本發(fā)明涉及一種提高機車車輪耐磨性的超聲加工方法及應用，屬于超聲金屬表面加工的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

眾所周知，鐵路運輸是基于輪軌相互作用產(chǎn)生的黏著牽引力和黏著制動力以實現(xiàn)列車運行的，輪軌間因摩擦磨損在鐵路運輸中消耗的能量和能源很多，耗資也很大。隨著鐵路運輸向高速、重載發(fā)展，因摩擦磨損所致的事故風險也在增加。輪軌接觸面形成的各種損傷，不但縮短了輪軌的使用壽命，在嚴重磨損后還會導致輪對和鋼軌失效，危及行車安全。

車輪是鐵路機車車輛的重要走行部件。在列車運行中，車輪滾動會使車輪踏面和輪緣發(fā)生磨耗，而車輪在鋼軌上滑動也會造成踏面損傷。據(jù)失效分析統(tǒng)計，鐵道機車車輛車輪損傷的主要類型有輪緣磨耗、輪輞疲勞裂紋、熱損傷、車輪踏面剝離和崩裂等。

輪緣是車輪上的重要組成部分，使車輪能可靠地通過曲線和道岔，對列車行駛的安全性及穩(wěn)定性具有重要作用，輪緣的異常磨耗往往會使正常的輪軌關(guān)系發(fā)生改變，降低車輛動力性能和乘車舒適度。

火車在經(jīng)過曲線和道岔時，鋼軌對輪對的作用力一部分在車輪的踏面處，另一部分作用于輪對的輪緣部，此時，輪緣部的磨損最快。機車輪對的鏇修依據(jù)，是通過檢測輪緣的厚度來判斷，當輪緣的厚度減小到一個確定值時，就需要對輪對進行鏇修，否則會影響列車的運行安全。

機車輪對鏇修加工現(xiàn)采用的加工方式為數(shù)控車削，即當輪對輪緣厚度減小到一定值時，通過數(shù)控車削，將車輪直徑減小，使車削后的輪緣厚度恢復到要求的數(shù)值。經(jīng)過車削后，不再進行其它的表面處理。經(jīng)車削后的輪緣部表面粗糙度值一般在Ra值6.3左右。經(jīng)車削后的輪緣表面處于拉應力狀態(tài)，拉應力的存在使得輪對初期磨損非?？欤瑥亩馆唽Φ氖褂脡勖蟠蠼档?。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種提高機車車輪耐磨性的超聲加工方法。

本發(fā)明還提供上述加工方法的應用。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種提高機車車輪耐磨性的超聲加工方法，包括：對機車車輪的輪緣和踏面進行超聲加工，即利用超聲加工工具頭對沿主軸旋轉(zhuǎn)的輪緣和踏面的表面進行超聲加工。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述機車車輪是新出廠的機車車輪或是磨損后的機車車輪。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，當所述機車車輪是磨損后的機車車輪時，對經(jīng)半精加工后的機車車輪的輪緣和踏面進行超聲加工。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，對機車車輪的輪緣和踏面進行車削半精加工，即使所述輪緣和踏面的表面粗糙度為3.2-10μm。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述超聲加工的參數(shù)為：主軸的轉(zhuǎn)速為5-45r/min；進給量為0.03-0.2mm/r；超聲加工工具頭對待加工表面的壓力為300-3000N。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述超聲加工的參數(shù)為：主軸的轉(zhuǎn)速為19r/min；進給量為0.1mm/r；超聲加工工具頭對待加工表面的壓力為1200N。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，利用超聲加工工具頭對沿主軸旋轉(zhuǎn)的輪緣和踏面的表面進行超聲加工，所述超聲加工的往返次數(shù)為1-3次。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，利用超聲加工工具頭對沿主軸旋轉(zhuǎn)的輪緣和踏面的表面進行超聲加工，所述超聲加工的振幅為5-25μm。

一種利用如上述超聲加工方法以提高機車車輪耐磨性的應用：

針對機車車輪對應存在磨損的區(qū)域進行超聲加工，所述超聲加工的參數(shù)為：主軸的轉(zhuǎn)速為5-45r/min；進給量為0.03-0.2mm/r；超聲加工工具頭對待加工表面的壓力為300-3000N。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在所述磨損的區(qū)域進行超聲加工之前，對其進行車削半精加工，即使其的表面粗糙度為3.2-10μm。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述超聲加工的參數(shù)為：主軸的轉(zhuǎn)速為19r/min；進給量為0.1mm/r；超聲加工工具頭對待加工表面的壓力為1200N。

