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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Schienenprofils sowie ein Schienenprofil, das zumindest einen Kopf, einen Steg und einen Fuß aufweist.
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Üblicherweise werden Eisenbahnschienen in einem aufwändigen Walzprozess hergestellt, bei dem erwärmtes Stangenmaterial in bis zu 10 Schritten zur gewünschten Form gewalzt und abschließend einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Gegebenenfalls wird abschließend eine Kopfhärtung durchgeführt, die durch Abschrecken aus der Walzhitze in ein Härtebad oder durch induktives Aufheizen und anschließendes Pressluftkühlen des Schienenkopfes realisiert wird. Nach dem Auskühlen folgt kaltes Richten auf einer Rollenrichtmaschine. Die auf diese Weise gefertigten Bahnschienen erfüllen die hohen Anforderungen an Festigkeit, Maßhaltigkeit und Beständigkeit, die an Schienenprofile gestellt werden. Dabei werden die Bahnschienen entweder als 120 m Abschnitte gefertigt oder im Werk zu Langschienen verschweißt. Typischerweise werden jeweils vier Teilstücke von 30 m zu einer Langschiene verbunden. Üblicher ist es jedoch Walzlängen von 60 m miteinander zu verschweißen. Mittlerweile ist es möglich Walzlängen von 120 m zu fertigen und diese auf bis zu 500 m lange Strecken zu verschweißen. Ebenso können einzelne Teilstücke auf eine Länge bis hin zu 360 m verschweißt werden, die dann mittels Spezialwagen an die zu verlegende Stelle gebracht werden. Diese Art des Transportes von Langschienen spart einerseits zwar teure Schweißarbeiten am Baugleis, andererseits ist der Transport dieser Langschienen sehr aufwändig. Schienen für enge Kurvenradien, die deutlich unter 300 m liegen, können nicht vor Ort gekrümmt werden und müssen im Werk beispielsweise auf einer Dreirollenmaschine vorgebogen werden. Neben den zuvor genannten Anforderungen, werden zudem auch eine hohe Stahlqualität, eine geringe Walztoleranz und eine oberflächenfehlerfreie Verarbeitung gefordert, so dass in der Folge der Herstellungsprozess, insbesondere durch das Walzen, aufwändig und teuer ist. Zudem sind die Längen einzelner Bahnschienenteilstücke, die durch Walzen hergestellt werden, begrenzt.
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Die
RU 2 389 842 C1 offenbart ein Bahnschienenprofil, das einen Hohlraum aufweist, der mit selbsthärtendem Material, beispielsweise einer Mischung aus Wasser, Zement und Sand gefüllt ist. Mit diesem Aufbau kann Schienenmaterial eingespart werden, da ein Teil der Schiene von dem Füllmaterial ausgefüllt wird. Die Herstellung einer solchen Schiene erfolgt durch Walzen und anschließendem Pressen.
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Zudem ist aus dem Stand der Technik der
JP 03099725 A das Warmrollformen von Grobblechen zu Profilen, insbesondere zu Rohren, bekannt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches sowohl die Kosten der Herstellung von Schienen als auch die Verlegekosten reduziert und gleichzeitig die Flexibilität der Formenvielfalt eines Profils erhöht. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung ein Schienenprofil anzugeben, das günstig in der Herstellung und einfach zu verlegen ist und gleichzeitig flexibel bezüglich der Profilform ist.
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Durch eine flexible Ausgestaltung der Form eines Schienenprofils kann eine neue und verbesserte Funktionalität der Schienen, beispielsweise durch neue Schienenkonturen, erschlossen werden.
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Gemäß einer ersten Lehre der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass das Schienenprofil durch Rollformen eines Grobblechs hergestellt wird.
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Hierzu passiert ein Grobblech mehrere Formrollen, die das Blech auf die Form eines Schienenprofils umformen. Ein Schienenprofil kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einfach und schnell hergestellt werden, da es nicht mehr notwendig ist, Walzblöcke zunächst auf die gewünschte Dicke herunterzuwalzen und anschließend in einem aufwändigen Walzverfahren mit einem Profil zu versehen. Durch die Verwendung eines Grobbleches, das sich leichter formen lässt als ein Walzbarren, können die Fertigungskosten eines Schienenprofils erheblich reduziert werden. Durch den Austausch einzelner Formrollen können darüber hinaus schnell neue Schienenkonturen bereitgestellt werden. Neben einer kostengünstigen Herstellung eines Schienenprofils wird durch das erfindungsgemäße Verfahren damit auch die Flexibilität der Formenvielfalt, insbesondere der Schienenkonturen, erhöht.
