CN107757245B - 一种胶轮路轨用车轮的精加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种胶轮路轨用车轮的精加工方法，属于车轮加工领域。本发明车轮在粗加工后进行精加工处理，其精加工时由内锯齿夹钳夹住车轮轮辋将车轮水平固定，加工车轮内侧轮缘、轮辐和轮毂，然后更换车床并反转车轮，并用外锯齿夹钳夹住内轮辋面，加工车轮外侧轮毂面、轮辐面和轮辋面，然后加工踏面；将各面加工至成品尺寸后，在轮辋上加工报废线至成品尺寸，然后加工踏面和轮缘外侧面，最后加工中心孔，至成品尺寸。本发明的加工方法所加工的车轮精度高，重量轻，具有较好的综合力学性能，使用安全。

Description

一种胶轮路轨用车轮的精加工方法

本发明专利申请是针对申请号为：2015107346043的分案申请，原申请的申请日为：2015/10/30，发明创造名称为：一种胶轮路轨用车轮及其加工方法。

技术领域

本发明涉及车轮加工技术领域，更具体地说，涉及一种胶轮路轨用车轮的精加工方法。

背景技术

目前的轨道交通由于轮轨之间的粘着力太小，不得不大幅提高机车的重量，获得较高的粘着力；但过大的自重也相应的增加了线路的造价和损耗，并且由于轨轮之间的摩擦太小，使弯道半径增大，车辆的制动距离增加，安全性能下降，铁路上行车的安全距离大，降低了铁路运营的效率，作为城市交通轨道应用时，轮轨之间产生的污染较大。胶轮地铁是车辆采用胶轮车轮，并配以相匹配的轨道及专用导向装置的地铁系统。

胶轮地铁车辆的行走轮行驶在一对平行的带型轨道上，平板轨道通常采用宽翼工型钢或混凝土筑成的板带，两条平行轨道分别设置在左右两条钢轨的外侧，这种类型的胶轮地铁，由于采用充气橡胶车轮，行车平稳、噪声低、振动小，又由于具有较高的粘着力，优化了许多动力性能。

胶轮地铁的一种通用形式是在传统的钢轮轨地铁的基础上增设胶轮行走系统构成，列车在正常行驶时使用胶轮行走系统，钢轮轨作为安全备用装置，在胶轮出现泄气或爆裂故障时使用，以及列车通过道岔区段时，因侧面导向轨中断，在此区段作导向和行走装置，是列车沿着确定的路线安全行驶。

对于胶轮路轨系统所使用轨道不同，所使用钢轮也无法使用常规的列车轮，在车轮重量以及结构上进行改进，改进后的车轮不但要求重量轻，还要具有足够的结构强度，因而，如何在保证车轮结构强度的基础上减轻车轮重量是本领域的一大难题。

中国专利申请号：201110046426.7，授权公告日：2012年12月5日，发明创造名称为：铁路货车用低合金车轮钢及其车轮制备方法，该申请案公开了一种铁路货车用低合金车轮钢，其化学成分重量百分比为：C0.70～0.75％、Si0.75～0.95％、Mn0.75～0.90％、Ni0.15～0.25％、Cr0.25～0.35％，Als0.015～0.030％、P≤0.010％、S≤0.010％、其余为Fe和不可避免的杂质元素。热处理工序为：在830-850℃保温2.0-2.5小时，然后喷水冷却轮辋至550℃以下，轮辋内部金属以2℃/s～5℃/s的冷却速度加速冷却，然后在500-520℃回火处理4.5-5.0小时。该方案主要的步骤在于热处理，并没有涉及如何对薄壁轮辐车轮加工的方法。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中车轮难以满足胶轮路轨系统对重量及强度要求的不足，提供了一种胶轮路轨用车轮的精加工方法，本发明的技术方案，所加工车轮轮辐厚度仅为11.8～12.5mm，车轮重量轻，强度高，而且在加工过程中不易变形，保证了加工精度。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种胶轮路轨用车轮，包括轮缘、轮辋、轮辐和轮毂，该车轮的踏面由锥度为1:10的倾斜段和平直段组成，该车轮的轮辐与轮毂厚度相同，为11.8～12.5mm；在车轮轮辋上设有报废线，该报废线的终止端至踏面的距离为轮辋厚度的0.62倍。

优选地，其化学成分重量百分比为：C 0.49～0.52％、Si 0.20～0.40％、Mn 0.50～0.80％、P≤0.02％、S≤0.015％、Cr 0.2～0.3％、Ni≤0.30％、Mo≤0.08％、V≤0.06％、Cu≤0.30％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

