CN104451042B - 提高列车车轮辐板疲劳性能的高效表面处理方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及提高列车车轮辐板疲劳性能的装置和方法，特别是利用表面处理工艺进行材料性能的改善，属金属材料加工及表面处理领域。其目的是利用一种高效的装置及工艺对车轮辐板进行表面处理，提高车轮辐板表面质量和抗疲劳性能，优化车轮生产工艺。其特点是利用超声冲击和滚压相结合对车轮辐板进行表面处理，车削刀头与超声冲击滚压装置安装在同一刀架上，超声冲击滚压处理与车轮辐板车削同时进行。超声冲击滚压处理后表面质量较好，粗糙度低，有利于表面损伤及裂纹的检查和探伤；同时由于滚压和超声冲击的共同作用，材料表面产生较均匀的残余应力。

Description

提高列车车轮辐板疲劳性能的高效表面处理方法和装置
技术领域
本发明涉及提高高速重载列车车轮辐板疲劳性能的高效表面处理方法和装置，特别是利用表面处理工艺进行材料性能的改善，属于金属材料加工及表面处理领域。
背景技术
随着我国列车运行速度及载重量的提高，列车运行的安全性受到广泛的重视。车轮作为列车运行的重要行走部件，其服役性能是关系列车运行安全的一个重要指标。车轮承载着车辆的全部重量，在运行过程中受到轮-轨相互作用力，承受交变应力引起的疲劳作用，其中以辐板部位的疲劳应力最大。不同于车轮轮辋部位所受的磨损和接触疲劳，轮辋的磨损是一个缓慢的可观测的过程，当车轮磨损量达到一定程度时，可以对车轮进行旋修，以保证车轮的安全使用。接触疲劳产生的裂纹一般尺寸较小，严重时引起轮辋剥离掉块，但剥离块尺寸一般较小。若辐板处产生疲劳裂纹，会沿车轮辐板周向扩展，当其扩展到一定尺寸，会引起车轮崩裂，导致列车脱轨，后果严重。
因此车轮辐板需要具有较好的抗疲劳性能，目前常用的提高车轮辐板疲劳性能的工艺主要是喷丸，其机理是材料使表层产生一定深度的残余压应力。喷丸工艺较为简单成熟，但其需要在精加工后额外增加工序，生产成本较高，最重要的是喷丸后表面粗糙度大，不利于疲劳裂纹的观察和检测。因此，需要一种同时具有表面粗糙度低、残余压应力大、疲劳性能提高明显以及工艺简单的表面处理方法对车轮辐板进行加工处理。
发明内容
本发明的技术方案是利用超声冲击和滚压相结合对车轮辐板进行表面处理，与车轮辐板车削工艺同时进行。
一种提高高速重载列车车轮辐板疲劳性能的高效表面处理方法，其特征是利用超声冲击和滚压相结合对车轮辐板进行表面处理，即超声冲击滚压。采用的超声冲击滚压装置包括触头、超声冲击滚压杆、超声波换能器、载荷传感器和液压或气压装置。
进行超声冲击滚压表面处理时，先使用液压或气压装置使触头以一定载荷压在车轮辐板上，然后开启超声换能器，使超声冲击滚压杆和触头产生一定频率和振幅的超声振动。车削时车轮作回转运动，刀架带动刀具和超声冲击滚压装置作线性运动，调整车削及超声滚压处理位置，超声冲击滚压处理与车轮辐板车削同时进行。
超声冲击滚压加工处理时，通常超声冲击频率为20-30kHz，振幅为10-15μm；球形触头直径依据材料硬度和加工表面粗糙度要求，一般在4-10mm；载荷范围依据材料硬度和触头直径，选为1.0-1.5kN；加工线速度一般为100-300mm/s，加工线间距根据表面粗糙度和触头直径，一般为0.1-0.3mm。
上述超声冲击滚压装置如图1所示，包括触头1、超声冲击滚压杆2、超声波换能器3、载荷传感器4和液压(或气压)装置5。超声冲击滚压触头1为硬质钢球，镶嵌在超声冲击滚压杆2一端，超声冲击滚压杆2另一端与超声波换能器3端相连，超声波换能器另一端通过载荷传感器4与液压(或气压)装置5相连，液压(或气压)装置安装在车床刀架上。
超声冲击滚压装置与车削配合加工的组装结构如图2所示，进行车削及超声冲击滚压表面处理时，超声冲击滚压装置6与车削刀头7安装在同一车床刀架8上，但距车轮9的旋转中心距离有一定不同。进行超声冲击滚压表面处理前，要调整超声冲击滚压触头与车削刀头的相对位置，超声冲击滚压触头的位置位于车轮辐板已车削部位内部，以便对已车削部位进行超声冲击滚压处理。车床刀架上可以同时安装两个或以上超声冲击滚压装置，以满足高速车削，使表面处理效果更佳。
超声冲击滚压处理后表面质量较好，粗糙度低，有利于表面损伤及裂纹的检查和探伤；同时由于滚压和超声冲击的共同作用，材料表面产生较均匀的残余应力。
附图说明
图1为超声冲击滚压装置示意图，其中1为冲击滚压触头，2为超声冲击滚压杆，3为超声换能器，4为载荷传感器，5为液压或气压装置。
图2车轮辐板加工工艺示意图。其中6为超声冲击滚压装置，7为车削刀头，8为车床刀架，9为车轮。
具体实施方式
车削工艺及车刀与超声冲击滚压装置调整完毕后，使车刀及超声冲击滚压装置与车轮辐板接触，开启液压或气压装置使超声冲击滚压触头以一定载荷压在车轮辐板上，然后开启超声换能器，使超声冲击滚压杆和触头产生一定频率和振幅的超声振动。超声冲击滚压处理与车轮辐板车削同时进行。
实施例1
对碳钢及合金钢车轮，选择超声冲击滚压触头直径6-8mm，接触压力1.0-1.5kN，超声振动频率20-30kHz，振幅为10-15μm，触头进给线速度100-150mm/s，加工线间距0.1-0.2mm。
实施例2
对铝合金车轮辐板，选择超声冲击滚压触头直径8-10mm，接触压力1.0-1.5kN，超声振动频率20-30kHz，振幅为10-15μm，触头进给线速度200-300mm/s，加工线间距0.2-0.3mm。
实施例3
对轮毂内壁、辐板孔、倒角、圆角等位置，选择超声冲击滚压触头直径4-6mm，接触压力不大于1.0kN，超声振动频率20-30kHz，振幅为8-10μm，触头进给线速度50-100mm/s，加工线间距不大于0.1mm。

