CN114309653A - 3d打印铁路扣件阻尼弹条及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印铁路扣件阻尼弹条及其制造方法，该3D打印铁路扣件阻尼弹条的中部形成有内腔，所述内腔内填充有金属粉末，所述3D打印铁路扣件阻尼弹条的主体部分通过3D打印成型。该3D打印铁路扣件阻尼弹条可以有效降低弹条共振响应幅值，振动衰减快，避免其共振疲劳失效，并可以规模化、自动化制造。

Description

3D打印铁路扣件阻尼弹条及其制造方法

技术领域

本发明涉及铁路工务技术领域，具体地涉及3D打印铁路扣件阻尼弹条及其制造方法。

背景技术

铁路扣件系统是固定钢轨常用结构，其中弹条作为扣件中的关键零件，除了在使用中扣压钢轨保持轨道稳定，保证车辆运行中钢轨的变形在其安全范围内，还提供一定的轨道弹性。所以，弹条主要承受车辆行驶过程种产生的交变载荷，在设计与生产制造过程中会考虑弹条的疲劳强度，避免出现疲劳失效。

3D打印技术是一种通过逐层增加材料的方式直接成型三维零件的数字制造技术，理论上3D打印技术可以通过简单的二维打印，直接制造出结构任意复杂的零部件。

激光选区融化技术是通过在成型平台上铺一层薄的粉末状金属材料，使用激光束扫描零件切片的片层形状，扫描的粉末快速熔化和凝固，然后将成型平台下降一层，继续铺粉打印。激光选区熔化技术能够生产高强度零件，因此广泛用于航空航天、军工、医疗、汽车等行业。

目前，常用的弹条主要为“ω”形状弹条，“e”形状弹条及“A”形状的FC快速弹条等，大多由等截面弹簧钢线材经过弯折冲压制成。由于弹簧钢的低阻尼特性，弹条结构本身的模态频率范围也可能在“车辆-轨道”激励频率范围内，在车辆通过时的高频激励下，易产生共振，造成意外失效破坏，大大缩短弹条的服役寿命，危害铁路运营安全。

CN108277702A公开了一种阻尼弹条设计，采用钢管做为原材料成型制造中空弹条，后将阻尼材料填充进入其中空管道中并封住端口，利用填充的阻尼材料有效减小弹条的共振效应幅值。但是此种设计局限性强，只有通孔一种型式，无法在弹条内部设置独立阻尼腔，及其生产方法工艺复杂，无法进行批量化生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种3D打印铁路扣件阻尼弹条及其制造方法，该3D打印铁路扣件阻尼弹条可以有效降低弹条共振响应幅值，振动衰减快，避免其共振疲劳失效，并可以规模化、自动化制造。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种3D打印铁路扣件阻尼弹条，该3D打印铁路扣件阻尼弹条的中部形成有内腔，所述内腔内填充有金属粉末，所述3D打印铁路扣件阻尼弹条的主体部分通过3D打印成型。

本发明第二方面提供了一种3D打印铁路扣件阻尼弹条的制造方法，该制造方法包括以下步骤：

1）使用建模软件建立弹条的三维模型，并根据需要在所建立的三维模型中设置内腔，将建立好的设置有内腔的三维模型导入3D打印机中；

2）使用3D打印机根据步骤1）所导入的三维模型打印出弹条成品，其中，在内腔位置不进行激光熔覆，自动形成金属粉末填充的内腔；

3）对步骤2）中所打印的弹条成品进行后处理。

优选地，步骤1）中使用建模软件建立弹条的三维模型的方法为：先根据既有弹条或新设计弹条的受力、振动模态与响应频率使用指标要求在模型上设计相应尺寸的内腔，再结合安装空间和受力情况优化弹条尺寸参数，通过所优化的弹条尺寸参数使用建模软件建立弹条的初始结构模型。

