車軸加工工藝優化方案

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摘要：文章通過對車軸表面高能束加工工藝與現行加工工藝的對比，分析各加工工藝的優缺點，并通過對高能束加工車軸進行實驗分析，驗證車軸高能束加工替代傳統磨削/滾壓加工的可行性。

關鍵詞：機車；車軸；高能束；加工工藝

機車車軸是機車走行部關鍵部件之一，通過與輪芯、傳動齒輪配合作業，將機車轉矩傳遞給鐵軌，其加工質量直接決定機車運行質量。機車高速運行及制動時，車軸長期處于交變載荷工況下，在輪芯、車軸解體探傷作業時，常在輪座表面發現疲勞裂紋。經分析，發現其主要原因為：車軸與輪芯為過盈配合，車軸輪座在壓裝作業后會產生應力集中，在應力的作用下，機車運行時，輪座圓周表面出現疲勞裂紋的傾向較大。為了提高車軸表面機械性能，車軸在加工的最后一道工序經常采用表面滾壓強化加工，硬化表面，提高抗疲勞強度、表面粗糙度、輪軸壓裝質量和車軸使用壽命。

1車軸傳統滾壓加工方式的不足

目前SS4B型機車車軸加工工藝流程為：1對車軸整體進行尺寸車削加工；2對抱軸承座、輪座和軸頸進行磨削加工；3對抱軸承座、輪座、軸頸及過渡圓弧進行滾壓加工。其中車削加工的目的是使車軸成形；磨削加工的目的是保證車軸尺寸及表面粗糙度；滾壓加工為強化車軸表面硬度，提高粗糙度、車軸裝配質量及表面抗疲勞強度。傳統加工方式的車、磨、滾由3臺設備分別完成，需要反復轉運及吊裝，增加了非加工的等待時間，降低了作業效率。滾壓過程屬于物理接觸，表面為剛性力接觸，接觸力可達1000~3000N，對加工機床傳動裝置（如Vol.42SupplementDec.20th，2019導軌、絲杠損傷很大，對機床自身剛度、穩定性要求高。同時，滾壓加工方式較易在車軸表面產生硬化層，硬化層與基材有明顯的微觀分層現象，易造成硬化層脫落?；趥鹘y的加工方式，車滾一體化機床對于傳動絲桿剛度要求大，使用壽命低，且易造成外圓面跳動過大，影響車軸加工質量。伴隨著科技的發展與進步，高能束超聲波金屬表面加工技術在發電行業、城軌車輛車軸加工方面的應用日漸成熟，并可能替代傳統的滾壓加工方式。

2車軸高能束加工工藝

2.1高能束加工的技術原理。利用金屬在常溫狀態下的冷塑性特點，將高能束沖擊原理結合到各種機械加工中，可實現微小孔納米級加工、振動車削、振動磨削、振動銑削、振動鉆削、振動雕刻、振動拋光、振動滾壓等。高能束加工是超聲波金屬表面加工技術中的一種，主要由加工刀具及超聲波控制系統組成。高能束加工其實是激光束、電子束、離子束、高頻高能束加工的統稱，是由電能轉換的、高頻的、高能量密度且振幅很小的高能束機械能和溫度略高于室溫的激活能構成的復合能量。通過各種傳遞方式將能量打入金屬組織內部改變金屬塑性，從而實現金屬改性加工，使金屬零件表面達到更理想的粗糙度，減少刀具損耗，減少工序和人力開支，同時在零件表面產生壓應力，提高零件表面的顯微硬度、耐磨性及耐腐蝕性，延長疲勞壽命。2.2高能束技術特點。1能量大，聚焦性能好，金屬組織密度納米化，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時局部沖擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應力、切削熱度更小，不會產生變形燒傷；直接深入到材料內部，反復加工也不會產生表層剝落，表面粗糙度大幅度降低，可實現超金屬表面加工。3可以消除殘余拉應力并預置壓應力，實現工件表面的強化，提高尺寸的穩定性。4可以修正工件圓度，加工各種形狀的型孔、型腔和成型表面。5高能束機床比較簡單，只需要一個方向輕壓進給，操作、維修都比較方便。2.3加工刀具。加工刀具是整套設備的主要組成部分，與工件表面直接接觸。高能束加工刀具包括氣動控制形成缸、內置能量轉換器、能量發生控制器連接機床數控系統。其振動頻率輸出為0~100μm，擁有95%以上的能量轉換比，最大輸出功率值96000W。高能束加工刀具接口示意圖如圖1所示。2.4加工過程?；跍p少工件轉運及吊裝、工序集成一體化需求，將車削、磨削、滾壓加工工序集成到同一臺設備上?，F車軸車削車床為LTC-50BXLM型數控臥式車床，車削加工進給量0.015mm，工件表面粗糙度Ra1.6。高能束專用刀具定置在車床12位自動回轉刀架上，高能束表面加工程序與外圓車削程序同步，轉速控制在150~300r/min，進給速度控制在3~5mm/min。檢修車軸的加工尺寸裕量小，故對于只需要磨削加工的車軸，需在磨床砂輪運動機構上增加高能束刀具。其加工方式與磨削加工相同，轉速控制在150~300r/min，進給速度控制在3~5mm/min，加工頻率為30kHz。工件在精加工后，選用高能束加力功能，對工件施加0~30000Hz的沖擊振動，給工件施加附加動應力，達到或超過材料的屈服極限，使工件發生微觀塑性變形，使內部的歪曲晶格得以慢慢地恢復平衡狀態；并通過高能束加工，提高車軸加工面粗糙度。2.5實驗數據。對40Cr樣塊進行高能束加工，其材料顯微硬度及金屬結構有了顯著提升，抗疲勞強度增大，如圖2、圖3所示。說明經過高能束加工，工件性能得到了提升。2.6高能束加工工藝相對于傳統加工方式的優點。高能束表面加工與傳統磨床和滾壓加工比較，設備的維護成本低，價格低，勞動強度低，環境污染小，加工效率高，耐磨性高，表面顯微硬度高，抗疲勞強度高。普通磨床加工的表面光潔度≤0.3，滾壓加工≤0.1，而高能束加工可以達到≤0.05。高能束加工表面粗糙度值達Ra0.2以下，直接實現鏡面效果，可減少抱軸傾向，增強耐磨性，降低應力集中和應力腐蝕，消除裂紋萌生源，大幅提高了車軸的疲勞性能。

3結束語

車輛經高能束加工后，材料表面硬度、光潔度、疲勞強度均得到明顯提升，且表面顯微硬度提高20%以上，能獲得高質量的R弧過渡區。同時，高能束刀具可完美與數控車床及外圓磨床改造融合，操作簡單，可替代磨削、拋光、滾壓等程序；改進工藝、減少人工，使用成本低且不受工件跳動影響；工件無需二次裝夾，極大提高了生產效率、增加了產能。在未來的車軸檢修行業中，高能束加工具有廣泛應用前景。

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作者:高志超 單位:神華鐵路貨車運輸有限責任公司