优选地，所述Cr、Ni和Mo的含量之和不超过0.5％。

本发明的一种胶轮路轨用车轮的加工方法，其加工步骤为：

步骤一、对车轮钢进行热处理，并对热处理后的车轮钢进行轧制、缓冷、粗加工，形成车轮毛坯；

步骤二、对粗加工后的车轮毛坯进行淬火、回火处理；

步骤三、对步骤二处理后的车轮进行精加工，加工至规定尺寸。

优选地，步骤二中淬火时，车轮毛坯随炉温升至830～850℃，保温2.5～3h，并用石棉上模12和石棉下模13把车轮辐板压住，对轮缘和踏面处进行喷水冷却200～250s；回火时，在480～520℃内保温3～4小时。

优选地，所述石棉保护模由石棉上模和石棉下模通过螺栓连接而成，石棉上模和石棉下模相对的一侧与车轮辐板贴合。

步骤三中的精加工工艺为本发明的胶轮路轨用车轮的精加工方法，具体为：

1)把步骤二处理后的车轮毛坯吊装到机床的第一支撑块上，并由内锯齿夹钳夹住车轮轮辋将车轮水平固定，加工车轮内侧轮缘、轮辐和轮毂，轮毂处表面粗糙度≤Ra12.5；

2)更换机床并反转车轮，使第二支撑块支撑步骤1)中加工的轮毂面，第三支撑块支撑步骤1)中加工的轮缘面，并用外锯齿夹钳夹住内轮辋面；加工车轮外侧轮毂面、轮辐面和轮辋面，留5mm余量，其表面粗糙度≤Ra12.5；然后加工踏面，其表面粗糙度≤Ra6.3；

3)加工车轮外侧轮毂面、轮辐面和轮辋面至成品尺寸，在轮辋上加工报废线至成品尺寸，然后加工踏面和轮缘外侧面，加工后各部分的表面粗糙度≤Ra1.6；加工中心孔；

4)更换至步骤1)中机床并反转车轮，按照步骤1)中方法固定，并将内锯齿夹钳的钳口换为无齿钳口，在第一支撑块上增加橡胶垫，使其上表面高于垫铁上表面0.08～0.15mm，然后加工车轮内侧轮毂面、轮辐面至成品尺寸，加工中心孔，然后加工轮缘内侧面至成品尺寸，轮毂面、轮辐面和轮缘内侧面的表面粗糙度≤Ra1.6；

5)加工中心孔至成品尺寸；

6)利用数控加工中心在车轮轮毂上加工4个均布的螺纹孔和10个均布通孔。

优选地，步骤1)中的第一支撑块有5个，5个第一支撑块沿机床中心轴周向均布；所述内锯齿夹钳沿机床中心轴均布有3个，且内锯齿夹钳与垫铁间隔设置。

优选地，步骤2)中第三支撑块和外锯齿夹钳均设置有3个，且第三支撑块和外锯齿夹钳沿机床中心轴周向均匀间隔分部。

优选地，精加工过程中车刀的线速度Vt＝230±30m/min。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明的一种胶轮路轨用车轮的精加工方法，其轮辐及轮毂厚度较小，大大减小了车轮重量，采用支撑块和锯齿夹钳相配合的方法装夹车轮，定位准确，装夹牢固，保证在加工过程中车轮不变形；采用车轮内侧和外侧交替加工的方法进行精加工处理，加工精度高，轮辐的径向残余应力和周向残余应力明显降低，表面光洁度改善，消除可能成为疲劳裂纹源的过深刀痕等表面加工缺陷。

附图说明

图1为本发明的一种胶轮路轨用车轮的结构示意图；

图2为本发明中石棉保护模的使用状态图；

图3为本发明中加工车轮内侧的装夹加工结构示意图；

图4为本发明中加工车轮外侧的装夹加工结构示意图；

图5为本发明中最后加工车轮内侧的装夹加工结构示意图。

示意图中的标号说明：1、轮缘；2、轮辋；3、报废线；4、轮辐；5、轮毂；6、中心孔；7、内锯齿夹钳；8、第一支撑块；801、垫铁；802、橡胶垫；9、第二支撑块；10、外锯齿夹钳；11、第三支撑块；12、石棉上模；13、石棉下模。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

