磨削工艺对车轴表面应力状态影响分析及工艺优化

・应用研究・　李冰姜长明　曾超等磨削工艺对车轴表面应力状态影响分析及……　４３　磨削工艺对车轴表面应力状态影响分析及工艺优化　李冰　，姜长明　，曾超　，李玉婵　（１．齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司，黑龙江齐齐哈尔　１　６１００２）　（２．南京航空航天大学机电学院，江苏南京２１００１６）　摘要：为了优化车轴表面残余应力状态，保证车轴疲劳可靠性，通过试验方法对５０钢车轴在不同　磨削工艺参数下的表面应力状态进行了考察，得出了影响轴颈、防尘座以及轮座磨削表面残余应　力参数的主次关系以及参数大小，并结合实际工艺条件给出了最优的工艺参数匹配以及合理的　参数区间。　关键词：磨削；残余应力；车轴；工艺优化　中图分类号：Ｕ２７２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７２—１６１６（２０１１）２１—００４３一Ｏ３　数状态（磨削深度、砂轮转速、工件转速、进给量　车轴是铁路车辆走行部分的关键部件之一，其　机械性能和疲劳寿命对车辆运行的安全性具有很　大的影响。当前车轴表面的最后加工工序都是磨　削，在对某车辆厂的部分裂纹轴进行失效抽样统计　时发现，车轴的疲劳失效位置多发生在轴颈、卸荷　等）、砂轮的几何和拓扑性状（包括修整的状态、磨　损的状态）、砂轮的特性（磨粒的类型、形状、粒度、　密度等；砂轮的结构和形状；结合剂的性状、砂轮的　硬度等）、冷却润滑条件等。试验材料采用５０钢，　试件尺寸信息如图１所示，以磨削深度、砂轮转速、　工件转速等３项工艺参数作为基本影响因素。对　试件按照预设的工艺参数进行加工后，使用盲孔法　测试其表面各区域的残余应力分布情况，并进行统　计分析。　轴颈、防尘座、轮座的磨削均采用三因素二水　槽（过渡圆弧）、轮座和轴身等区域。当前所见文献　中，研究较多的是车轴表面的强化ｕ　Ｊ，而对于通　过改变加工工艺来改善车轴表面状态的研究则较　少。至于磨削残余应力的形成机理，普遍认为其产　生主要是由磨削力及磨削温度决定的＿５＿８　Ｊ。有学　者针对特定的材料进行了磨削残余应力的研　究［　加Ｊ，提出可以通过选择较小磨削深度、较低的　砂轮速度和较高的工作台速度来达到减小残余拉　应力的目的。因此，在以上理论的基础上，基于企　平实验，采用同样的砂轮进给量（０．０１５ｍｍ／ｒ）。详　细参数设置见表１～表４。　业长期的生产实践经验，开展普通机加工车轴表面　关键区域的应力状态分析以及以应力改善为目标　的磨削工艺优化研究具有深刻的现实意义。　２试验结果与讨论　２．１　实验数据回归分析　根据对实验数据的统计，在实验工艺参数条件　１试验设计　影响磨削质量的因素主要可以归纳为：工艺参　　Ｉ下的轴颈残余应力分布及回归分析结果见表５，防　尘座残余应力分布及回归分析结果见表６，轮座残　余应力分布及回归分析结果见表７。　　＿＼　ｌ　一　Ｊ　，　弪　｝２●＋５　０　ｌ　Ｎ　图ｌ车轴试件　ｂ　２５　‘２５。　收稿日期：２０１１—０８—１５　作者简介：李冰（１９６９一），男，黑龙江齐齐哈尔人，齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司高级工程师，主要从事铁路货车转向架工艺方面　的研究。　２０１１年１１月　中国制造业信息化第４０卷第２１期　表１轴颈和防尘座磨削因素水平表　表３轮座磨削正交试验表　表２轴颈和防尘座磨削正交试验表　表４轮座磨削因素水平表　表５轴颈磨削试验结果分析　磨削深度／　砂轮转速／　ｎｍ１　（ｒ・ｍｉｎＩ１）　工件转速／　（ｒ・ｍｉｎＩ１）　隶属度　９０・隶属度　综合分　１　０．２５　１　０００　３０　０．７０８　１　０．４３０　６　０．５６９　４　２　０．５Ｏ　１　ｏｏＯ　３０　Ｏ．０９２　１　Ｏ．１６９　５　０．１３Ｏ　８　３　０．２５　１　０００　５０　０．７６５　３　０．５４３　９　０．６５４　６　实　４　０．５０　１　０００　５０　Ｏ　０　２６９　５　Ｏ．１３４　８　５　０．２５　８００　５０　０．３２８　７　０　０．１６４　４　６　０．５Ｏ　８００　５０　１．０００　０　０．８８６　０　０．９４３　０　７　０．２５　８００　３０　０．６８５　６　０．９６３　９　０．９２４　７　８　０．５０　８００　３０　０．９６８　１　１．０００　０　０．９８４　０　Ｋ１　２．３１３　１　１．４８９　６　２．６０８　９　Ｋ２　２．１９２　６　３．０１６　１　１．８９６　８　极差　０．１２０　５　１．５２６　５　０．７１２　１　表６防尘座磨削试验结果分析　磨削深度／　ｍｍ　砂轮转速／　（ｒ・ｍｉｎＩ１）　工件转速／　（ｒ・ｍｉｎＩ１）　隶属度　９ｏ。隶属度　综合分　１　０．２５　１　０００　３０　０．６５１　５　０．４７９　５　０．５６５　５　２　Ｏ．