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In bevorzugter Weise wird das Grobblech von einem Coil abgewickelt und kontinuierlich rollgeformt. Dies hat zum einen den Vorteil, dass der Lageraufwand erheblich verringert wird, da es nicht mehr notwendig ist, Walzblöcke, die eine Länge zwischen 30 m und 60 m aufweisen, zu lagern. Zum anderen wird durch die kontinuierliche Herstellung eines Schienenprofils die Beschränkung auf Schienenteile einer bestimmten Länge aufgehoben. Eine Ablängung der Schienen kann in unterschiedlichen Längen je nach Anwendung erfolgen. Insbesondere können auch größere Längen als bisher produziert werden.
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Besonders bevorzugt wird das Schienenprofil warmrollgeformt, wobei vorzugsweise die Rollformtemperatur des Grobblechs vor dem Rollformen mindestens der Gefügeumwandlungstemperatur AC1 des Schienenprofils entspricht. Durch die Erwärmung des Grobblechs vor dem Rollformen können das Umformverhalten des Grobblechs insbesondere bei höheren Dickenabmessungen weiter verbessert und damit verbunden die Umformkräfte reduziert werden. Dieser Effekt tritt besonders deutlich auf, wenn die Temperatur des Grobblechs mindestens der Gefügeumwandlungstemperatur entspricht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Formrollen gekühlt. Auf diese Weise kann das erwärmte Grobblech bereits während des Rollformens abgekühlt werden.
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Alternativ kann das erwärmte Grobblech nach dem Umformen bzw. nach einem optionalen Kalibrierschritt gezielt abgekühlt werden, um beispielsweise Einfluss auf die Gefügestruktur zu nehmen. Beispielsweise kann Wasser oder ein anderes geeignetes Kühl-/Vergütungsmedium mittels Sprühen oder Tauchen verwendet werden.
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Nach dem Rollformen werden die Bereiche der Schiene, an denen eine Materialdopplung vorliegt, zumindest bereichsweise gefügt. Hierdurch kann die Steifigkeit des Schienenprofils weiter verbessert werden.
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Dieser Fügeprozess kann durch Schweißen, vorzugsweise durch Rollnaht-, Quetschnaht- oder induktives Schweißen, erfolgen. Auch jede weitere gängige Fügemethode ist für die Verbindung des Grobblechs denkbar.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform können auch Leichtbauschienen, die im Kopfbereich einen Hohlraum besitzen, der Inline mit einer Dämpfungsmasse gefüllt werden kann, erzeugt werden. Hierzu wird beim Rollformen mindestens ein Hohlraum in dem Schienenprofil erzeugt, der optional mit einem Dämpfungsmaterial, vorzugsweise mit einem schaumartigen Dämpfungsmaterial, zumindest teilweise gefüllt wird. Durch diese Ausführungsform können zum einen Materialkosten reduziert werden, da weniger Schienenmaterial für die Herstellung benötigt wird. Zum anderen kann aber auch eine Gewichtsersparnis erreicht werden, die insbesondere Vorteile beim Transport und bei der Verlegung der Schienen mit sich bringt. Darüber hinaus kann durch die Füllung der Hohlräume eine effektive Schall- und Schwingungsdämpfung erreicht werden, was eine Reduzierung der Abrollgeräusche der Waggonräder zur Folge hat.
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Zur Verminderung der Eigenspannung und zur Verbesserung der Oberflächenqualität, der Maßhaltigkeit und/oder der Härte können außerdem ergänzende Maßnahmen vorgesehen sein.
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Beispielsweise kann das Schienenprofil nachträglich induktiv erwärmt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann eine Härtung am Kopf des Schienenprofils und/oder an dem ganzen Schienenprofil durchgeführt werden, Hierdurch kann die Verschleißfestigkeit des Schienenkopfes und/oder des gesamten Schienenprofils weiter verbessert werden.
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Zudem ist es auch denkbar eine kalte oder warme Nachkalibrierung durchzuführen.
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Zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Schienenprofils ist es vorteilhaft, wenn das Grobblech eine Dicke zwischen 5 und 25 mm, vorzugsweise eine Dicke zwischen 10 und 20 mm, aufweist. Ein Schienenprofil, das aus einem diese Dicke aufweisenden Grobblech hergestellt wird, erfüllt alle eingangs genannten Anforderungen an ein Schienenprofil.
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Aufgrund der Anwendung von Grobblech ergibt sich hinsichtlich des zu verwendenden Werkstoffes ein breites Spektrum. In bevorzugter Weise besteht das Grobblech aus Stahl, einem Mangan-Bor-Stahl, aus einem Stahlverbundwerkstoff, insbesondere TriBond, oder einer Stahl-Sandwichstruktur. Daneben ist aber auch der Einsatz anderer geeigneter Materialien denkbar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann beim Rollformen eine Vertiefung auf der Unterseite des Schienenprofils erzeugt werden, welche optional mit einem Dämpfungsmaterial, vorzugsweise mit einem schaumartigen Dämpfungsmaterial, zumindest teilweise gefüllt wird.