本发明的一种胶轮路轨用车轮，包括轮缘1、轮辋2、轮辐4和轮毂5，该车轮的踏面由锥度为1:10的倾斜段和平直段组成，该车轮的轮辐4与轮毂5厚度相同，为11.8～12.5mm；在车轮轮辋2上设有报废线3，该报废线3的终止端至踏面的距离为轮辋厚度的0.62，根据报废线3的磨损程度判断是都需要更换。优选的，车轮的轮辐4与轮毂5厚度相同，为12mm；踏面的直径为880mm，轮缘1直径为1024mm，在车轮轮辋2上设有报废线，该报废线的终止端至踏面的距离为轮辋厚度的0.62，轮辋宽度为42mm，报废线宽度为6.5mm，中心孔6内径为337mm。采用以下步骤对车轮进行加工：

步骤一、对车轮钢进行热处理，并对热处理后的车轮钢进行轧制、缓冷、粗加工，形成车轮毛坯；该过程主要包括LF精炼、真空处理、圆坯连铸形成圆形毛坯，然后加热轧制，并将轧制后的毛坯缓冷4h，即随炉冷却4h，消除白点，经检测后进行粗加工，形成车轮毛坯；

步骤二、对粗加工后的车轮毛坯进行淬火、回火处理；

把车轮毛坯随炉温升至830～850℃，保温2.5～3h，并用石棉上模12和石棉下模13把车轮辐板压住，用螺栓连接，对轮缘1和轮辋2进行喷水冷却200～250s；回火时，在480～520℃内保温3～4小时，然后空冷。

其中的石棉保护模由石棉上模12和石棉下模13通过螺栓连接而成，石棉上模和石棉下模相对的一侧与车轮辐板贴合。车轮内侧轮毂5与轮辐4的夹角为α，则石棉上模12的倾斜段与平直段的夹角大于α，小于α+3°；相应地，石棉下模13的倾斜段与平直段的夹角大于α—3，小于α；以α为158°为例，石棉上模12的倾斜段与平直段的夹角为160°，石棉下模13的倾斜段与平直段的夹角为156°。通过这种结构设计，当石棉上模12和石棉下模13被螺栓压紧后，由于存在角度差，倾斜段自身的张力使其与车轮紧密贴合，能够有效防止水进入辐板处，即避免辐板被淬火处理，减少辐板内的氢含量，提高轮辐4和轮毂5处的韧性，能够有效防止车轮断裂的情况发生。

步骤三、对步骤二处理后的车轮进行精加工，加工至规定尺寸。

对处理后的车轮进行精加工加工，即步骤三中的精加工工艺为：

1)把步骤二处理后的车轮毛坯吊装到机床的第一支撑块8上，第一支撑块有5个，5个第一支撑块8沿机床中心轴周向均布；外周有内锯齿夹钳7，内锯齿夹钳7沿机床中心轴均布有3个，且与内锯齿夹钳均匀间隔设置有垫铁，由内锯齿夹钳7夹住车轮轮辋2将车轮水平固定，Vt为210m/min，进给速度F为1mm/r，切削量Ap为5mm，加工车轮内侧轮缘1、轮辐4和轮毂5，轮毂5处表面粗糙度≤Ra12.5；

2)更换机床并反转车轮，使第二支撑块9支撑步骤1)中加工的轮毂面，第三支撑块11支撑步骤1)中加工的轮缘面，并用外锯齿夹钳10夹住内轮辋面；Vt为200m/min，加工车轮外侧轮毂面、轮辐面和轮辋面，留5mm余量，其表面粗糙度≤Ra12.5；然后加工踏面，其表面粗糙度≤Ra6.3；第三支撑块11和外锯齿夹钳10均设置有3个，且第三支撑块11和外锯齿夹钳10沿机床中心轴周向均匀间隔分部；

3)调整Vt为250m/min加工车轮外侧轮毂面、轮辐面和轮辋面至成品尺寸，在轮辋2上加工报废线3至成品尺寸，然后加工踏面和轮缘外侧面，加工后各部分的表面粗糙度≤Ra1.6；加工中心孔6；

4)更换至步骤1)中机床并反转车轮，按照步骤1)中方法固定，并将内锯齿夹钳7的钳口换为无齿钳口，防止加工后的表面别锯齿损伤；在第一支撑块8上增加橡胶垫802，使其上表面高于垫铁801上表面0.08～0.15mm，优选0.1mm，以克服自身的重力影响，否则将会导致加工后的车轮辐板不符合要求；设置Vt为250m/min，加工车轮内侧轮毂面、轮辐面至成品尺寸，加工中心孔6，然后加工轮缘内侧面至成品尺寸，轮毂面、轮辐面和轮缘内侧面的表面粗糙度≤Ra1.6；