优选地，弹条的初始结构模型建立后使用仿真软件对初始设计弹条的初始结构模型进行验算，验算完成后再根据弹条不同位置的受力状态对相关参数进行修改以建立最终结构模型。

优选地，所述相关参数包括：弹条的弹程、弹性结构圆弧半径、弹性结构圆弧长度、弹性结构圆弧宽度和内腔形状及尺寸。

优选地，所述3D打印机为激光选区熔覆3D打印机。

优选地，对弹条成品进行后处理的工艺依次包括：热处理和表面喷丸处理，其中，表面喷丸处理的喷丸压力为0.1-0.65Mpa。

优选地，在步骤2）打印弹条成品过程中，使用切片软件对弹条模型进行切片，切片完成后将切片文件导入到激光路径填充软件中生成激光路径填充文件，再将填充文件导入到3D打印机中进行逐层打印。

优选地，所述切片的厚度为30-100μm。

优选地，在打印弹条成品过程前在弹条下表面与成型基板之间设置支撑，并在打印弹条前先打印所述支撑。

优选地，所述支撑包括块状支撑和柱状支撑，所述块状支撑的表面设置为镂空，且与弹条之间使用锯齿连接。

根据上述技术方案，本发明的3D打印铁路扣件阻尼弹条可以有效降低弹条共振响应幅值，振动衰减快，避免其共振疲劳失效，并可以规模化、自动化制造。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是弹条的一种优选实施方式的截面示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是填充有金属粉末的一种内腔的结构示意图；

图4是填充有金属粉末的另一种内腔的结构示意图；

图5是弹条的另一种优选实施方式的截面示意图；

图6是图5的俯视图。

附图标记说明

1-内腔；2-弹条侧肢端头；3-金属粉末。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，“上下左右、前后内外”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。

参见图1-6所示，本发明一方面提供了一种3D打印铁路扣件阻尼弹条，该3D打印铁路扣件阻尼弹条的中部形成有内腔1，所述内腔1内填充有金属粉末3，所述3D打印铁路扣件阻尼弹条的主体部分通过3D打印成型。

通过上述技术方案的实施，使得本发明中的3D打印铁路扣件阻尼弹条可以有效降低弹条共振响应幅值，振动衰减快，避免其共振疲劳失效，并可以规模化、自动化制造。具体的说，内腔1中的金属粉末3可以在弹条变形振动过程中通过互相摩擦耗散振动能量，有效降低弹条共振响应幅值。

在本发明中，内腔1可以设置一段连续的或设置多段不连续的，且均沿着弹条的延伸反向延长，内腔1可以设置为等直径的或变直径的，变直径的如呈规律变化的葫芦型，或螺旋形，如设置为螺旋形时弹条具有更稳定的力学性能，可以增加金属粉末3与内腔1内壁的摩擦面积，提高耗散振动能量的效果。

本发明第二方面提供了一种3D打印铁路扣件阻尼弹条的制造方法，该制造方法包括以下步骤：

1）使用建模软件建立弹条的三维模型，并根据需要在所建立的三维模型中设置内腔1，将建立好的设置有内腔1的三维模型导入3D打印机中；

2）使用3D打印机根据步骤1）所导入的三维模型打印出弹条成品，其中，在内腔1位置不进行激光熔覆，自动形成金属粉末3填充的内腔1；

3）对步骤2）中所打印的弹条成品进行后处理。

通过上述步骤的实施，采用建模软件建立弹条的三维模型，再通过3D打印机根据导入的三维模型打印出弹条成品，最后再进行后处理得到弹条产品，相比于传统的生产工艺流程，不需要复杂的工艺流程，尺寸精度高更高，进而可以提升弹条的使用寿命。同时，由于在打印的过程中，在内腔1的空间区域中不进行激光熔覆，可以使得在打印的同时形成填充有金属粉末3填的内腔1，提高了制造效率，同时通过该金属粉末3的填充，可以在弹条变形振动过程中通过互相摩擦耗散振动能量，有效降低弹条共振响应幅值，加速振动衰减。