Claims (1)

1.一种提高高速重载列车车轮辐板疲劳性能的高效表面处理方法，其特征是利用超声冲击和滚压相结合对车轮辐板进行表面处理，即超声冲击滚压；采用的超声冲击滚压装置包括触头、超声冲击滚压杆、超声波换能器、载荷传感器和液压或气压装置；
进行超声冲击滚压表面处理时，先使用液压或气压装置使触头以一定载荷压在车轮辐板上，然后开启超声换能器，使超声冲击滚压杆和触头产生一定频率和振幅的超声振动；车削时车轮作回转运动，刀架带动刀具和超声冲击滚压装置作线性运动，调整车削及超声滚压处理位置，超声冲击滚压处理与车轮辐板车削同时进行；
球形触头直径依据材料硬度和加工表面粗糙度要求，范围在4-10mm；载荷范围依据材料硬度和触头直径，选为1.0-1.5kN；加工线速度为100-300mm/s，加工线间距根据表面粗糙度和触头直径，为0.1-0.3mm；
车轮辐板表面处理所采用的超声冲击滚压装置包括触头(1)、超声冲击滚压杆(2)、超声波换能器(3)、载荷传感器(4)和液压或气压装置(5)；触头(1)为硬质钢球，镶嵌在超声冲击滚压杆(2)一端，超声冲击滚压杆(2)另一端与超声波换能器(3)一端相连，超声波换能器另一端通过载荷传感器(4)与液压或气压装置(5)相连，液压或气压装置安装在车床刀架上；
超声冲击滚压装置与车削配合加工的组装结构是，进行车削及超声冲击滚压表面处理时，超声冲击滚压装置(6)与车削刀头(7)安装在同一车床刀架(8)上，但距车轮(9)的旋转中心距离有一定不同；进行超声冲击滚压表面处理前，要调整超声冲击滚压触头与车削刀头的相对位置，超声冲击滚压触头的位置位于车轮辐板已车削部位内部，以便对已车削部位进行超声冲击滚压处理。
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