对工件的基本上呈圆柱形的表面进行激光硬化的方法技术

一种对工件的基本上呈圆柱形的表面进行激光硬化的方法，所述工件例如为轨道式火车车轮的轮盘(1)的轮辋(2)，至少以其受到磨损的车轮踏面(4)的部分宽度和/或其轮缘(5)的朝向所述车轮踏面(4)的一侧进行激光硬化，所述方法包括：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】对工件的基本上呈圆柱形的表面进行激光硬化的方法


[0001]本专利技术涉及一种对工件的基本上呈圆柱形的表面进行激光硬化的方法，所述工件例如为轨道式火车车轮的轮盘的轮辋，至少以其受到磨损的车轮踏面的部分宽度和/或其轮缘的朝向车轮踏面的一侧进行激光硬化。
[0002]本专利技术同样涉及具有可激光硬化的圆柱形表面的任意工件，如火车轮副轴的若干区段、曲轴的轴颈等。
[0003]此外，本专利技术还涉及一种用于对轨道式火车车轮的轮辋进行激光硬化的装置以及一种借助上述装置根据上述方法制造的火车车轮，所述火车车轮具有车轮踏面和用于在铁轨上对火车车轮进行导引的轮缘。

技术介绍

[0004]基于轮盘和钢轨的材料组合、材料成分和表面硬度以及环境条件，轨道车辆车轮的车轮踏面(如铁路货车和铁路机车上的轮盘)会因车轮与轨道之间的摩擦或滑动而出现或多或少较为严重的磨损。此磨损限制了车轮的使用寿命。因此，两个维护周期之间的运行时间可能会发生很大的变化，故此，就在达到规定的工作极限尺寸时或即将在达到规定的工作极限尺寸前对轮盘进行反复造型而言，可以预料到维护成本会发生大幅的波动。
[0005]为了减少上述磨损，制造具有热硬化的车轮踏面的火车车轮，借此通常会对整个轮缘进行硬化。由于轮辋区域与这种热硬化相关地存在开裂的风险，为了对硬化进行改进，根据EP 0116359，提出制造车轮踏面和/或轮缘的朝向车轮踏面的部分沿周向分段地被激光硬化的火车车轮。在此情况下，激光硬化区段的深度和延伸度可以在很大的范围内有所变化。根据已知的提议，激光硬化可以与轮辋的旋转或过度扭转一同进行。在此情况下，为了控制硬化程度，可以改变用于进行激光硬化的装置与待硬化的表面之间的距离
[0006]根据DE 10218141 Al，作为工件的激光热处理的一种变体方案，提出通过多个可单独控制的激光聚束借助这些激光聚束与工件之间的相对运动来作用于工件。
[0007]在使用至少两个这类激光聚束时，这些激光聚束例如可以在圆形轨迹上从共同的起点线开始相向运动，直至其在共同的终点线处相遇。在到达共同的终点线时，为了避免硬化轨迹发生重合，需要进行精确的运动控制，其中还可以降低两个彼此相遇的激光聚束的强度。这样就能预防在回火温度下出现局部非期望的热输入的风险。
[0008]最后，由DE 112013004368 T5已知一种对曲轴轴颈的表面进行激光硬化的方法，其中待硬化的表面区域包括至少一个热敏性较高的分区和一个热敏性较低的分区。根据该方法，激光束进行扫描，从而通过激光束的不同调制将两个表面区域加热至不同程度。在此情况下，与曲轴的其他表面区域相比，曲轴上邻接机油润滑孔的区域经受更少的热输入。