在该实施方式中，步骤1）中使用建模软件建立弹条的三维模型的方法为：先根据既有弹条或新设计弹条的受力、振动模态与响应频率使用指标要求在模型上设计相应尺寸的内腔1，再结合安装空间和受力情况优化弹条尺寸参数，通过所优化的弹条尺寸参数使用建模软件建立弹条的初始结构模型。建模软件可以采用UG、SolidWorks等建模软件，其中，尺寸包括弹条的长度、宽度、弹程高度、侧肢圆弧半径和中肢圆弧半径等。当然，初始结构模型建立完成后由于据弹条不同位置的受力状态不同，还需要对不同位置的相关参数进行修改以建立最终结构模型，修改可以采用手动修改的方式进行。

为了获得更加精准的最终结构模型，弹条的初始结构模型建立后使用仿真软件对初始设计弹条的初始结构模型进行验算，验算完成后再根据弹条不同位置的受力状态对相关参数进行修改以建立最终结构模型。例如，将初始结构模型导入到仿真软件ANSYS中进行力学仿真分析和模态仿真分析，根据仿真计算的结果对弹条的各参数进行优化。

进一步的，所述相关参数包括：弹条的弹程、弹性结构圆弧半径、弹性结构圆弧长度、弹性结构圆弧宽度和内腔形状及尺寸。

在该实施方式中，为进一步提供一种3D打印机，所述3D打印机为激光选区熔覆3D打印机。弹条的弹性取决于金属材料弹性变形的能力，即在规定范围内弹性变形阶段承受的载荷。激光选区熔覆技术是对金属粉末3进行选择性烧结，金属粉末3中的合金成分和含量可以人为控制，因此较为容易对成型件的性能进行适量的调整，激光选区熔化是金属粉末3的快速成型技术，能直接制作出接近100%致密度的零件，不需要粘结剂，成型精度高，力学性能好。弹条材料需要有较好的综合性能，特别是弹性极限、强度极限、屈强比、抗疲劳性能、耐热、抗氧化和耐腐蚀等，因此，原材料的种类、成分可以根据弹条的性能要求进行选择。在步骤2）中，打印前还需要对3D打印工艺参数进行设计，使得弹条能够具有良好的表面质量、均匀性、精确的外形和尺寸，如对激光功率、扫描速度、扫描方式、扫描间距、层厚等参数根据弹条形状及使用要求进行设置。

在该实施方式中，对弹条成品进行后处理的工艺依次包括：热处理和表面喷丸处理，其中，表面喷丸处理的喷丸压力为0.1-0.65Mpa。通过热处理克服了弹条处于打印态时物理性能不足的问题，消除弹条的内应力，通过表面喷丸处理使得弹条具有良好的外形。

在该实施方式中，在步骤2）打印弹条成品过程中，使用切片软件对弹条模型进行切片，切片完成后将切片文件导入到激光路径填充软件中生成激光路径填充文件，再将填充文件导入到3D打印机中进行逐层打印。同时，在打印过程中通过调整零件摆放方向及位置，使激光扫描过程中始终保持与风场吹风方向相反。

进一步的，为了保证弹条的综合性能，所述切片的厚度为30-100μm。

在该实施方式中，在打印弹条成品过程前在弹条下表面与成型基板之间设置支撑，并在打印弹条前先打印所述支撑。具体地说，将优化的模型导入到切片软件中，延铺粉方向物理性能略高于垂直铺粉方向的物理性能，弹条摆放方向根据受力方向进行调整，弹条下表面与成型基板之间设置一定的距离，便于切割时保证弹条尺寸的完整性，同时，软件中将弹条与垂直方向角度小于45°的表面添加支撑，该支撑设置在弹条下表面与成型基板之间形成的距离中。打印完成后将支撑与弹条分离。

