標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車輪斷裂韌性試樣加工及試驗(yàn)

穆 偉

(太原重工軌道交通設(shè)備有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

車輪作為標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的關(guān)鍵行走零部件，直接關(guān)系到動(dòng)車的運(yùn)行質(zhì)量和安全。車輪在使用過程中可能產(chǎn)生疲勞裂紋，在其承受外部循環(huán)載荷時(shí)，裂紋尖端會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中進(jìn)而導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展而斷裂。斷裂韌性是表征材料阻止裂紋擴(kuò)展能力的重要指標(biāo)，如果材料斷裂韌性很好，就能使裂紋尖端的集中應(yīng)力得到充分松弛，避免脆性開裂。中國(guó)鐵路總公司發(fā)布的Q/CR 638-2018《動(dòng)車組車輪標(biāo)準(zhǔn)》第4.7條明確規(guī)定動(dòng)車組車輪必須進(jìn)行輪輞斷裂韌性試驗(yàn)，采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4161-2007中切口尖端角度為90°的山形缺口CT30試樣，D2材質(zhì)車輪的斷裂韌性KQ平均值≥70 MPa·m1/2，任一試樣的KQ≥60 MPa·m1/2[1]。而斷裂韌性試樣加工的質(zhì)量直接關(guān)系到試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，本文將從斷裂韌性試樣結(jié)構(gòu)尺寸特征、試樣加工、試驗(yàn)過程三個(gè)方面綜合闡述標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車輪斷裂韌性試樣的加工及試驗(yàn)方法。

1 斷裂韌性試樣結(jié)構(gòu)及尺寸

標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車輪CT30斷裂韌性試樣結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示。CT30斷裂韌性試樣主要技術(shù)參數(shù)如下：材質(zhì)為D2，表面硬度為HB 265～ HB 302，整體尺寸為75±0.5 mm×30±0.05 mm×72±0.5 mm，相鄰面垂直度≤0.1 mm，相對(duì)面平行度≤0.1 mm，表面粗糙度要求Ra0.8；對(duì)稱加工2×Φ15 mm通孔，用于安裝銷軸與試驗(yàn)機(jī)U形鉤連接，位置度≤0.25 mm，軸線平行度≤0.1 mm；通孔中間位置加工有山形缺口，缺口角度為60°，尖端角度為90°，且缺口頂部加工有刀口，用于安裝引伸計(jì)，以輸出記錄缺口嘴兩側(cè)精確定位的相對(duì)位移。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車輪 CT30斷裂韌性試樣結(jié)構(gòu)及尺寸

2 斷裂韌性試樣加工

CT30斷裂韌性試樣加工主要經(jīng)過銑削平面→鉆削通孔→銑削山形缺口→銑削刀口(燕尾槽)四大工序，每道工序又包含若干子工序。加工設(shè)備為三軸數(shù)控鉆銑加工中心，數(shù)控系統(tǒng)為FANUC，使用刀具分別為T3：Φ80 mm面銑刀、T4：Φ15 mm鉆頭、T6：Φ150 mm開槽刀、T8：Φ130 mm×60°開槽刀、T10：Φ5.5 mm立銑刀、T11：燕尾槽成型銑刀。各刀具實(shí)物如圖2所示。

圖2 刀具實(shí)物

(1)使用Φ80 mm面銑刀T3對(duì)試樣毛坯的6個(gè)平面進(jìn)行銑削加工至尺寸75±0.5 mm×30±0.05 mm×72±0.5 mm，加工后表面粗糙度要求不大于Ra0.8，加工參數(shù)設(shè)置為主軸轉(zhuǎn)速650 r/min～800 r/min，粗銑進(jìn)給速度為400 mm/min～500 mm/min，精銑進(jìn)給速度為200 mm/min～300 mm/min。其中試樣標(biāo)識(shí)面在銑削加工之前使用激光打印機(jī)將標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)移到待開槽面，標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)移過程中字頭朝向須始終保持一致，以保證試驗(yàn)時(shí)裂紋擴(kuò)展的區(qū)域與標(biāo)準(zhǔn)中要求的車輪試驗(yàn)區(qū)域一致。加工完成后使用卡尺及外徑千分尺測(cè)量試樣尺寸，并使用粗糙度儀檢測(cè)加工表面粗糙度，合格后進(jìn)行下一步加工。