本發(fā)明的優(yōu)勢在于：

本發(fā)明所述的超聲加工方法能夠解決目前機車車輛輪軌摩擦磨損嚴重、修理費用高的現(xiàn)象。本發(fā)明所述的超聲加工方法不但可以對剛出廠的機車車輪進行加工，還能對磨損后的機車車輪進行修復加工，其中，采用超聲加工方法對機車車輪輪緣和踏面部進行表面加工后，會使輪緣和踏面的金屬表面的拉應力變成壓應力，輪緣和踏面部表面粗糙度值會大大降低的同時，在其表面預置理想的壓應力，其表面的硬度得到了提高，晶粒得到了細化，耐磨性大幅提高，改善了輪軌接觸關(guān)系，減小輪對的滾動接觸疲勞損傷。減小車輪的磨耗速率，延長車輪的鏇修周期以及使用壽命。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述利用超聲加工方法對機車車輪的加工示意圖；

圖2是機車車輪上待超聲加工的區(qū)域示意圖，其中虛線部分為待加工區(qū)域；

圖3a、圖3b、圖3c、圖3d、圖3e、為本發(fā)明實施例4中，通過改變超聲加工壓力對輪緣和踏面超聲加工后，所述輪緣和踏面表面金相圖；

在圖1和圖2中，1、超聲加工工具頭；2、輪緣；3、踏面；4、虛線是指利用超聲加工的區(qū)域。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和說明書附圖對本發(fā)明做詳細的說明，但不限于此。

如圖1-2所示。

實施例1、

一種提高機車車輪耐磨性的超聲加工方法，包括：對機車車輪的輪緣2和踏面3進行超聲加工，即利用超聲加工工具頭1對沿主軸旋轉(zhuǎn)的輪緣2和踏面3的表面進行超聲加工。所述機車車輪是新出廠的機車車輪。

實施例2、

如實施例1所述的一種提高機車車輪耐磨性的超聲加工方法，其區(qū)別在于，所述超聲加工的參數(shù)為：主軸的轉(zhuǎn)速為5-45r/min；進給量為0.03-0.2mm/r；超聲加工工具頭對待加工表面的壓力為300-3000N。

實施例3、

如實施例1所述的一種提高機車車輪耐磨性的超聲加工方法，其區(qū)別在于，所述機車車輪是磨損后的機車車輪。

當所述機車車輪是磨損后的機車車輪時，對經(jīng)半精加工后的機車車輪的輪緣2和踏面3進行超聲加工。

對機車車輪的輪緣2和踏面3進行車削半精加工，即使所述輪緣2和踏面3的表面粗糙度為3.2-10μm。

實施例4、

如實施例2、3所述的一種提高機車車輪耐磨性的超聲加工方法，其區(qū)別在于，所述超聲加工的參數(shù)為：主軸的轉(zhuǎn)速為19r/min；進給量為0.1mm/r；超聲加工工具頭1對待加工表面的壓力為1200N。

如本實施例，改變超聲加工工具頭對待加工表面的壓力分別為：100N、300N、1200N、3000N、3500N，經(jīng)加工后所述車輪輪緣和踏面的殘余應力均值如下：

其中圖3a為超聲加工工具頭對待加工表面的壓力為100N時，所加工出的輪緣2和踏面3表面的金相圖；

其中圖3b為超聲加工工具頭對待加工表面的壓力為300N時，所加工出的輪緣和踏面表面的金相圖；

其中圖3c為超聲加工工具頭對待加工表面的壓力為1200N時，所加工出的輪緣和踏面表面的金相圖；

其中圖3d為超聲加工工具頭對待加工表面的壓力為3000N時，所加工出的輪緣和踏面表面的金相圖；

其中圖3e為超聲加工工具頭對待加工表面的壓力為3500N時，所加工出的輪緣和踏面表面的金相圖。

實施例5、

如實施例2、3所述的一種提高機車車輪耐磨性的超聲加工方法，其區(qū)別在于，利用超聲加工工具頭1對沿主軸旋轉(zhuǎn)的輪緣2和踏面3的表面進行超聲加工，所述超聲加工的往返次數(shù)為1-3次。

實施例6、

如實施例2、3所述的一種提高機車車輪耐磨性的超聲加工方法，其區(qū)別在于，利用超聲加工工具頭1對沿主軸旋轉(zhuǎn)的輪緣2和踏面3的表面進行超聲加工，所述超聲加工的振幅為5-25μm。

實施例7、

一種利用如實施例1-6所述超聲加工方法以提高機車車輪耐磨性的應用：

針對機車車輪對應存在磨損的區(qū)域進行超聲加工，所述超聲加工的參數(shù)為：主軸的轉(zhuǎn)速為5-45r/min；進給量為0.03-0.2mm/r；超聲加工工具頭對待加工表面的壓力為300-3000N。