在该实施方式中，由于激光选区融化工艺是使用激光对模型每层切片的位置进行烧结，每一层都需要刮刀铺粉，因此，需要加块状支撑固定使零件成型，块状支撑按一定边长进行切割，所述块状支撑的表面设置为镂空，如在块状支撑表面添加菱形镂空，且与弹条之间使用锯齿连接，通过锯齿连接的形式，使得支撑的上表面伸入零件实体2到3个层厚，便于后期分离，且不影响弹条的外形。另外，打印过程中零件热量很高，热量只能够通过基板和周围粉末散失，散热效果不好会使零件存在较大内应力，打印完成后随着内应力的释放零件会有一定的变形，为了保证零件能够及时散热需要在块状支撑间添加实体柱状支撑，柱状支撑直径在0.3-0.8mm，间距在1-3mm，柱状支撑的上表面伸入零件2到3个层厚，柱状支撑距离块状支撑外表面也一定距离，以便于更好的散热。

如图1和2所示，在该状态下弹条侧肢端头2位置较为容易发生变形，将侧肢的块状支撑和柱状支撑的投影区域面放大1.2-2倍，使块状支撑和柱状支撑倾斜提供一定的侧向力，即块状支撑和柱状支撑的上端朝内侧倾斜，提供弹条侧肢端头2位置更好的支撑性能，避免在该处发生形变。

在本发明中，支撑添加完成后，使用30-120um层厚进行切片，支撑切片厚度与实体相同。

切片文件导入激光路径填充软件中，打印设置主体激光速率890-930mm/s，激光功率280-310w，下表面速度1500-1800mm/s，下表面功率140-160w，下表面轮廓900-1100mm/s，下表面轮廓功率130-150w，上表面速度800-1000mm/s，上表面功率130-150w。

打印前，将切片文件导入到打印机中，调整打印机的刮刀及基板位置，保证第一层铺粉厚度与切片层厚相当，完成后成型仓内进行气体填充，氧含量降低到100-300ppm以下，成型基板预热温度30-60℃，全部准备条件完成后开始打印。

弹条打印完成后，将弹条与基板分离，并去掉附属支撑，对弹条进行热处理，包括去应力，固溶以及失效处理，热处理后对弹条进行喷丸处理。

当然，去支撑、热处理、喷丸顺序也可以根据情况进行调整。

以下结合实施例对本发明进行进一步说明：

实施例1

本实施例为制造外形为W1型弹条的阻尼弹条，步骤如下：

1、根据现行W1型弹条图纸及相关指标，使用三维建模软件进行弹条三维模型的建立，截面直径14mm，加入截面直径为6mm的内腔1，如图1和2；

2、将模型导入到仿真软件ANSYS中进行力学仿真分析和模态仿真分析，根据仿真计算的结果对弹条的各参数进行优化；

3、W1型弹条打印方向如图1所示，沿Z方向，刮刀铺粉方向沿X轴方向，弹条下表面距离成型基板3mm，软件中设置与垂直方向角度小于45°的表面添加支承；

4、块状支承按边长6mm进行切割，表面添加菱形镂空，块状支承与零件相连位置使用锯齿连接锯齿宽度0.2mm，支承的上表面伸入零件实体0.1mm；

5、柱状支承直径0.5mm，间距1.5mm，支承上表面伸入零件0.1mm，柱状支承距离块状支承外表面0.2mm；

6、将侧肢的块状支承和柱状支承的投影区域面放大1.6倍。；

7、支承添加完成后，使用50um层厚进行切片；

8、切片文件导入激光路径填充软件中；

本实施例中选用主体激光速率910mm/s、激光功率290w，下表面速度1500mm/s、下表面功率150w，下表面轮廓1100mm/s、下表面轮廓功率140w，上表面速度900mm/s、上表面功率140w；

本实施例选用18NI300合金粉末作为生产材料，18NI300是马氏体时效钢，其中C含量小于0.03%，Ni含量在18%-19%，Co含量在8.9%-9.5%，Ti含量在0.5%-0.8%；

9、将切片文件导入到3D打印机中，调整打印机的刮刀及基板位置，保证第一层铺粉厚度在50μm左右，完成后成型仓内进行气体填充，氧含量降低到300ppm以下，成型基板预热温度60℃，全部准备条件完成后开始打印；

