轴加工工艺

车轴作为列车走行部中极为重要的组成部分，加工工艺尤其重要。车轴加工过程包括锻造和加工两大重要分类。其中尤其以加工最为复杂也更为重要。为了降低车辆簧下质量，缓和车辆运行过程中的轮轨冲击力，多把车轴中心掏空做成空心车轴使用。而空心车轴加工工艺要求高，加工面粗糙度要求严格，残余应力需要重点关注，尤其是空心部位的加工，空心车轴中的空心部位为光面通孔，其空心部位为直径30的通孔，长径比达到75，孔的直线度要求不超过0.1mm/m，孔内粗糙度要求不大于Ra1.6μm。本文以EA4T空心车轴为例介绍车轴精密加工，车轴基本形态如图1所示。

3  残余应力概念及生成原因

残余应力工业生产过程中十分常见的一种应力情况，该应力通过机械加工、热处理等方式后残余在工件内部。残余应力存在非常普遍，一般切削加工与表面强化工艺都会导致残余应力的产生。残余应力会显著影响材料的使用性能，如耐磨性、耐腐蚀性、断裂初性、尺寸稳定性等，特别是影响材料的抗疲劳性能。

机械应力、热应力以及相变都会引起工件残余应力的产生，也是最常见的产生方式。机械应力引起的残余应力主要是指工件受到机械力的作用产生不均匀的塑性变形而引起的残余应力;热应力引起的残余应力主要是指工件受到不均匀的冷却或加热过程形成了温度梯度使局部收缩或膨胀而引起的残余应力;相变引起的残余应力主要是指工件材料发生相变导致不均匀的体积变化造成的残余应力，加工过程中材料变形如图2所示。

4  车轴加工残余应力

车轴在生产加工过程总，刀具对车轴的作用力一方面使车轴发生塑性变形，一方面产生大量的机械加工热量。当车轴空心部位深钻孔时，车轴内壁受到钻孔的影响产生塑性变性，刀具的切削力压缩沿车轴内表面方向材料，使其收缩，而垂直于车轴内表面方向材料被拉伸，车轴不等同性的材料变化导致了残余应力的产生;在深孔加工过程中，虽有切削液的存在，但是还是不可避免的出现的大量热量使车轴产生不均匀的热量变化，导致车轴表面出现温度梯度变化产生的残余应力。虽在珩磨内孔粗糙度的情况下会削减大量的残余应力，且将内孔表面处理圆滑，但不可避免的存在些许残余应力的情况。

5  残余应力的检测方法

根据检测方法是否会对测试部件造成破坏，可将检测方法分为有损检测与无损检测两大类。有损法测试法的基本原理是利用机械的方法将待测工件一部分去除，使待测工件释放部分应力产生位移或应变，进而通过测量这些位移或应变，计算得到待测工件的原始残余应力。无损测试法则主要通过物理的方法进行残余应力的检测。目前针对车轴表面残余应力检测的方法主要有：钻孔法、X射线衍射法、中子衍射法、纳米压痕法等。

在上述残余应力的检测方法中，X射线衍射法相比钻孔法，耗时较少，且对车轴表面无损伤;相比中子衍射法，成本较低，且精度可以满足要求;相比纳米压痕法，耗时较少，操作方便，技术成熟且计算量小。由于检测过程无损且方便快捷，X射线衍射法在生产现场受到普遍应用。但X射线在金属材料中穿透能力有限，达到的厚度仅为凡微米到几十微米。因此，在实际的车轴生产制造过程中，X射线衍射法通常被用来测定表面残余应力。

6  残余应力的控制

根据上文对车轴加工工艺的分析，车轴加工过程中必然会产生残余应力。控制残余应力的产生或者将残余应力加以利用能够有效的提供车轴的性能。根据车轴加工过程中残余应力的产生原因进行分析，刀具对残余应力的影响最大。根据刀具情况分析，当车轴加工刀具随刀尖圆弧半径增大，刀尖对车削加工表面的“挤光效应”增强，导致加工刀具产生的压应力增大，残余应力会相应增大;同时由于刀尖“变顿”，车轴加工过程中的切屑变形增大，后刀面与车削加工表面之间摩擦增大，切削产热增加，产生的热量梯度明显，热应力产生的残余应力增大。所以对于车轴加工来书，刀具的选择应该根据车轴的具体形状针对性选择，避免因为刀具挤光效应或者剧烈的摩擦生热产生大量的机械残余应力或者热残余应力。

7  切削残余应力消除方法

车轴进行切削加工后，车轴表层存在很大的残余应力，因此，车轴加工后需要进行消除或减小加工残余应力，方可进入后工序进行生产和使用。目前，轨道交通企业采用的车轴应力消除有自然消除法和人工消除法两大类。

自然消除法是将加工完成的车轴存放至自然环境中，经过长期的放置，并且在自然环境的影响下，使其加工残余应力逐渐的释放减弱。由于自然消除法要求存放时间较长，极大的占用企业资源，生产效率极低，不利于企业的快速生产，因此自然消除法通常仅适用于试验用车轴的残余应力消除。

热处理法是人工消除车轴加工残余应力的重要方法，热处理法通常是对车轴进行升温和降温方法使车轴内部的加工残余应力得到释放和消除。热处理法通常选择低温去应力退火，在实际的生产过程中通常是将加工完成后的车轴放置在加热炉中均匀地加热到一定的温度，经过一定时间的保温后，然后取出放置在自然环境中进行冷却。

振动消除法是人工消除车轴加工残余应力另一种重要的方法，振动消除法通过将车轴安置在振动设备上，振动设备带动车轴不断的振动，使得车轴在振动过程中产生细微的塑性形变，以此来消除和降低车轴加工后的内部的残余应力，增强车轴的稳定性。振动消除法操作采用彈性物质对车轴进行支撑，将振动设备安装在车轴上，振动设备振动使得车轴与振动设备达到一种共振的状态，保持此共振状态持续一定的时间，使得车轴加工残余应力得以消除。

在轨道交通制造业中，车轴的生产加工过程通常会优先选择热处理法和振动消除法来消除车轴加工残余应力。

8  总结

车轴作为车辆中极为重要的部件，对车辆运行安全具有重要的影响。根据分析，由于加工工艺本身的性质导致车轴加工过程中残余应力的产生是不可避免的，随着车辆运行速度的提升以及车辆载重的增加，车轴工作环境越来越恶劣，车轴残余应力控制要重点关注。本文基于车轴的基本结构，重点讨论空心车轴通孔加工的过程，分析了加工过程中的残余应力的产生，讨论了刀具对残余应力产生带来的影响，为车轴加工残余应力的控制提供参考。

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