實施例8、

一種利用如實施例7所述提高機車車輪耐磨性的應用，其區(qū)別在于，在所述磨損的區(qū)域進行超聲加工之前，對其進行車削半精加工，即使其的表面粗糙度為3.2-10μm。

實施例9、

一種利用如實施例7所述提高機車車輪耐磨性的應用，其區(qū)別在于，所述超聲加工的參數(shù)為：主軸的轉(zhuǎn)速為19r/min；進給量為0.1mm/r；超聲加工工具頭1對待加工表面的壓力為1200N。

試驗對比例：

對實施例3和實施例4中加工后的機車車輪進行試驗對比如下：

在機車車輪的表面進行超聲加工的過程中，影響加工效果的因素有主軸轉(zhuǎn)速、進給量和壓力，本試驗將上述三個因素作為試驗因素，分別記作A(對應主軸轉(zhuǎn)速)、B(對應進給量)和C(對應壓力)。本試驗對比例中確定各因素分別取三個水平，即：

A(對應主軸轉(zhuǎn)速)對應的三個標準包括：A1＝5r/min；A2＝19r/min；A3＝45r/min；

B(對應進給量)對應的三個標準包括：B1＝0.03mm/r；B2＝0.1mm/r；B3＝0.2mm/r；

C(對應壓力)對應的三個標準包括：C1＝300N；C2＝1200N；C3＝3000N。

表1：超聲加工應用于機車車輪表面耐磨性能試驗參數(shù)

由表1的試驗數(shù)據(jù)可知，當A(對應主軸轉(zhuǎn)速)對應A2＝19r/min、B(對應進給量)對 應B2＝0.1mm/r、C(對應壓力)對應C2＝1200N時，得到最佳的表面粗糙度、硬度、硬度提高均是最高。

下面再結(jié)合正交試驗對上述數(shù)據(jù)進行分析，以驗證是否也是當A(對應主軸轉(zhuǎn)速)對應A2＝19r/min、B(對應進給量)對應B2＝0.1mm/r、C(對應壓力)對應C2＝1200N時，得到最佳的表面粗糙度、硬度、硬度提高均是最高。

正交試驗數(shù)據(jù)分析：

A1＝5r/min；A2＝19r/min；A3＝45r/min；

B(對應進給量)對應的三個標準包括：B1＝0.03mm/r；B2＝0.1mm/r；B3＝0.2mm/r；

C(對應壓力)對應的三個標準包括：C1＝300N；C2＝1200N；C3＝3000N。

表2：三個試驗因素水平表

按照正交試驗數(shù)據(jù)方法，可以選用L₉(3⁴)或L₂₇(3¹³)；因本試驗僅考察三個因素對機車車輪表面加工效果的影響，不考察因素間的交互作用，故選用L₉(3⁴)正交表。

在L₉(3⁴)正交表中填入各因素的水平值，便形成了正交試驗方案(表3)：

表3：正交試驗方案

從表3中直觀可以看出，主軸轉(zhuǎn)速為19r/min，進給量為0.1mm/r，壓力為1200N時鋼軌與車輪的總磨損率最小，其水平組合為A₂B₂C₂。

對試驗的結(jié)果進行分析

1.從滑動磨損的總磨損率進行分析，表4

對于因素A主軸轉(zhuǎn)速來說，可以看出k₁＞k₃＞k₂。由于結(jié)果指標為磨損率，期望得到磨損率的最小值，所以可以判斷A₂為A因素的優(yōu)水平。

同理可以得到因素B和因素C的優(yōu)水平分別為B₂和C₂。因此優(yōu)組合為A₂B₂C₂。另外從極差R的大小可以看出，在三個實驗因素中，因素B進給量對滑動磨損率的影響最大。

2.從滾動磨損的總磨損率進行分析，表5

對于因素A主軸轉(zhuǎn)速來說，可以看出k₁＞k₃＞k₂。由于結(jié)果指標為磨損率，期望得到磨損率的最小值，所以可以判斷A₂為A因素的優(yōu)水平。

同理可以得到因素B和因素C的優(yōu)水平分別為B₂和C₂。因此優(yōu)組合為A₂B₂C₂。另外從極差R的大小可以看出，在三個實驗因素中，因素B進給量對滾動磨損率的影響最大。

由滑動磨損率的分析結(jié)果及滾動磨損率的結(jié)果可知，優(yōu)組合均為A₂B₂C₂，因此選取A₂B₂C₂對應的參數(shù)加工的工件進行摩擦磨損試驗。試驗結(jié)果表明，經(jīng)表面處理后，在滾動磨損和滑動磨損試驗中車輪試樣的耐磨性均提高了50％以上，同時，經(jīng)表面處理后的車輪對鋼軌試樣的磨損率也明顯降低。