5)加工中心孔6至成品尺寸；

6)利用数控加工中心在车轮轮毂上加工4个均布的螺纹孔和10个均布通孔。

经过研究证明，切削力和速度直接决定这切削热的产生，并影响加工精度和表面加工质量。加工速度较低时，易产生残余拉应力，加工速度较高时，由于加工温度升高，易产生残余压应力。由于本发明中车轮的轮辐厚度仅为11.8～12.5mm，切削热过高将会导致辐板变形而影响加工精度。

此外，在加工过程中如果不能很好的找准支撑点，所形成的切削应力将难以恢复，导致车轮形变，使用时容易断裂，安全性低。本发明先用第一支撑块8进行支撑，并通过内锯齿夹钳7将车轮从周向夹紧固定，所设置的3个内锯齿夹钳7对中性好，保证车轮中心与机床中心轴重合。装夹后的车轮水平方向上只有轮毂5处与第一支撑块8接触，确定唯一的定位基准，在轮缘1和轮毂5内侧的水平加工精度高，为后续加工做准备。

车轮换至另一机床后，以步骤1)中的切削面为基础定位，第二支撑块9和第三支撑块11为定位基准；在轮辋外侧面预留有夹持台阶，通过外锯齿夹钳10把车轮夹紧；然后进行预加工，留一定加工余量，再以250m/min的线速度加工至成品尺寸，保证粗糙度和表面光洁度。

完成车轮外侧的加工，再次反转车轮，对车轮内侧进行加工。同样以250m/min的线速度加工至成品尺寸，保证粗糙度和表面光洁度。

在步骤3)、4)、5)中均涉及到中心孔6的加工，该方法将中心孔6的加工分解到各个步骤中，一方面可避免单次加工产生较大的切削热，保证精度；另一方面，轮辐4与轮毂5处厚度较小，过大的径向尺寸受力不易控制，在加工中心孔6处时，刀具对车轮的切削力会在另一端造成轮辐4的形变而影响加工精度。

为了实现车轮的安装，还需要在车轮的轮毂5处加工多个通孔和螺纹孔，在普通机床上需要有支撑块，无法在轮毂5处进行孔加工，若去掉支撑块，由于轮毂和轮辐厚度较小，很容易受压变形，影响加工精度，故在本发明中采用数控加工中心进行孔加工。

该车轮的化学成分重量百分比为：C 0.49～0.52％、Si 0.20～0.40％、Mn 0.50～0.80％、P≤0.02％、S≤0.015％、Cr 0.2～0.3％、Ni≤0.30％、Mo≤0.08％、V≤0.06％、Cu≤0.30％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

该材料方案中的优选方案为：C 0.51％、Si 0.27％、Mn 0.74％、P≤0.02％、S≤0.015％、Cr 0.23％、Ni 0.03％、Mo 0.010％、V≤0.06％、Cu≤0.30％，其余为Fe和不可避免杂质元素。

表1车轮中采用不同合金含量的实施例方案

实施例1为方案A，从合金元素对性能的影响看，为获得高的强度和韧性配合可采用微合金化。Si是车轮钢中重要的强化元素，对奥氏体和铁素体具有强烈的固溶强化作用，Si的含量增加会提高材料的热敏感和脆性，大量共析铁素体析出，钢的强度和韧性降低，因此本发明将Si的含量确定为0.20～0.40％。

Mn是车轮钢中重要合金元素，可形成含Mn的合金渗碳体，能降低珠光体转变时候合金渗碳体的形核和长速，提高淬透性；同时，Mn有事奥氏体形成元素，降低珠光体的转变温度，故而增加Mn的含量可阻碍珠光体的转变，有利于珠光体层片间距的减小。

Cr和Mo是碳化物的形成元素，Ni能阻碍共析铁素体的析出和珠光体的转变。在珠光体的形成过程中存在合金元素在铁素体与渗碳体交界面，及铁素体与渗碳体间的扩散和重新分布，使珠光体层间片距减小，可以使细片状渗碳体在外力作用下表现出一定的延性，有利于提高车轮钢强度和塑性。该方案中轮辋的抗拉强度为908MPa，轮辐的抗拉强度为739MPa，布氏硬度HBW大于250。

参看表2，对比例1为普通CL60车轮，轮辐和轮毂采用常规尺寸设计。对比例2与对比例1方案A中的材料相同，对比例2的结构尺寸与实施例1中的结构尺寸相同，并采用本发明方法加工。

表2实施例1与对比例1、对比例2的合金含量表(百分含量wt-％)

