CN104827146A - 一种激光诱导轮对表面强化与光整加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光诱导轮对表面强化与光整加工方法。常规轮对制造工序存在轮对显微硬度小、耐磨性差、表面粗糙度大、生产周期长、环境污染严重等问题。本发明包括如下步骤：（1）轮对表面强化步骤：由TiO2、甲酰胺、炭黑组成混合粉末，通入氮气、乙炔并吹送混合粉末，激光束倾斜辐射混合粉末和氮气；将车轮旋转地置于上述氮气和乙炔气体氛围下，在轮对金属表层原位复合生成Ti(C,N)；（2）轮对光整加工步骤：经激光诱导强化后的车轮与阴极之间通以中性电解液，卡盘夹持车轮进行旋转，阴极同时做进给运动，通过脉冲电化学技术对轮对表面进行光整加工。本发明增强轮对硬度、提高表面耐磨性、降低表面粗糙度、提高疲劳寿命。

Description

一种激光诱导轮对表面强化与光整加工方法
技术领域
本发明涉及一种激光诱导轮对表面强化方法，还涉及激光诱导强化表面与脉冲电化学精密光整加工相结合的方法。
背景技术
通常轮对是做旋转滚动，且承载着运载车辆的全部重量，因此在运行过程中很容易出现磨损。常规轮对的制造工序为：车轮坯件锻造→粗车外圆→精车外圆及内孔径→中频淬火、回火下料→修研中心孔→磨外圆→铣键槽。热处理虽然可以改变材料组织性能，但容易引起轻微的塑性变形。中频淬火、回火难以提高轮对的显微硬度和耐磨效果。粗磨、半精磨、精磨是磨削轮对最普遍的加工工序，由于精磨时磨削速度很高，磨削区瞬时温度也很高，容易产生表面烧伤和磨削裂纹，因此很难保证轮对外圆磨削到很低的表面粗糙度，轮对表面粗糙度若大，应力集中就强，会大大降低轮对的疲劳强度。此外，由于磨削工作量大，磨削加工时会产生大量油雾或水雾，对环境造成污染，对工人健康造成损害。因此上述工序存在轮对显微硬度小、耐磨性差、表面粗糙度大、生产周期长、环境污染严重等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种激光诱导强化表面与脉冲电化学精密光整加工相结合的方法，以增强轮对硬度、提高表面耐磨性、降低表面粗糙度、提高疲劳寿命。
本发明是通过以下方案实现的：
一种激光诱导轮对表面强化与光整加工方法，包括如下步骤：
（1）轮对表面强化步骤：由TiO2、甲酰胺、炭黑组成混合粉末，放在某个送粉装置中，向送粉装置内通入氮气、乙炔并吹送混合粉末，在送粉装置顶部一侧倾斜地设置激光束，激光束辐射混合粉末和氮气；将车轮旋转地置于上述氮气和乙炔气体氛围下，在轮对金属表层原位复合生成Ti(C,N)；
（2）轮对光整加工步骤：将步骤（1）中经激光诱导强化后的车轮接脉冲电源正极，阴极接脉冲电源负极，车轮与阴极之间通以中性电解液，卡盘夹持车轮进行旋转，阴极同时做进给运动，通过脉冲电化学技术对轮对表面进行光整加工。
作为本发明进一步的改进，步骤（1）中混合粉末的各组分及其重量配比为：TiO2：4~6，甲酰胺：4~6，炭黑：3~5；氮气流量为7~8L/min，乙炔的流量为5～6L/min。
作为本发明进一步的改进，步骤（1）中的激光束的扫描速度为300～500mm/min，激光功率为1000～1400W，激光波长为1.06μm或10.6μm，光斑直径为2～4mm，轮对旋转速度为5~10r/min。
作为本发明进一步的改进，步骤（2）中的脉冲电流值为50 A～200 A，脉冲频率范围为500 Hz～10KHz。
作为本发明进一步的改进，步骤（2）中的中性电解液配方为：15%～35%NaNO3，10%～20%NaCl，5%～10%NaClO3，1%～2%NaSO4，其余为水。      
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明可以在金属表层原位复合生成Ti(C,N)，而不是在表面沉积，因此不存在涂层与基体的结合力问题；
（2）原位复合有Ti(C,N)的金属表层厚度可达400至600微米，显微硬度可达HV2100至HV2700，因此即使表面在使用过程中有微磨损，仍然具有很好的硬度和耐磨性；
（3）反应组元为TiO2、甲酰胺、炭黑、氮气和乙炔，以激光作为能量源，不会对环境造成任何污染，是一种环保的金属表面强化与耐磨方法；
（4）采用脉冲电化学光整技术对轮对进行光整加工，可使车轮踏面表面粗糙度降低至Ra0.1μm以下，从而加工出超光滑的表面，踏面表面粗糙度愈小，应力集中愈小，疲劳强度也愈高；由于轮对硬度高、表面粗糙度低，可使其疲劳寿命提高3-5倍；
（5）脉冲电化学光整加工的效率与轮对表面硬度无关，对于硬度很高的表面也能很快完成光整加工；
（6）光整加工过程中不产生磨削力和磨削热，不产生附加应力，加工精度高，表面也不产生磨削烧伤和裂纹；
（7）轮对激光强化后直接进行光整加工，不需进行精磨、研磨和抛光，大幅度节省了机械加工的时间，使生产效率大大提高；
（8）光整后的轮对调整装配后可直接提供给用户，不需要进行长时间跑和，生产周期大大缩短；
（9）由于减少了半精磨、精磨的工序，车间里由于磨削加工所生产的油雾大幅减少，对环境的污染也大幅减少，是一种绿色制造方法。
附图说明
图1为本发明脉冲电化学光整加工原理图。
其中：1为车轮，2为电解液，3为阴极，4为脉冲电源。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。
以金属表层原位复合生成Ti(C,N)为例，先对车轮的踏面和轮缘进行激光诱导强化，以TiO2、甲酰胺、炭黑粉末的混合质量比为5:5:4，激光功率1300W，乙炔、氮气流量分别为6L/min和8L/min，所述激光束的扫描速度为400mm/min，激光波长为10.6μm，光斑直径为3mm，轮对旋转速度为7r/min。在车轮踏面和轮缘表层原位复合生成厚度可达400μm的Ti(C,N)层，显微硬度可达HV2700。
使用如下工艺参数的脉冲电流电化学光整加工技术进行抛光：脉冲频率9KHz，脉冲电流值200 A。使用中性电解液配方为20%NaNO3，15%NaCl，7%NaClO3，2%NaSO4，其余为水。经过15分钟左右，可将车轮踏面的表面粗糙度抛光至Ra0.06 μm。