(2)使用Φ15 mm鉆頭T4對(duì)試樣進(jìn)行鉆削加工，鉆孔位置靠近標(biāo)識(shí)面，加工參數(shù)設(shè)置為主軸轉(zhuǎn)速1 400 r/min～1 600 r/min、切削進(jìn)給速度90 mm/min～110 mm/min,加工完成后使用卡尺測(cè)量鉆孔直徑及位置尺寸，合格后進(jìn)行下一步加工；接著使用Φ150 mm開槽刀T6在標(biāo)識(shí)面中間位置粗銑開槽，加工參數(shù)設(shè)置為主軸轉(zhuǎn)速150 r/min～170 r/min、切削進(jìn)給速度110 mm/min～130 mm/min，過程中開槽刀繞工件作圓弧循環(huán)銑削；之后換用Φ130 mm×60°開槽刀T8精銑山形缺口，加工參數(shù)設(shè)置為主軸轉(zhuǎn)速160 r/min～180 r/min、切削進(jìn)給速度90 mm/min～110 mm/min。鉆孔與開槽后試樣實(shí)物如圖3所示。加工完成后吹掃槽內(nèi)鐵屑,使用卡尺測(cè)量山形缺口相關(guān)尺寸。

圖3 鉆孔與開槽后試樣實(shí)物

(3)使用Φ5.5 mm立銑刀T10粗銑刀口，加工時(shí)調(diào)轉(zhuǎn)工件使缺口朝上裝夾，加工參數(shù)設(shè)置為主軸轉(zhuǎn)速4 400 r/min～4 700 r/min、切削進(jìn)給速度330 mm/min～360 mm/min；接著換用燕尾槽成型銑刀T11精銑刀口，加工參數(shù)設(shè)置為主軸轉(zhuǎn)速2 350 r/min～2 500 r/min、切削進(jìn)給速度130 mm/min～160 mm/min。加工完成后的試樣實(shí)物如圖4所示。

圖4 加工完成后試樣實(shí)物 圖5 斷裂韌性試驗(yàn)過程

3 斷裂韌性試驗(yàn)

斷裂韌性試驗(yàn)原理為使用預(yù)制疲勞裂紋試樣通過測(cè)量其試驗(yàn)過程中力-位移以測(cè)定金屬的斷裂韌性KQ，該值表征了在嚴(yán)格拉伸力約束下有尖端裂紋存在時(shí)材料的斷裂抗力，通常情況代表了試驗(yàn)溫度下斷裂韌度的下限值。

試驗(yàn)時(shí)首先將斷裂韌性試樣通過銷軸與試驗(yàn)機(jī)的上下U形鉤連接，然后將引伸計(jì)安裝于試樣刀口部位，其中試驗(yàn)機(jī)力傳感器與引伸計(jì)試驗(yàn)前需按GB/T 4161-2007中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行校驗(yàn)和標(biāo)定。試驗(yàn)過程中試樣加載速率應(yīng)使應(yīng)力強(qiáng)度因子增加的速率在0.5 MPa ·m1/2/s～3.0 MPa· m1/2/s范圍內(nèi)，一直進(jìn)行到試樣所受力不再增加為止。使用計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)縮減程序確定FQ(試樣受力條件值，具體計(jì)算方法見GB/T 4161-2007第10條規(guī)定)和Fmax(試樣受力最大值)，并計(jì)算比值Fmax/FQ[2]，若比值≤1.1，則按照GB/T 4161-2007附錄B或附錄C中的規(guī)定計(jì)算KQ；若比值>1.1，則該試驗(yàn)不是有效的斷裂韌性試驗(yàn)。斷裂韌性試驗(yàn)過程如圖5所示。

按照上述試樣加工和試驗(yàn)方法對(duì)10個(gè)批次的D2材質(zhì)動(dòng)車車輪進(jìn)行了斷裂韌性試樣加工和試驗(yàn)，60個(gè)試樣的試驗(yàn)結(jié)果KQ值均大于60 MPa·m1/2，平均值大于70 MPa·m1/2，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

(1)按照本加工方法加工的斷裂韌性試樣經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定，試樣加工質(zhì)量良好，能夠滿足生產(chǎn)需要。

(2)加工過程中試樣的標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)移十分重要，是保證試驗(yàn)中裂紋擴(kuò)展區(qū)域與車輪試驗(yàn)區(qū)域一致的關(guān)鍵。

(3)現(xiàn)有機(jī)床工裝雖能保證加工精度，但每道工序需重復(fù)裝夾找正，效率較低，后期將通過改進(jìn)工裝及加工方法，減少重復(fù)裝夾找正次數(shù)，提高加工效率。