CN103710696B

CN103710696B - 一种动车铁轨表面激光熔注仿生强化方法与设备

Info

Publication number: CN103710696B
Application number: CN201310436452.XA
Authority: CN
Inventors: 刘立君; 张红兴; 王义强
Original assignee: Ningbo Institute of Technology of ZJU
Current assignee: Ningbo Institute of Technology of ZJU
Priority date: 2013-09-23
Filing date: 2013-09-23
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2033-09-23
Also published as: CN103710696A

Abstract

一种动车铁轨表面激光熔注仿生强化设备与方法，从仿生角度，提出动车铁轨表面激光熔注耦合仿生强化，将生物原型抗磨损的结构通过激光熔注“复制”在动车铁轨表面，提高动车铁轨表面的耐磨性，延长动车铁轨使用寿命，为动车铁轨表面强化提供了一种新的方法。由于激光陶瓷熔注过程中熔凝速度快，可以获得一些在平衡态所无法得到的组织和物相，有利于动车铁轨表面耐磨仿生结构层制备，因此将激光熔注技术和仿生技术相结合，用于动车铁轨表面仿生强化，具有良好发展前景。

Description

一种动车铁轨表面激光熔注仿生强化方法与设备

技术领域

本发明属于金属材料加工领域。

背景技术

近些年来，我国铁路运输速度得到迅猛发展，尤其在2007年全国铁路第六次大提速以来，速度超过200km/h动车组被广泛运用到中国的各大铁路干线上来。动车组具有双向运行能力，是城际和市郊铁路实现小编组、大密度的高效运输工具，以其灵活、方便、快捷、安全、可靠和舒适的特点备受世界各国铁路运输和城市轨道交通运输的青睐。毫无疑问，导轨是支撑动车组运行的重要组成部分。但在动车运行过程中，各种自然或非自然因素以及车轮与导轨间的摩擦使铁轨受到磨损甚至是变形。在现实的铁路运输中，这种磨损是很常见的。在我国铁路行业基础设施维护预算支出中，对导轨维护的预算比例是非常大的，因此对于导轨这样高资本费用的项目，如何更好的制定制造方案尤为重要。导轨的磨损大都发生在与车轮接触的导轨表面，所以加强接触面的强度成为提高导轨抗磨性的重点。如果通过动车铁轨表面激光熔注仿生强化提高动车铁轨寿命50%以上，可以缩短检修周期，具有重要的实际意义和巨大的经济价值。

激光熔注技术目前已经被认为是制备金属基复合材料层最为理想的方法之一，是激光局部熔化金属基体，同时将陶瓷粉末注入到熔池中，陶瓷粒子在熔池的快速凝固中被冻结，实现了基体上层颗粒增强，提高金属表面耐磨性和硬度，显示了激光熔注技术在金属基体表面制备颗粒增强复合材料层的优势。

自然界中生物体表经过千百万年的进化，形成了非常独特的结构，生物体表是由凹坑、凸包、波纹、花纹、条状、网络或鳞片等几何结构组成的非光滑表面，生物体表单元体大小从几十微米到几十毫米，生物的非光滑体表具有减粘、降阻、耐磨的作用，在运动过程中具有很好的耐磨性。将生物表面耐磨原型应用在动车铁轨表面强化领域，具有良好发展前景。

本发明工艺方法采用激光陶瓷熔注方法，针对动车铁轨表面磨损区域几何特征，从仿生角度出发，研究耐磨损生物原型，从减小动车铁轨表面强化应力应变角度，将生物原型抗磨损的结构通过激光熔注“复制”在动车铁轨表面，提高动车铁轨表面的耐磨性，延长动车铁轨使用寿命，为动车铁轨表面强化提供了一种新的方法。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种动车铁轨表面激光熔注仿生强化设备，由控制单元、仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和五自由度数控工作台组成，控制单元分别与仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和五自由度数控机械工作台的通讯接口系统相连。

所述控制单元包括一台工业控制计算机，该计算机具有多尺度激光熔注强化层工艺模块、动车铁轨表面仿生结构体设计模块和动车铁轨表面仿生强化数控加工模块；

所述多尺度激光熔注强化层工艺模块包括加工工艺参数数据库和仿生结构体视觉监控模块，所述数据库中每一条数据记录包括动车铁轨的材料、原始显微组织，激光功率、扫描速度、离焦量，陶瓷材料、颗粒尺寸、体积分数、弥散形态、熔注速度，熔注后铁轨化学成分、组织结构、耐磨性；所述仿生结构体视觉监控模块主要接受视觉硬件系统图像信号，处理激光熔注熔化状态和仿生结构体成形状态，从而控制激光熔注工艺参数和五轴数控工作台联动状态；

所述动车铁轨表面仿生结构体设计模块是选择具有耐磨功能的生物为生物原型，运用相似理论，对生物体几何尺寸、外形、系统结构和功能特征进行模拟和参数优化，建立相应生物模型，针对动车铁轨表面强化区域不同特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，从减小动车铁轨表面强化应力应变角度，设计仿生结构体；