５０　１　０００　３０　０．８８７　２　１．０００　０　０．９４３　６　３　０．２５　１　０００　５０　１．０００　０　０．９７２　０　０．９８６　０　实　４　０．５０　１　０００　５０　０．６５５　５　０．２３１　３　０．４４３　４　验　ＩＤ　５　０．２５　８００　５０　０　Ｏ　０　６　０．５０　８００　５０　０．４０４　９　０．０５６　８　０．２３０　９　７　０．２５　８００　３０　０．２７７　６　０．０４６　８　０．１６２　２　８　Ｏ．５０　８０Ｏ　３０　Ｏ．７６０　３　０．３０１　６　０．５３１　Ｏ　Ｋ１　１．７１３　７　２．９３８　５　２．２０２　３　Ｋ２　２．１４８　９　０．９２４　１　１．６６０　３　极差　０．４３５　２　２．０１４　４　０．５４２　０　・应用研究・　李冰姜长明　曾超等磨削工艺对车轴表面应力状态影响分析及……　４５　表７轮座磨削试验结果分析　利于降低磨削温度，并形成残余拉应力。　磨削深度／　工件转速／　０‘　９０　综合分　根据以上试验的结果并结合实际的工艺条件，对　Ｆｉｌｍ　（ｒ・ｍｉｎ－１）　隶属度　隶属度　轴颈、防尘座以及轮座的磨削工艺参数优化如下。　１　０．２５　３０　０．５３１　６　０．９６３　９　０．７４７　８　实　２　０．２５　５０　０　０　０　ａ．磨削轴颈、防尘座工序：砂轮转速８００～　验　９００ｒ／ｍｉｎ、进给量０．０１～０．０２ｍｍ／ｒ、磨削深度　ＩＤ　３　０．５０　３０　０．９５２　４　１．０００　０　０．９７６　２　０．２５～０．４０ｍｍ、工件转速４５～５５ｒ／ｍｉｎ。　４　０．５０　５０　１．０００　０　０．８８６　０　０．９４３　０　ｂ．磨削轮座工序：砂轮转速７７８～８１５ｒ／ｒａｉｎ、　Ｋ１　０．７４８　０　１．７２４　０　进给量０．Ｏ１～０．０２ｍｍ／ｒ、磨削深度０．２５～　Ｋ２　１．９１９　２　０．９４３　０　０．４０ｍｍ、工件转速４５～５０ｒ／ｍｉｎ。　极差　１．１７１　２　０．７８１　０　在表５～表７中，用隶属度来表示分数。隶属　度ｙ　＝（Ｃ　—ｃＩＴｌｉ　）／（Ｃｍａｘ—Ｃｍｉ　），其中，Ｃ　表示指标　３　结束语　通过以上研究发现，磨削深度、砂轮转速以及　值，ｃ　和Ｃ　ｍｉ　分别表示指标的最大值和最小值。　工件转速等参数是影响磨削表面残余应力的主要　显然，），　＝１，），ＩＴ１ｉ　＝０，所以０≤７　≤１。两个方　向应力的权重分别为１７１０ａ＝０．５，　９　＝０．５，那么　因素。对于车轴表面不同区域的磨削加工，残余应　力的影响主次因素不同，轴颈和防尘座磨削残余应　每号试验的综合分数ＭＡＲＫ＝　０＂７　＋　力影响的主次因素均为砂轮转速一工件转速一磨　ｍ９ｏ。　９０。。表中Ｋ１，Ｋ２分别代表两种水平下综合　削深度，而轮座磨削工件转速和磨削深度的影响主　分之和，极差为Ｋ１，Ｋ２之差，极差越大表明影响　次则相反。对于５０钢材料的列车车轴，以轴表面　因素越明显，最优加工参数则是根据最小的Ｋ值　残余应力为考察对象，对磨削工艺参数进行了优　选择的。由此可从表５～表７中得到如下结论：　化，得出了各参数的一个相对理想的区间范围，对　ａ．轴颈磨削残余应力影响的主次因素分别为　于生产实践具有相当的指导意义。　砂轮转速一工件转速一磨削深度。最佳匹配参数　为砂轮转速１　０００ｒ／ｒａｉｎ，工件转速５０ｒ／ｒａｉｎ，磨削　参考文献：　深度０．５０ｍｍ。　［１］封全保，刘建新，吕士勇．车轴表面应力分析［Ｊ］．交通运输工　ｂ．防尘座磨削残余应力影响的主次因素分别　程学报，２００５，５（３）：１　４．　为砂轮转速一工件转速一磨削深度。最佳参数为　［２］徐悦．经喷丸处理后４０＃车轴钢裂纹的萌生及其沿表面　砂轮转速８００ｒ／ｍｉｎ，工件转速５０ｒ／ｍｉｎ，磨削深度　的扩展［Ｊ］．河北理工学院学报，１９９７，１９（２）：１３—１８．　［３］王虹，房宇杰，牟忠凯．滚压强化技术在铁路中的运用［Ｊ］．　０．２５ｍｍ。　机械工程师，２０００（３）：４０—４１．　Ｃ．轮座磨削残余应力影响的主次因素分别为　［４］吴海英，龙刚，王旭，等．亚临界淬火对ＬＺ５０钢车轴性　磨削深度一工件转速。最佳匹配参数为磨削深度　能的影响［Ｊ］．机车车辆工艺，２０１０（１）：１—３．　０．２５ｍｍ，工件转速５０ｒ／ｍｉｎ。　［５］胡忠辉，袁哲俊．磨削残余应力产生机理的研究［Ｊ］．哈尔滨　２．２优化分析　工业大学学报，１９８９（３）：５１—６０．　［６］张文勇，陈亚维．磨削残余应力与磨削裂纹［Ｊ］．郑州纺织工　残余应力产生的主要原因可以归纳为在磨削　学院学报，１９９５，６（１）：２６—３２．　过程中，由于高应力产生的塑性变形和高温后产生　［７］黄卫，郭晓军，姚智慧．磨削用量对平面磨削残余应力的影　的相变等现象引起晶粒分布的协调性和平衡性受　响及应力预报［Ｊ］．航天工艺，１９９８（４）：７—９．　到改变而导致。其中磨削区的高温与高应力的产　［８］　任敬心，孟庆国．