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火车车轴三维残余应力分布规律研究
| 论文题名： | 火车车轴三维残余应力分布规律研究 |
| 关键词： | 火车车轴;三维残余应力;X射线衍射法;剥层法;切削用量 |
| 摘要： | 本课题由中国北车集团大同电力机车有限责任公司提供，来源于“提高我国自行制造火车车轴使用寿命”的实际工程项目，围绕其“新型淬火工艺效果”的核心问题，采用X射线车削剥层法进行了车轴三维残余应力分布规律的系统测试研究，对车轴制造工艺的改进提供了重要的实验依据。 本研究涉及两个关键问题：一是剥层法残余应力修正理论实际工程应用问题，现有理论为针对无限长厚壁圆筒的连续积分方程，无法直接应用；另一问题是车削剥层过程中加工残余应力的影响。车削加工时会在工件表面形成一个与车削用量、刀具角度等多种因素相关的复杂残余应力场，直接影响测量结果的准确性。目前对于车削残余应力分布规律的研究还很不完善，工程实际中无现成的研究成果可供利用。针对这两个问题，本文做了理论和实验两方面的基础性研究。 基本理论方面，在现有剥层法残余应力修正公式的基础上，直接以无限长实心圆柱体为模型，建立一系列基本假设条件，推导了剥层法残余应力修正公式，提出了方便实际应用的离散型解法，并验证了与现有理论的一致性。 基础实验方面，对车削加工引起的残余应力进行了系统的研究，采用单因素实验方法从车削深度、车削速度、进给量三个不同角度研究了残余应力的分布规律。结果表明，各个参数对残余应力的影响不同，车削深度为0.75mm时，残余应力影响层深度出现极值，最大达到0.8mm；表面环向残余应力和进给量之间满足良好的线性关系。实验过程中摸索出一套准确测量抛光深度的方法。在大量实验的基础上，给出了适合工程应用的数学图表及表达式。 为了研究离散型应力修正公式的实用性，本文在车削加工残余应力分布规律的实验研究基础上，应用剥层法测量计算了φ150×150mm的45钢圆柱试件淬火后三维残余应力分布，同时进行了硬度测试和金相分析。拟合得到了三维残余应力分布函数，尝试研究了宏观残余应力、硬度和微观组织转变之间的关系。验证了剥层法残余应力测试和修正结果的合理性. 最后，在以上充分的理论和实验准备基础上，应用X射线衍射法和车削剥层法相结合的手段对三根实际火车车轴的淬火、滚压等工艺过程进行了残余应力的跟踪测试，得到了淬火和滚压工艺下的三维残余应力分布曲线，有效评价了车轴生产过程中淬火、滚压等重要工序的实际效果：550～560℃淬火应力层深度较浅，约1～1.5mm，在精加工去除加工余量后淬火残余压应力层已经不存在，没有达到加深残余压应力层的效果，需要进一步探索热新的处理工艺参数；滚压强化能够产生相当于2σs的表面残余压应力，并在车轴表面以下3mm范围内形成压应力层，可以作为提高表面残余压应力的有效手段。 |
| 作者： | 黄惠茹 |
| 专业： | 工程力学 |
| 导师： | 张亦良 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 北京工业大学 |
| 学位年度： | 2005 |
| 正文语种： | 中文 |
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