所述动车铁轨表面仿生强化数控加工模块能够根据设计好的动车铁轨表面仿生结构体自动形成数控加工程序，驱动五自由度数控机械工作台；也能够在其它计算机设计好动车铁轨表面仿生结构体，生成数控加工程序，然后导入该示教系统中。

同轴视觉传感采集系统与激光器通过紧固件连接，通过CCD视觉传感激光熔注熔化状态和仿生结构体成形特征，传给控制单元中仿生结构体视觉监控单元；所述陶瓷精密送粉器采用后侧熔注陶瓷颗粒，送陶瓷粉速度1～200mg/s，颗粒尺寸为10nm～1.0mm，在仿生单元体中陶瓷的体积分数为10%～50%，熔注层厚度0.01～2.0mm。

所述陶瓷颗粒包括TiC、WC和SiC。

所述五自由度数控机械工作台的可升降平台置于底座上面，由电机带动上下运动；导轨传送机构由压板固定在升降平台上面，要加工的导轨可由传送带左右移动；当需要上料时，升降平台下降，待加工的导轨放于传送带上面，启动电机，把导轨运送至加工平台上，具体位置由定位块确定；当到达定位块位置时，触动开关，开动启动夹具，自动加紧导轨；Z向进给机构调整激光发生器的位置，使激光正好打在导轨上面，由控制单元控制激光发生器和陶瓷精密送粉器，对导轨表面进行加工；当加工完成后，首先使Y向进给机构沿Z轴上升，接着电机按钮使气动夹具松开，即气动夹具的压板沿两者间的轴转动，实现压板的上升，由于一段固定，所以压住导轨的一段正好上升，使导轨处于松开状态；再开动电机带动升降平台上升至使导轨脱离加工平台表面位置，接着开动电机使传送带运动，把导轨送回下料处，再使升降平台下降；然后放下导轨，再上一新待加工导轨，接着进行加工处理。

在动车铁轨表面，利用激光陶瓷熔注加工的方法，对表面进行填加化学元素和仿生强化。

在动车铁轨表面激光熔注陶瓷颗粒而成仿生结构体，仿生耐磨条宽度W3为0.1~10mm，相邻仿生耐磨条间距W4为0.1~40mm，仿生耐磨条厚度h2为0.1~8mm，仿生耐磨点直径d为0.1~10mm，同列仿生耐磨点间距W1为0.05~50mm，相邻行仿生耐磨点错位间距W2为0.05~50mm，仿生耐磨点厚度h1为0.1~8mm。

附图说明

图1动车铁轨表面仿生强化设备控制结构框图；

图2动车铁轨表面仿生强化设备主视结构示意图；

其中：1加工平台底座；2升降电机；3导轨传送带；4升降平台；5压板；6加工平台；7导轨；8定位块；9激光发生器；10同种视觉；11陶瓷精密送粉器；12Z向进给机构；13Z向驱动电机；14Y向进给机构；15Y向驱动电机；16滑块；17向进给机构；18X向驱动电机；19激光三维运动平台底座；20传送带驱动电机；21气动夹具；

图3动车铁轨强化表面耦合仿生结构体示意图；

其中：W1-同列仿生耐磨点间距W2-相邻仿生耐磨点错位间距W3-仿生耐磨条宽度W4-相邻仿生耐磨条间距d-仿生耐磨点直径h1-仿生耐磨点厚度h2-仿生耐磨条厚度。

具体实施方式

动车铁轨表面激光熔注仿生强化设备，由控制单元、仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和五自由度数控工作台组成，控制单元分别与仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和五自由度数控机械工作台的通讯接口系统相连。