Claims (5)

1.一种激光诱导轮对表面强化与光整加工方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）轮对表面强化步骤：由TiO2、甲酰胺、炭黑组成混合粉末，放在某个送粉装置中，向送粉装置内通入氮气、乙炔并吹送混合粉末，在送粉装置顶部一侧倾斜地设置激光束，激光束辐射混合粉末和氮气；将车轮旋转地置于上述氮气和乙炔气体氛围下，在轮对金属表层原位复合生成Ti(C,N)；
（2）轮对光整加工步骤：将步骤（1）中经激光诱导强化后的车轮接脉冲电源正极，阴极接脉冲电源负极，车轮与阴极之间通以中性电解液，卡盘夹持车轮进行旋转，阴极同时做进给运动，通过脉冲电化学技术对轮对表面进行光整加工。
2.根据权利要求1所述的一种激光诱导轮对表面强化与光整加工方法，其特征在于：步骤（1）中混合粉末的各组分及其重量配比为：TiO2：4~6，甲酰胺：4~6，炭黑：3~5；氮气流量为7~8L/min，乙炔的流量为5～6L/min。
3.根据权利要求1所述的一种激光诱导轮对表面强化与光整加工方法，其特征在于：步骤（1）中的激光束的扫描速度为300～500mm/min，激光功率为1000～1400W，激光波长为1.06μm或10.6μm，光斑直径为2～4mm，轮对旋转速度为5~10r/min。
4.根据权利要求1所述的一种激光诱导轮对表面强化与光整加工方法，其特征在于：步骤（2）中的脉冲电流值为50 A～200 A，脉冲频率范围为500 Hz～10KHz。
5.根据权利要求1所述的一种激光诱导轮对表面强化与光整加工方法，其特征在于：步骤（2）中的中性电解液配方为：15%～35%NaNO3，10%～20%NaCl，5%～10%NaClO3，1%～2%NaSO4，其余为水。
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