东莞市轨道交通有限公司
摘要：针对地铁轮对维修存在的车轴圆弧部位存在应力集中导致疲劳裂纹问题，研究应用滚压强化工艺的效果，探讨运用滚压强化工艺提高表面质量解决地铁车辆轮对生产质量难点的方法。
1 引言
在地铁轮对生产过程中，车轴机加工修整后，受结构和工艺局限，圆弧部位的表面质量很难提高，容易出现应力集中，导致车轴疲劳强度降低产生裂纹，对列车安全运营构成安全隐患。
为解决车轴圆弧部位加工质量问题，笔者比较表面高频淬火、喷丸强化、喷涂强化及滚压强化等常用表面强化工艺，重点分析和验证滚压强化这种投入成本低、设备简单的工艺的可行性。
2 滚压强化工艺研究
2.1 设备条件
研究滚压工艺设备条件，主要考虑两个问题。一是强化部位，车轴表面强化是要解决外圆弧与圆柱过渡部位的问题。其次，利用现有的设备条件，避免增加额外投资。
滚轮滚压工具常用于外圆滚压和大直径浅孔滚压，分刚性及弹性两类，工艺验证选用结构相对简单的单滚刚性滚压轮，配合CW6163型卧式车床使用。滚轮安装在车床刀架上，中心与工件回转中心相平行，考虑车轴钢材牌号为EA1N，笔者采用直径100mm高速钢材质的滚轮，热处理硬度HRC60-65之间。
2.2工艺要点
车轴滚压强化工艺主要包括预处理及主要工序。
2.2.1预处理工序
（1）无损检测 滚压工艺能消除和掩盖部分材料缺陷，影响无损检测的结果，滚压前需要完成车轴组件的无损检测。
（2）控制表面粗糙度 车轴滚压部位的加工后表面粗糙度要不大于Ra3.2um，并抛光处理。
（3）清洁滚压接触部件及工具 用干净的白棉布和专用清洁剂清洁和检查滚轮和带滚压部位的表面，不得有附着物及凹坑、擦伤和其他微小的表面缺陷。
2.2.2 主要工序
（1）将滚轮牢固安装在刀架上，与车轴中心线形成一定的接触夹角（见图1），接触夹角决定滚压量的大小，滚压量在0.005-0.01mm范围之间，硬度增加效果较显著。
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图1滚压的接触夹角
（2）在车轴的待滚压表面上涂抹薄薄一层无添加剂润滑油，可以降低摩擦系统和滚压温度，提高滚压精度。
（3）滚轮工具处于纵向工作进给时，操作者要注意观察滚压接触面的情况，及时调整进给量，将滚压力控制在合理范围内并平顺过渡，避免滚压力过大出现皱纹。
（4）滚压次数要严格控制 原则上一次成型，如果滚压后表面形状和粗糙度不符合要求，用200目细砂纸重新打磨修正并抛光，在进行第2次滚压。同一部位滚压次数不得多于2次，滚压车轴旋转方向和滚轮移动方向均与第1次相同。
2.3滚压强化效果分析
为分析地铁车辆轮对车轴滚压强化工艺特性，笔者对地铁轮对常用的两种不同牌号车轴进行滚压强化处理，并分析对比滚压前后的数据（见附表1）。
表1 不同材质的车轴滚压强化前后检测数据
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从测得的数据可发现，车轴滚压余量很小，含碳量相对较低的EA1N车轴滚压余量约为0.04mm，含碳量及表面硬度高的LZ50车轴的滚压仅为0.01mm。滚压强后两种材质的车轴表面硬度均出现显著提高，变化量在30-50HB之间，表面粗糙度均从Ra3.2um提高到Ra1.6um以内。
为分析预处理工艺对滚压强化质量的影响，还对车轴表面抛光处理后的滚压强化效果进行比较和分析。（见附表2）
表2 不同材质的车轴滚压强化前后检测数据
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车削加工后直接滚压与表面抛光处理后再滚压的质量效果相比，虽然由于材质的不同表现出来的改善程度有所不同，但表面抛光处理后再滚压的各项参数改善效果更好，表面硬度及表面粗糙度两项数据均有明显的提升。
采用滚压强化工艺后表面产生的残余压应力有效抵除机加工的拉应力，不仅降低缺口敏感性，有效解决圆弧部位应力集中带来的疲劳应力腐蚀问题，还应为滚压工艺提升车轴表面粗糙度，降低应力集中的风险，阻止初始发纹的发生和延展。
滚压强化显著提生车轴应力集中部位的表面硬度，改变车轴材料物理特性，降低车轴车轮装配后配合面的微动磨损，使车轴疲劳强度得以提高，延长在役轮对的寿命。
3提升滚压工艺质量的要点
研究工艺参数项对滚压质量的影响，查阅相关文献后，归纳出提高滚压强化工艺质量的要点：
（1）控制好车轴滚压部位的表面粗糙度 车轴的表面粗糙度值越低，滚压强化质量越高。相关技术文献也证明在表面粗糙度Ra0.8um的条件下，滚压加工的车轴疲劳寿命比磨削加工车轴疲劳寿命高2倍以上。车轴滚压强化后压装成轮对的压装曲线更好，退轮出现损伤情况也较未强化车轴少。
（2）选取合适的单位滚压力 单位滚压力是滚压工艺的重要参数，是滚压力与滚轮车轴实际接触面积的比值。滚压面的质量在一定范围与单位滚压力值成正比，过分追求和提升单位滚压力值将会导致滚压面质量急剧下降并形成微观皱褶现象，并可能产生脆皮问题。
单位滚压力要受车轴材质、圆弧形状及表面粗糙度影响，车轴材质越硬，表面粗糙度越大、滚压型面曲率半径越大，单位滚压力越大。另外，还受滚轮不同刚度结构的影响。因此，需做好充分的工艺验证以确定合理的压力值。
（3）合理选用润滑油减摩 在滚压接触面正确使用润滑剂，能有效减小摩擦力，降低噪声和发热，提高滚压的质量，延长滚压轮的寿命。
润滑剂选用不当将会影响滚压效果，并起到反作用，根据实践经验选用20#或30#机油均可，涂抹润滑油要注意避免过量，薄薄一层完全覆盖滚压部位即可。
（4）选用合理的滚轮工具及设备 滚压工艺质量与滚轮的选用密切相关，车轴滚压部位主要包括轮座、轴承座、卸荷槽等容易引起应力集中的圆弧过渡部位，各部位曲率存在差异，应根据滚压部位的尺寸和材质选用匹配的滚轮，提高滚压的工艺质量。
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图2适应不同圆弧面的滚轮工具
使用普通车床设备的滚压进给量和滚压力及移动速度容易受操作人员水平的影响，条件允许应配置数控卧式车床或对车床数控化改造，以提升滚压工艺质量。
4 结语
采用滚压工艺对机加工后的车轴进行表面强化处理，能有效改善车轴相关要部位的质量，提高轮对生产质量。滚压工艺参数选用需做好工艺验证，对操作人员技能有一定的要求，但滚压强化工艺所需的设备简单，投入成本低，在地铁轮对的生产中有较好的应用和推广价值。