表3实施例1与对比例1、对比例2的力学性能测试数据

表4实施例1和对比例1、对比例2的断裂韧性K_Q值

实施例1与对比例1对比，本实施例的轮辐厚度较小，但抗拉强度、硬度和断裂韧性等都处于较好的水平，基本上能够达到常规尺寸车轮的性能要求。对比例2中材料与实施例1方案不同，Cr、Mo、Ni的含量不同，对比例2的抗拉强度及断裂韧性不如采用本实施例材料加工的车轮。

实施例2

本实施例的本实施例的一种胶轮路轨用车轮，其基本结构及加工方法与实施例1相同，其不同之处在于：轮毂5和轮辐4的厚度为12.2mm，最后精加工的车削速度Vt为260m/min，车轮的合金含量如表1中的方案B。加工完毕后进行拉伸试验、硬度试验等，拉伸试验中轮辋的抗拉强度为916MPa，轮辐的抗拉强度为752MPa，布氏硬度HBW大于250。

表5实施例1与对比例1、对比例2的合金含量表(百分含量wt-％)

根据实施例2设置对比例3，如表3所示，对比例3中的合金元素与实施例2中的合金元素相同，并使对比例3的结构尺寸与实施例2相同，对比例3采用常规机加工方法。

表6实施例2和对比例3的力学性能测试数据

表7实施例2和对比例3的断裂韧性K_Q值

根据对比结果看出，采用常规方法加工同尺寸的车轮安全系数低，由于缺少合理的固定支撑和加工工艺，轮辐厚度较小，所加工的车轮轮辐处易发生热变形，导致辐板处抗拉强度和断裂韧性降低，严重影响车轮的质量。

经过对比可知，本发明的车轮重量轻，适于胶轮系统使用，采用本发明提供的加工方法，具有较高的加工精度，在加工过程中车轮不易产生变形，加工精度高，保证了薄壁轮辐的强度，具有较高的使用寿命。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种胶轮路轨用车轮的精加工方法，其特征在于：车轮在粗加工后进行精加工处理，其精加工工艺为：

1)把车轮毛坯吊装到机床的第一支撑块上，并由内锯齿夹钳夹住车轮轮辋将车轮水平固定，加工车轮内侧轮缘、轮辐和轮毂，轮毂处表面粗糙度≤Ra12.5；

2)更换机床并反转车轮，使第二支撑块支撑步骤1)中加工的轮毂面，第三支撑块支撑步骤1)中加工的轮缘面，并用外锯齿夹钳夹住内轮辋面；加工车轮外侧轮毂面、轮辐面和轮辋面，留5mm余量，其表面粗糙度≤Ra12.5；然后加工踏面，其表面粗糙度≤Ra6.3；

3)加工车轮外侧轮毂面、轮辐面和轮辋面至成品尺寸，在轮辋上加工报废线至成品尺寸，然后加工踏面和轮缘外侧面，加工后各部分的表面粗糙度≤Ra1.6；加工中心孔；

4)更换至步骤1)中机床并反转车轮，按照步骤1)中方法固定，并将内锯齿夹钳的钳口换为无齿钳口，在第一支撑块上增加橡胶垫，使其上表面高于垫铁上表面0.08～0.15mm，然后加工车轮内侧轮毂面、轮辐面至成品尺寸，加工中心孔，然后加工轮缘内侧面至成品尺寸，轮毂面、轮辐面和轮缘内侧面的表面粗糙度≤Ra1.6；

5)加工中心孔至成品尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种胶轮路轨用车轮的精加工方法，其特征在于：所加工车轮的踏面由锥度为1:10的倾斜段和平直段组成，该车轮的轮辐与轮毂厚度相同，为11.8～12.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种胶轮路轨用车轮的精加工方法，其特征在于：步骤3)中加工的报废线的终止端至踏面的距离为轮辋厚度的0.62倍。

4.根据权利要求1所述的一种胶轮路轨用车轮的精加工方法，其特征在于：步骤5)还包括在利用数控加工中心在车轮轮毂上加工4个均布的螺纹孔和10个均布通孔的工艺。

5.根据权利要求1所述的一种胶轮路轨用车轮的精加工方法，其特征在于：步骤1)中的第一支撑块有5个，5个第一支撑块沿机床中心轴周向均布；所述内锯齿夹钳沿机床中心轴均布有3个，且内锯齿夹钳与垫铁间隔设置。

6.根据权利要求1所述的一种胶轮路轨用车轮的精加工方法，其特征在于：步骤2)中第三支撑块和外锯齿夹钳均设置有3个，且第三支撑块和外锯齿夹钳沿机床中心轴周向均匀间隔分部。

7.根据权利要求1所述的一种胶轮路轨用车轮的精加工方法，其特征在于：加工过程中车刀的线速度Vt＝230±30m/min。