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Ist eine Krümmung der Schienen gewünscht, so kann diese in der Fertigungsreihe mittels eines 3-Rollen-Systems erzeugt werden.
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Gemäß einer zweiten Lehre der Erfindung wird das eingangs genannte Problem durch ein Schienenprofil, das zumindest einen Kopf, einen Steg und einen Fuß aufweist, dadurch gelöst, dass das Schienenprofil aus einem rollgeformten Grobblech hergestellt ist.
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Im Gegensatz zu den im Stand der Technik beschriebenen gewalzten Schienenprofilen kann ein Schienenprofil, das aus einem rollgeformten Grobblech hergestellt ist, besonders einfach und schnell hergestellt werden. Erfindungsgemäß ist es nicht mehr notwendig Walzblöcke zunächst auf die gewünschte Dicke herunterzuwalzen und anschließend in einem aufwändigen Walzverfahren mit einem Profil zu versehen. Durch die Verwendung eines Grobbleches, das sich leichter formen lässt als ein Walzbarren, können folglich die Fertigungskosten eines Schienenprofils erheblich reduziert werden.
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In bevorzugter Weise weist das Schienenprofil mindestens einen Hohlraum auf, wobei der mindestens eine Hohlraum im Kopfbereich des Profils mit einem Dämpfungsmaterial, vorzugsweise mit einem schaumartigen Dämpfungsmaterial, zumindest teilweise gefüllt ist. Hierdurch können zum einen Materialkosten reduziert werden, da weniger Schienenmaterial für die Herstellung benötigt wird. Zum anderen kann aber auch eine Gewichtsersparnis erreicht werden, die insbesondere Vorteile beim Transport und bei der Verlegung der Schienen mit sich bringt. Darüber hinaus kann durch die Füllung der Hohlräume eine effektive Schall- und Schwingungsdämpfung erreicht werden, was eine Reduzierung der Abrollgeräusche der Waggonräder zur Folge hat.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist mindestens eine an der Unterseite des Schienenprofils verlaufende Vertiefung mit einem Dämpfungsmaterial zumindest teilweise gefüllt, optional mit einem schaumartigen Dämpfungsmaterial.
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Vorzugsweise weist das Schienenprofil wenigstens an den Stellen, an denen eine Materialdopplung vorliegt, zumindest bereichsweise Fügenähte auf. Hierdurch kann die Steifigkeit des Schienenprofils weiter verbessert werden.
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Der Fügeprozess kann durch Schweißen, vorzugsweise durch Rollnaht-, Quetschnaht- oder induktives Schweißen, erfolgen. Denkbar ist jedoch auch jede andere geeignete Fügemethode für diese Zwecke einzusetzen.
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Ein erfindungsgemäßes Schienenprofil wird bevorzugt aus einem Grobblech mit einer Dicke zwischen 5 und 25 mm, vorzugsweise einer Dicke zwischen 10 und 20 mm, hergestellt. Ein Schienenprofil, das aus einem diese Dicke aufweisenden Grobblech hergestellt wird, erfüllt alle eingangs genannten Anforderungen an ein Schienenprofil.
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In bevorzugter Weise besteht das Grobblech aus Stahl, einem Mangan-Bor-Stahl, aus einem Stahlverbundwerkstoff, insbesondere TriBond, oder einer Stahl-Sandwichstruktur. Daneben ist aber auch der Einsatz anderer geeigneter Materialien denkbar.
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Besonders bevorzugt ist das Schienenprofil am Kopf und/oder an dem ganzen Schienenprofil gehärtet. Hierdurch weist der Schienenkopf und/oder das gesamte Schienenprofil eine höhere Verschleißfestigkeit auf.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, wobei auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird.
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In der Zeichnung zeigen
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1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Herstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schienenprofils in schematischer Ansicht,
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2a)–c) Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiel der Herstellung eines erfindungsgemäßen Schienenprofils in schematischer Ansicht, und
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3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schienenprofils in schematischer Ansicht.
