標準動車組車輪斷裂韌性試樣加工及試驗

穆 偉

(太原重工軌道交通設備有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

車輪作為標準動車組的關鍵行走零部件，直接關系到動車的運行質量和安全。車輪在使用過程中可能產生疲勞裂紋，在其承受外部循環載荷時，裂紋尖端會產生應力集中進而導致裂紋擴展而斷裂。斷裂韌性是表征材料阻止裂紋擴展能力的重要指標，如果材料斷裂韌性很好，就能使裂紋尖端的集中應力得到充分松弛，避免脆性開裂。中國鐵路總公司發布的Q/CR 638-2018《動車組車輪標準》第4.7條明確規定動車組車輪必須進行輪輞斷裂韌性試驗，采用標準GB/T 4161-2007中切口尖端角度為90°的山形缺口CT30試樣，D2材質車輪的斷裂韌性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量直接關系到試驗結果的準確性和可靠性，本文將從斷裂韌性試樣結構尺寸特征、試樣加工、試驗過程三個方面綜合闡述標準動車組車輪斷裂韌性試樣的加工及試驗方法。

1 斷裂韌性試樣結構及尺寸

標準動車組車輪CT30斷裂韌性試樣結構及尺寸如圖1所示。CT30斷裂韌性試樣主要技術參數如下：材質為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，相對面平行度≤0.1 mm，表面粗糙度要求Ra0.8；對稱加工2×Φ15 mm通孔，用于安裝銷軸與試驗機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，以輸出記錄缺口嘴兩側精確定位的相對位移。

圖1 標準動車組車輪 CT30斷裂韌性試樣結構及尺寸

2 斷裂韌性試樣加工

CT30斷裂韌性試樣加工主要經過銑削平面→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。加工設備為三軸數控鉆銑加工中心，數控系統為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。各刀具實物如圖2所示。

圖2 刀具實物

(1)使用Φ80 mm面銑刀T3對試樣毛坯的6個平面進行銑削加工至尺寸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，加工參數設置為主軸轉速650 r/min～800 r/min，粗銑進給速度為400 mm/min～500 mm/min，精銑進給速度為200 mm/min～300 mm/min。其中試樣標識面在銑削加工之前使用激光打印機將標識轉移到待開槽面，標識轉移過程中字頭朝向須始終保持一致，以保證試驗時裂紋擴展的區域與標準中要求的車輪試驗區域一致。加工完成后使用卡尺及外徑千分尺測量試樣尺寸，并使用粗糙度儀檢測加工表面粗糙度，合格后進行下一步加工。

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

圖3 鉆孔與開槽后試樣實物

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

圖4 加工完成后試樣實物 圖5 斷裂韌性試驗過程

3 斷裂韌性試驗

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

試驗時首先將斷裂韌性試樣通過銷軸與試驗機的上下U形鉤連接，然后將引伸計安裝于試樣刀口部位，其中試驗機力傳感器與引伸計試驗前需按GB/T 4161-2007中的相關規定進行校驗和標定。試驗過程中試樣加載速率應使應力強度因子增加的速率在0.5 MPa ·m1/2/s～3.0 MPa· m1/2/s范圍內，一直進行到試樣所受力不再增加為止。使用計算機采集系統通過數據縮減程序確定FQ(試樣受力條件值，具體計算方法見GB/T 4161-2007第10條規定)和Fmax(試樣受力最大值)，并計算比值Fmax/FQ[2]，若比值≤1.1，則按照GB/T 4161-2007附錄B或附錄C中的規定計算KQ；若比值>1.1，則該試驗不是有效的斷裂韌性試驗。斷裂韌性試驗過程如圖5所示。

按照上述試樣加工和試驗方法對10個批次的D2材質動車車輪進行了斷裂韌性試樣加工和試驗，60個試樣的試驗結果KQ值均大于60 MPa·m1/2，平均值大于70 MPa·m1/2，滿足標準要求。

4 結論

(1)按照本加工方法加工的斷裂韌性試樣經試驗結果穩定，試樣加工質量良好，能夠滿足生產需要。

(2)加工過程中試樣的標識轉移十分重要，是保證試驗中裂紋擴展區域與車輪試驗區域一致的關鍵。

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