所述陶瓷颗粒包括TiC、WC和SiC。

动车铁轨表面激光熔注仿生强化方法步骤如下：

1．将待加工动车铁轨夹持水平夹具平台上，闭合电源，启动五自由度数控工作台、激光发生器电源、视觉采集系统和陶瓷精密送粉器。

2．通过五自由度数控工作台调整激光焦点、陶瓷熔注位置与动车铁轨功能表面相对位置。

3．启动“多尺度激光熔注强化层工艺模块”，输入信息，确定激光熔注优化工艺参数；启动“动车铁轨表面仿生结构体设计模块”，针对动车铁轨表面不同特征，设计仿生结构体。

4.启动“动车铁轨表面仿生强化数控加工模块”，根据设计好的动车铁轨表面仿生结构体自动形成数控加工程序。

5．启动“加工开始”，将激光熔注优化工艺参数传递到激光发生器，输出激光，将数控加工程序传递到数控工作台，数控平台按照加工程序控制伺服电机驱动工作台运动。

6.加工过程中，CCD视觉监控激光熔注熔化状态和仿生结构体成形特征，对激光加工参数和工作台运动轨迹做局部微调，保证动车铁轨功能表面仿生强化结构体加工质量。

选择具有耐磨功能如穿山甲为生物原型，运用相似理论建立相应的生物模型，根据动车铁轨表面形态、材料、结构特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，进行动车铁轨表面仿生单元体和结构体设计，利用激光陶瓷熔注加工出具有仿生结构表面动车铁轨。动车铁轨为U71Mn，WC粉末由熔池中后部注入，平均尺寸为70μm，采用负离焦4.0mm，激光束加工斑点尺寸为5.0mm，激光功率密度550W/mm2，扫描速度1.3m/min，送陶瓷粉速度110mg/s，熔注层中陶瓷（WC）的体积分数为30%，陶瓷以均匀梯度弥散形态。在动车铁轨表面加工成一定仿生纹理网格，如图3所示，该仿生结构体是由仿生耐磨点和耐磨条按一定规律耦合而成，耐磨点和耐磨条中弥散熔注了碳化物陶瓷颗粒。其中仿生耐磨条宽度W3为5mm，相邻仿生耐磨条间距W4为30mm仿生耐磨点直径d为8mm，同列仿生耐磨点间距W1为20mm，相邻仿生耐磨点错位间距W2为10mm，仿生耐磨点厚度h1为3mm，仿生耐磨条厚度h2为2.5mm。动车铁轨表面激光熔注仿生强化后，提高动车铁轨使用寿命80%。

Claims

1.一种动车铁轨表面激光熔注仿生强化设备，由控制单元、仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和五自由度数控机械工作台组成，控制单元分别与仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和五自由度数控机械工作台的通讯接口系统相连；

所述多尺度激光熔注强化层工艺模块包括加工工艺参数数据库和仿生结构体视觉监控模块，所述数据库中每一条数据记录包括动车铁轨的材料、原始显微组织，激光功率、扫描速度、离焦量，陶瓷材料、颗粒尺寸、体积分数、弥散形态、熔注速度，熔注后铁轨化学成分、组织结构、耐磨性；所述仿生结构体视觉监控模块主要接受视觉硬件系统图像信号，处理激光熔注熔化状态和仿生结构体成形状态，从而控制激光熔注工艺参数和五自由度数控机械工作台联动状态；

所述动车铁轨表面仿生强化数控加工模块能够根据设计好的动车铁轨表面仿生结构体自动形成数控加工程序，驱动五自由度数控机械工作台；也能够在其它计算机设计好动车铁轨表面仿生结构体，生成数控加工程序，然后导入示教系统中；

所述五自由度数控机械工作台的可升降平台置于底座上面，由电机带动上下运动；导轨传送机构由压板固定在升降平台上面，要加工的导轨可由传送带左右移动；当需要上料时，升降平台下降，待加工的导轨放于传送带上面，启动电机，把导轨运送至加工平台上，具体位置由定位块确定；当到达定位块位置时，触动开关，开动启动夹具，自动夹紧导轨；Z向进给机构调整激光发生器的位置，使激光正好打在导轨上面，由控制单元控制激光发生器和陶瓷精密送粉器，对导轨表面进行加工；当加工完成后，首先使Y向进给机构沿Z轴上升，接着电机按钮使气动夹具松开，即气动夹具的压板沿两者间的轴转动，实现压板的上升，由于一段固定，所以压住导轨的一段正好上升，使导轨处于松开状态；再开动电机带动升降平台上升至使导轨脱离加工平台表面位置，接着开动电机使传送带运动，把导轨送回下料处，再使升降平台下降；然后放下导轨，再上一新待加工导轨，接着进行加工处理。

2.根据权利要求1所述的设备，同轴视觉传感采集系统与激光器通过紧固件连接，通过CCD视觉传感激光熔注熔化状态和仿生结构体成形特征，传给控制单元中仿生结构体视觉监控单元；所述陶瓷精密送粉器采用后侧熔注陶瓷颗粒，送陶瓷粉速度1～200mg/s，颗粒尺寸为10nm～1.0mm，在仿生单元体中陶瓷的体积分数为10％～50％，熔注层厚度0.01～2.0mm。

3.根据权利要求2所述的设备，所述陶瓷颗粒包括TiC、WC和SiC。

4.一种利用权利要求1-3任一所述的设备进行动车铁轨表面局部激光熔注仿生强化方法，其特征在于：在动车铁轨表面，利用激光陶瓷熔注加工的方法，对表面进行填加化学元素和仿生强化。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：在动车铁轨表面激光熔注陶瓷颗粒而成仿生结构体，仿生耐磨条宽度W3为0.1～10mm，相邻仿生耐磨条间距W4为0.1～40mm，仿生耐磨条厚度h2为0.1～8mm，仿生耐磨点直径d为0.1～10mm，同列仿生耐磨点间距W1为0.05～50mm，相邻行仿生耐磨点错位间距W2为0.05～50mm，仿生耐磨点厚度h1为0.1～8mm。