CN101817094A - 中碳硅锰低合金钢铁路车轮的机加工工艺 - Google Patents

中碳硅锰低合金钢铁路车轮的机加工工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中碳硅锰低合金钢铁路车轮的机加工工艺，所述的机加工工艺是在热处理结束后，对所述的铁路车轮的辐板表面进行车削精加工，加工至规定尺寸；在保证加工机床稳定运行的条件下，所述的车削精加工采用的加工线速度V＝320±20m/min。采取上述技术方案改善加工后车轮辐板表面的应力分布状态，提高车轮的疲劳强度，保证车轮的使用安全。车轮表面的光洁度明显改善。

Description

中碳硅锰低合金钢铁路车轮的机加工工艺
技术领域
本发明属于冶金工业生产的技术领域，涉及铁路车轮的制造技术，更具体地说，本发明涉及一种中碳硅锰低合金钢铁路车轮的机加工工艺。
背景技术
车轮作为火车的重要行走部件，其安全性尤为重要。车轮在运行过程中，不但受到静载荷的作用，还要承受交变应力、制动引起的热载荷等作用力。如果由于车轮设计、制造引起车轮本身应力分布不当、疲劳强度低，都可能引起车轮在运行过程中开裂而产生事故，造成无可估量的损失。
随着铁路运行里程的不断扩大，速度不断提高，其安全性越来越引起各国铁路运营商和车轮制造商的重视，提高车轮的疲劳强度和使用寿命成了各方共识。EN13262标准对车轮整体疲劳性能作出规定：对于辐板加工态交货的车轮，在辐板承受的应力变化Δσ＝450N/mm2时，经过107次循环后，不产生裂纹的概率为99.7％。中国《CRH5型动车组采购技术规范》要求，在车轮辐板最大径向应力幅为240MPa的应力下，循环比R＝-1，旋转循环次数为107转后，不产生裂纹。
马钢开发的中碳硅锰低合金钢铁路车轮在进行整体疲劳试验时，未达到107次循环时辐板即出现周向裂纹。通过X射线表面残余应力测试仪对该件车轮进行残余应力检测得知，由于加工不当使车轮表面残余拉应力较大，且刀痕较深(见附图1和附图2)，是产生疲劳裂纹源的原因。因此，如能使车轮表面产生残余压应力或使表面残余拉应力显著降低，则会大大有助于整体疲劳性能的提高。
研究表明，车轮机加工工艺对车轮表面应力状况影响很大。马钢车轮机加工工艺多采用低加工速度、大加工量和刀头直径较大的刀具进行加工，加工后表面光洁度较差，残留刀痕较多，使用X射线表面残余应力测试仪对按现有机加工工艺加工的车轮进行残余应力检测表明，在辐板外侧面多为周向压应力，但值较小；辐板外侧面多为周向拉应力，且幅值较大。因此，如何改变机加工参数，使得车轮表面产生压应力，或使拉应力值减小，是改善车轮整体疲劳性能的一个关键因素。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种中碳硅锰低合金钢铁路车轮的机加工工艺，其目的是改善加工后车轮辐板表面的应力分布状态，提高车轮的疲劳强度，保证车轮的使用安全。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明所提供的中碳硅锰低合金钢铁路车轮的机加工工艺，首先对碳含量在0.50％～0.54％范围的轧态中碳硅锰低合金钢铁路车轮的辐板表面进行车削粗加工，去除表面黑皮，随后对所述的铁路车轮进行淬火、回火处理；所述的机加工工艺是在热处理结束后，对所述的铁路车轮的辐板表面进行车削精加工，加工至规定尺寸；在保证加工机床稳定运行的条件下，所述的车削精加工采用的加工线速度V＝320±20m/min。
所述的车削精加工采用的车刀圆形刀片的圆弧直径为Φ20mm。
所述的车削精加工采用的切削深度为0.3mm。
所述的车削精加工获得的表面粗糙度≤Rz10。
上述技术方案具有突出的实质性特点，并在现有技术的基础上取得了显著的技术进步，解决了本领域长期未能解决的技术难题，充分体现了本发明的新颖性、创造性和实用性。
与现有技术相比，本发明获得了以下有益效果：
在车轮辐板内侧面中部，径向残余应力由拉应力变为压应力，其值由100MPa左右的拉应力变为-40MPa左右的压应力；周向残余拉应力值明显降低，降低幅度约100～180MPa；精加工结束后，车轮表面的光洁度明显改善，消除可能成为疲劳裂纹源的过深刀痕等表面加工缺陷；车轮的整体疲劳性能明显改善。
附图说明
下面对本说明书各幅附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本说明书背景技术中涉及的采用现有技术加工扫面电镜下刀痕形貌(15×)；
图2为本说明书背景技术中涉及的采用现有技术加工扫面电镜下刀痕形貌(500×)；
图3为车轮辐板表面残余应力测试位置示意图。
图中标记为：
1、轮毂，2、辐板内侧面，3、轮辋，4、辐板。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