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1 zeigt schematisch eine Vorrichtung, die die einzelnen Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schienenprofils 2 durchführt. Das Grobblech 4 wird von einem Coil 6 abgewickelt. Auf diese Weise kann das Verfahren kontinuierlich durchgeführt werden. Es können darüber hinaus Schienenprofile mit unterschiedlichen Längen auf einfache Weise hergestellt werden. In einem nächsten Verfahrensschritt 8 wird das Grobblech 4 auf die Rollformtemperatur aufgeheizt, wobei vorzugsweise die Rollformtemperatur des Grobblechs 4 vor dem Rollformen mindestens der Gefügeumwandlungstemperatur AC1 des Schienenprofils entspricht. Durch die Erwärmung des Grobblechs 4 vor dem Rollformen können das Umformverhalten des Grobblechs 4 weiter verbessert und die Umformkräfte reduziert werden. Nach dem Aufheizen wird das warme Grobblech 4 in einem nächsten Verfahrensschritt 10 rollgeformt. Optional sind die Formrollen 12 gekühlt. Die Formrollen 12 sind dabei so angeordnet, dass sie das Grobblech 4 zu einem erfindungsgemäßen Schienenprofil 2 formen.
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Nach dem Rollformen wird das geformte Grobblech 4 in einem nächsten Verfahrensschritt 14 an den Stellen, an denen Materialdopplung vorliegt gefügt. Der Fügeprozess kann durch Schweißen, vorzugsweise durch Rollnaht- Quetschnaht- oder induktives Schweißen erfolgen.
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In einem nächsten Verfahrensschritt 16 erfolgt eine nachträgliche Wärmebehandlung zur Einstellung der erforderlichen Eigenschaften des Schienenprofils 2. Hierzu kann das Schienenprofil 2 induktiv erwärmt werden oder es kann eine Härtung am Kopf 18 und/oder an dem ganzen Schienenprofil durchgeführt werden oder es kann eine kalte oder warme Nachkalibrierung durchgeführt werden. Um Einfluss auf die Gefügestruktur zu nehmen, kann bei Bedarf eine gezielte Abkühlung durchgeführt werden. Schließlich wird das Schienenprofil 2 in einem letzten Verfahrensschritt 20 in unterschiedlichen Längen abgelängt.
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2 zeigt schematisch einzelne Schritte der Formung des Schienenprofils 2 durch Rollformen des Grobblechs 4. Wie in 2a) zu sehen ist, sind die Formrollen 12 derart angeordnet, dass ein Hohlraum 22 erzeugt wird, in den optional ein Dämpfungsmaterial 24 eingebracht wird. Vorzugsweise ist das Dämpfungsmaterial 24 ein schaumartiges Dämpfungsmaterial. Als Dämpfungsmaterial kommt beispielsweise ein schaumartiger Kunststoff in Betracht. Denkbar sind aber auch andere Dämpfungseigenschaften aufweisende Stoffe. Durch die Verwendung des Dämpfungsmaterials 24 kann eine zusätzliche Versteifung bei Gewichtsreduzierung des Schienenprofils gegenüber einem Vollmaterial erreicht werden. Gleichzeitig wird eine hohe Geräuschdämpfung mit dem entsprechenden Schienenprofil erreicht. In den Verfahrensschritten, die in den 2(b) und 2(c) dargestellt sind, wird der Kopf 18 durch die Anordnung von Formrollen 12, deren Abstand sich reduziert, vollständig verschlossen. Hierdurch wird gleichzeitig der Steg 26 des Schienenprofils 2 ausgebildet. Zudem sind die Formrollen 12 derart angeordnet, dass eine Vertiefung 28 auf der Unterseite des Schienenprofils 2 erzeugt wird. Diese Vertiefung 28 kann optional mit einem Dämpfungsmaterial 32 gefüllt werden.
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3 zeigt in schematischer Ansicht ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schienenprofils 2. Das Profil 2 weist einen Kopf 18, einen Steg 26 und einen Fuß 30 auf und ist aus einem rollgeformten Grobblech 4 hergestellt. Im Kopfbereich weist das Schienenprofil 2 einen Hohlraum 22 auf, der mit einem Dämpfungsmaterial 24 zumindest teilweise gefüllt ist. Bevorzugt ist das Dämpfungsmaterial ein schaumartiges Dämpfungsmaterial. Durch die Verwendung des Füllmaterials kann das Gewicht des Schienenprofils reduziert werden.
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An der Unterseite weist das Schienenprofil 2 eine Vertiefung 28 auf, die mit einem Dämpfungsmaterial 32, bevorzugt mit einem schaumartigen Dämpfungsmaterial, zumindest teilweise gefüllt ist.
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An den Stellen, an denen eine Materialdopplung vorliegt, weist das Schienenprofil 2 Fügenähte 34 auf. Der Fügeprozess kann durch Schweißen, vorzugsweise durch Rollnaht-, Quetschnaht- oder induktives Schweißen erfolgen.
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Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schienenprofils kann besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden und ist auch einfach zu verlegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- RU 2389842 C1 [0003]
- JP 03099725 A [0004]