10、零件打印完成后，使用线切割将零件与基本分离，弹条的内部截面如图3，其中18NI300粉末保留在弹条内部；

11、对打印后弹条进行去应力热处理提高其机械性能，本实施例中选用热处理温度为550℃，保温6小时，取出后空冷；

12、热处理后对弹条进行喷丸处理，压力0.5MPa。

实施例2

本实施例为制造外形为W1型弹条的阻尼弹条。

与实施1的区别为：

1、在弹条三维建模时加入截面变直径的内腔1；

2、零件打印完成后，弹条的内部截面如图4，其中18NI300粉末保留在弹条内部的内腔1中。

实施例3

本实施例为制造外形为W1型弹条的阻尼弹条。

与实施1的区别为：

1、在弹条三维建模时在不同位置添加非贯通的内腔1，如图5和6。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种3D打印铁路扣件阻尼弹条，其特征在于，所述3D打印铁路扣件阻尼弹条的中部形成有内腔，所述内腔内填充有金属粉末，所述3D打印铁路扣件阻尼弹条的主体部分通过3D打印成型。

2.一种3D打印铁路扣件阻尼弹条的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括以下步骤：

1）使用建模软件建立弹条的三维模型，并根据需要在所建立的三维模型中设置内腔，将建立好的设置有内腔的三维模型导入3D打印机中；

2）使用3D打印机根据步骤1）所导入的三维模型打印出弹条成品，其中，在内腔位置不进行激光熔覆，自动形成金属粉末填充的内腔；

3）对步骤2）中所打印的弹条成品进行后处理。

3.根据权利要求1所述的3D打印铁路扣件阻尼弹条的制造方法，其特征在于，步骤1）中使用建模软件建立弹条的三维模型的方法为：先根据既有弹条或新设计弹条的受力、振动模态与响应频率使用指标要求在模型上设计相应尺寸的内腔，再结合安装空间和受力情况优化弹条尺寸参数，通过所优化的弹条尺寸参数使用建模软件建立弹条的初始结构模型。

4.根据权利要求3所述的3D打印铁路扣件阻尼弹条的制造方法，其特征在于，弹条的初始结构模型建立后使用仿真软件对初始设计弹条的初始结构模型进行验算，验算完成后再根据弹条不同位置的受力状态对相关参数进行修改以建立最终结构模型。

5.根据权利要求3或4所述的3D打印铁路扣件阻尼弹条的制造方法，其特征在于，所述相关参数包括：弹条的弹程、弹性结构圆弧半径、弹性结构圆弧长度、弹性结构圆弧宽度和内腔形状及尺寸。

6.根据权利要求1所述的3D打印铁路扣件阻尼弹条的制造方法，其特征在于，所述3D打印机为激光选区熔覆3D打印机。

7.根据权利要求1所述的3D打印铁路扣件阻尼弹条的制造方法，其特征在于，对弹条成品进行后处理的工艺依次包括：热处理和表面喷丸处理，其中，表面喷丸处理的喷丸压力为0.1-0.65Mpa。

8.根据权利要求1所述的3D打印铁路扣件阻尼弹条的制造方法，其特征在于，在步骤2）打印弹条成品过程中，使用切片软件对弹条模型进行切片，切片完成后将切片文件导入到激光路径填充软件中生成激光路径填充文件，再将填充文件导入到3D打印机中进行逐层打印；

优选地，所述切片的厚度为30-100μm。

9.根据权利要求1所述的3D打印铁路扣件阻尼弹条的制造方法，其特征在于，在打印弹条成品过程前在弹条下表面与成型基板之间设置支撑，并在打印弹条前先打印所述支撑。

10.根据权利要求9所述的3D打印铁路扣件阻尼弹条的制造方法，其特征在于，所述支撑包括块状支撑和柱状支撑，所述块状支撑的表面设置为镂空，且与弹条之间使用锯齿连接。

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