本发明所提供的中碳硅锰低合金钢铁路车轮的机加工工艺，首先对碳含量在0.50％～0.54％范围的轧态中碳硅锰低合金钢铁路车轮的辐板4表面进行车削粗加工，去除表面黑皮，随后对所述的铁路车轮进行淬火、回火处理；所述的机加工工艺是在热处理结束后，对所述的铁路车轮的辐板4表面进行车削精加工，加工至规定尺寸；在保证加工机床稳定运行的条件下，所述的车削精加工采用的加工线速度V＝320±20m/min。
所述的车削精加工采用的车刀圆形刀片的圆弧直径为Φ20mm。
所述的车削精加工采用的切削深度为0.3mm。
所述的车削精加工获得的表面粗糙度≤Rz10。
研究表明，加工速度、进给量、刀刃半径等因素对工件表层残余应力的影响很大。加工速度的影响一般是通过“温度因素”来进行的。加工速度较低时，易产生残余拉应力；加工速度较高时，由于加工温度升高，易产生残余压应力。增加进给量，被切削层金属的截面及体积增大，使刀刃前的塑性变形区和变形程度增加；如果此时加工速度较高，则温度因素的影响也有所加强，因此表面残余拉应力将增加，其达到的深度也增大。随着刀刃圆弧半径的增大，残余应力数值增大，应力层的厚度有轻微增大趋势。此外，采用大加工速度、小进给量、圆弧直径较小的刀具加工，车轮表面光洁度明显改善。
本发明正是通过上述技术参数的合理、科学的选择，来实现本发明的目的的。
下面是本发明的两个实施例以及与其相应的对比例。对比采用的是现有的常规技术。
表1、实施例一和实施例二及相应对比例车轮工件化学成分(质量百分数)：
  C   Si   Mn   P   S   其余
  0.54   1.04   0.98   0.0069   0.0012   微量
实施例一：
对表1所示成分的轧态中碳硅锰低合金钢车轮辐板4表面进行车削粗加工，去除表面黑皮；按照常规工艺进行淬、回火处理；热处理结束后对车轮辐板4表面进行车削精加工，精加工加工线速度约320m/min，采用直径20mm的圆形刀片和约0.3mm的切深进给量进行加工。
本实施例的对比例：
按现有常规机加工工艺进行加工，粗加工时加工量较大，精加工时加工线速度约80m/min，采用直径32mm圆形刀头和约0.6mm的切深进给量进行加工。
加工完毕后观察，采用本发明加工的车轮辐板4表面状态明显好于对比例车轮，残余应力测试位置见图2，测试结果见表2，将两件车轮按EN13262标准的规定进行整体疲劳性能测试，采用本发明加工的车轮在辐板4承受的最大径向应力为240Mpa时经107次循环后，无裂纹产生，而对比例车轮在同样条件下，经0.73×107次循环后，辐板4表面产生裂纹。
实施例二：
对表1所示成分的轧态中碳硅锰低合金钢车轮辐板4表面进行车削粗加工，去除表面黑皮；按照常规工艺进行淬、回火处理；热处理结束后对车轮辐板4表面进行车削精加工，精加工线速度约320m/min，采用直径32mm圆形刀头和约0.6mm的切深进给量进行加工。
本实施例的对比例：
按现有常规机加工工艺进行加工，粗加工时加工量较大，精加工时加工线速度约120m/min，采用直径32mm圆形刀头和约0.7mm的切深进给量进行加工。
加工完毕后观察，采用本发明加工的车轮辐板4表面状态明显好于对比例车轮，残余应力测试位置见图2，测试结果见表2，将两件车轮中国《CRH5型动车组采购技术规范》要求进行整体疲劳性能测试，采用本发明加工的车轮在辐板4承受的最大径向应力为450N/mm2时经107次循环后，无裂纹产生，而对比例车轮同样条件下，经0.64×107次循环后，辐板4表面产生裂纹。
表2、实施例一和实施例二以及相应对比例车轮工件辐板4表面残余应力测试结果(正值为拉应力，负值为压应力)：
Figure GSA00000070107900061
结合图3所示，表2中的“R处”，是指在车轮的辐板内侧面2上，轮辋3与辐板4转角连接圆弧；“中部”是指在车轮的辐板内侧面2上距离轮毂1和轮辋3相等的位置。所述的辐板内侧面2是指辐板4朝向车轮带挡边的一面。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种中碳硅锰低合金钢铁路车轮的机加工工艺，首先对碳含量在0.50％～0.54％范围的轧态中碳硅锰低合金钢铁路车轮的辐板表面进行车削粗加工，去除表面黑皮，随后对所述的铁路车轮进行淬火、回火处理；其特征在于：所述的机加工工艺是在热处理结束后，对所述的铁路车轮的辐板表面进行车削精加工，加工至规定尺寸；在保证加工机床稳定运行的条件下，所述的车削精加工采用的加工线速度V＝320±20m/min。
2.按照权利要求1所述的中碳硅锰低合金钢铁路车轮的机加工工艺，其特征在于：所述的车削精加工采用的车刀圆形刀片的圆弧直径为Φ20mm。
3.按照权利要求1所述的中碳硅锰低合金钢铁路车轮的机加工工艺，其特征在于：所述的车削精加工采用的切削深度为0.3mm。
4.按照权利要求1所述的中碳硅锰低合金钢铁路车轮的机加工工艺，其特征在于：所述的车削精加工获得的表面粗糙度≤Rz10。
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