磨削残余应力的有限元计算［Ｊ］．磨料磨具　生均与磨削过程中的大切向磨削力相关。当前对　与磨削，１９９５（３）：３１—３５．　于磨削力的研究认为除材料特性外，磨削深度、砂　［９］王西彬，李相真．结构陶瓷磨削表面的残余应力［Ｊ］．金刚石　与磨料磨具工程，１９９７（６）：１８—２２．　轮和工件的转速均为影响磨削力的主要因素。相　［１Ｏ］康仁科，任敬心．改善钛合金磨削残余应力的有效途径［ｊ］．　对减小磨削深度、砂轮转速，适当提高工件转速，有　航空工艺技术，１９９０（２）：７—１０．　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ａｘｌｅ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｒｅｓｉｄｕａｌ　Ｓｔｒｅｓｓ　ｉｎ　Ｇｒｉｎｄｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ＬＩ　Ｂｉｎ　，ＪＩＡＮＧ　Ｃｈａｎｇ—ｒｕｉｎｇ　，ＺＥＮＧ　Ｃｈａｏ２，ＬＩ　Ｙｕ—Ｃｈａｎ　（下转第４９页）　・应用研究・　刘红亮　民用飞机电气线路防火研究　４９　电缆直径不匹配的问题，应选择适当大小的卡箍，　确保电缆束的摩擦配合，确保卡箍不会损坏导线绝　和灭火系统，但是飞机设计是系统工程，光靠火警　探测和灭火系统对飞机防火来说显然是不够的。　缘层，以防受到中等程度的压力时电缆束在卡箍中　移动。　如何使发生着火危险的可能性降至最低，以及发生　火灾后关键系统电气线路的功能不会失效，这都需　要对既传输能量，又是潜在点火源的电气线路防火　预防设计开展更广泛深入的研究。　参考文献：　［１］ＳＡＥ　ＡＥＲＯＳＰＡＣＥ．ＡＳ　５０８８１Ｄ　Ｗｉｒｉｎｇ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｖｅｈｉｃｌｅ［Ｓ／　ＯＬ］．［２０１　１—０７—１０］ｈｔｔｐ：／＾　ｗ．ｓａｅ．ｏｒｇ／ｔｅｃｈｎｉｃａｌ／ｓｔａｎ—　ｄａｒｄｓ／ＡＳ５０８８１Ｄ．　ＦＡＡ．ＡＣ　２５．１７０　１—１　Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｗｉｒｉｎｇ　Ｉｎｔｅｒ—　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ｏｎ　Ｔｒａｎｓ￣ｒｔ　Ｃａｔｅｇｏｒｙ　Ａｉｒｐｌａｎｅｓ［Ｓ／ＯＬ］．　［２０１１—０７—１０］．ｈｔｔｐ：／／￣ｇｉ．ｆａａ．ｇｏｖ／Ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙ—ａｎｄ—　ＧｕｉｄａｎｃｅＬｉｂｒａｒｙ／ｒｇＡｄｖｉｓｏｒｙＣｉｒｅｕｌａｒ．ｎｓｆ／ｌｉｓｔ／ＡＣ％２０２５．　１７０１—１／￥ＦＩＬＥ／ＡＣ％２０２５．１７０１—１％２０．ｐｄｆ．　ＦＡＡ．ＡＣ　２５．８６９　１Ａ　Ｆｉｒｅ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ：Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｓ／ＯＬ　Ｊ．　［２０１１—０７—１０］．ｈｔｔｐ：／／ｒｇ１．ｆａａ．ｇｏｖ／Ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙ—ａｎｄ—Ｇｕｉｄ—　图６线路安装注意细节　ａｎｃｅ—Ｌｉｂｒａｒｙ／ｒｇＡｄｖｉｍｒｙＣｉｒｃｕｌａｒ．ｎｓｆ／ｌｉｓｔ／ＡＣ％２０２５．８６９　１Ａ／￥ＦＩＬＥ／ＡＣ％２０２５．８６９．ｐｄｆ．　４结束语　虽然现代飞机上安装了大量的防火探测系统　中国民用航空总局．ＣＣＡＲ　２５　Ｒ３运输类飞机适航标准　［ｓ］．北京：中国民用航空局，２００１．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｃｉｖｉｌ　Ａｉｒｃｒａｆｔ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｗｉｒｅｓ　Ｆｉｒｅｐｒｏｏｆｉｎｇ　ＬＩＵ　Ｈｏｎｇ—ｌｉａｎｇ　（Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ａｉｒｃｒａｆｔ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，２００４３６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｗｉｒｅｓ　ｏｆ　ｃｉｖｉｌ　ａｉｒｃｒａｆｔ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ｐｏｗｅｒ，ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｉｇｎｉｔｉｏｎ　ｓｏｕｒｃｅ．Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｗｉｒｅｓ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｆｉｒｅ，ｉｔ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｗｉｒｅｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｗｉｒｅｓ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｉｒｗｏｒｔｈｉ—　ｎｅｓｓ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｏｆ　ｆｉｒｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｚｏｎｅｓ．Ｔｈｉｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｗｉｒｅｓ　ｆｉｒｅｐｒｏｏｆｉｎｇ　ｏｆ　ｃｉｖｉｌ　ａｉｒｃｒａｆｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｗｉｒｅｓ；Ａｉｒｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ；Ｆｉｒｅｐｒｏｏｆｉｎｇ　（上接第４５页）　（１．Ｑｉｑｉｈａｒ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｒｏｌｌｉｎｇ　Ｓｔｏｃｋ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｑｉｑｉｈａｅｒ，１６１００２，Ｃｈｉｎａ）　（２．Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００１６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｘｌｅ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｏｆ　ａ　ｒａｉｌｗａｙ　ｖｅｈｉｃｌｅ，ｏｆ　ｗｈｉｃｈ　ｉｔｓ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ａｎｄ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅ　ｍｕｃｈ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｉｎ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｎ—　ｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｉｔ　ａｐｐｌｉｅｓ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ　ｔｏ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ　ｔｈｅ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　５０　ｓｔｅｅｌ　ａｘｌｅ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｄｒａｗｓ　ｔｈｅ　ｐｒｉｍａｒｙ　ａｎｄ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｄｅｇｒｅｅ，ｗｈｉｃｈ　ｔｈｏｓｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｆｆｅｃｔ　ｔｈｅ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｊｏｕｒｎａｌ，ｓｈｏｗｓ　ａ　ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｍａｔｃｈ　ｏｆ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｒａｎｇｅ　ｗｉｔｈ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｇｒｉｎｄｉｎｇ；Ｒｅｓｉｄｕａｌ　Ｓｔｒｅｓｓ；Ａｘｌｅ；Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