技术实现思路

[0009]有鉴于此，本专利技术的目的是实现火车车轮的轮辋的通过激光硬化而制成的表面，即使在困难的环境条件下，该表面也能够减少轮盘与铁轨之间的磨损，进而延长两个维护
周期之间的运行时间。其中，一个特别的目标在于，轮缘侧面上以及连接至车轮上的车轮踏面上的受到磨损的所有表面区域均可均匀地被加工，以便特别是可以避免在上述车轮盘圆周的范围内有所不同的磨损相关的耗损。
[0010]在此情况下，特别是应通过对激光束进行适当调制借助激光硬化轨迹的均匀硬化层深度曲线的创建来避免有害的影响变量，如轮盘与铁轨之间的可能会在列车运行过程中造成轮盘失圆的干扰性微振。
[0011]基于开篇述及的现有技术，根据本专利技术的方法包括以下步骤：
[0012]‑
借助激光源将激光光斑投射到轮盘的待加工表面上，
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通过使轮盘围绕其旋转轴进行旋转而产生所述表面与激光源之间的相对运动，
[0014]‑
在旋转运动期间，激光束相对于待加工表面进行扫描，以及
[0015]‑
根据不同的标准对激光束进行调制，例如特别是在功率和/或扫描速度和/或激光光斑大小和/或扫描图案方面进行调制。
[0016]在此情况下，必须考虑到其他影响因素，例如依据DIN EN 13262标准的轮盘材料的成分、表面状态(如粗糙度、氧化程度)、轮盘材料的均匀性、环境温度等。
[0017]根据本专利技术的方法的一种特别有利的技术方案在于，激光光斑对应于轮盘的旋转描述了形式为横向于待加工表面的窄线条形状的扫描图案并且在其整个宽度范围内延伸。这样就能以特别短的激光处理时间进行工作，以便可以通过表面热输入关于轮辋的深度实现明显的温度梯度。
[0018]通过激光光斑而产生的扫描图案的另一特别有利的技术方案在于，所述扫描图案的线条形状以其纵轴相对于轮盘的旋转轴倾斜延伸。这样就能尽可能避免竖直的微振，这些微振可能会导致轮盘于轨道之间的接触轮廓内产生更强烈的振动。确切而言，通过激光光斑的倾斜度实现均匀的硬度提升以及激光轨迹内的均匀硬度分布。
[0019]在避免上述可能导致轮盘失圆并且进而干扰轮轨接触的微振，的情况下，能够大幅延长轮盘在接连的维护周期之间的使用寿命，从而大幅削减成本。
[0020]有利的是，激光光斑的线条形状相对于垂直于轮盘的旋转轴的平面的倾斜度在30至60度的角度范围内，使得激光光斑相应倾斜地结束在待加工表面的相对的边缘处。在此情况下，为了避免近边缘处的硬度分布的不均匀性，有利的是，激光光斑的扫描图案在边缘处以倒圆的方式结束。
[0021]在本专利技术的另一技术方案中，在轮盘的至少完整的第一转后，在邻接经加工表面的起点和/或终点的重叠区内以有所降低的功率操作激光源。在此情况下有利的是，以在旋转开始时的逐渐增大的功率、在旋转结束时逐渐减小的功率在重叠区内对激光光斑进行调制。在此情况下，在每个重叠区的过渡区域内，以特别均匀的方式构造轮盘的受到磨损的、经激光处理的表面。
[0022]在一种有利的技术方案中，重叠区的宽度大约在经处理表面的轨迹宽度的1/4至1/8之间，有利地约为轨迹宽度的1/6。
[0023]在一种至少进行完整的两转(第一转针对激光硬化，第二转针对激光回火)的实施方式中，所提出的目的得以特别完美地达成，因为这样就能不受限制地实现常规轮盘材料所需的边缘硬度及其硬化层深度。
[0024]根据本专利技术的另一提议，借助适于产生>600HV的边缘硬度的激光调制来实现针对
激光硬化的完整的第一转，而后借助适于产生380至430HV之间的边缘硬度的激光调制连同重叠区来实现针对激光回火的完整的第二转(见图4所示图表)。
[0025]为了达到较长的使用寿命，本专利技术的另一技术方案在于，针对激光回火，以适于产生0.5至2.0mm之间的最大硬化层深度的方式控制激光调制(见图4所示图表)。
[0026]根据本专利技术的另一提议，对待加工表面进行机械预处理，以便在轮盘针对激光硬化的第一转之前以及/或者在轮盘针对激光回火的每个另一转之后，机械地去除位于轮辋上的氧化层。否则就有形成局部温度峰值的风险，这些温度峰值可能会致使激光功率自动调低并且产生软点(在硬化期间)或硬点(在回火期间)。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种对工件的基本上呈圆柱形的表面进行激光硬化的方法，所述工件例如为轨道式火车车轮的轮盘(1)的轮辋(2)，至少以其受到磨损的车轮踏面(4)的部分宽度和/或其轮缘(5)的朝向所述车轮踏面(4)的一侧进行激光硬化，其中所述方法包括：
‑
借助激光源将激光光斑(7)投射到所述轮盘(1)的待加工表面上，
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通过使所述轮盘(1)围绕其旋转轴进行旋转而产生所述表面与所述激光源之间的相对运动，
‑
在旋转运动期间，所述激光束相对于所述待加工表面进行扫描，以及
‑
根据不同的标准对所述激光束进行调制，例如特别是在其功率和/或扫描速度和/或激光光斑大小和/或扫描图案方面进行调制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光光斑(7)对应于所述轮盘(1)的旋转描述了形式为横向于所述待加工表面的窄线条形状的扫描图案并且在其整个宽度范围内延伸。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述扫描图案的线条形状以其纵轴相对于所述轮盘(1)的旋转轴(6)倾斜延伸。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，形成所述激光光斑(7)的线条形状的纵轴相对于垂直于所述轮盘(1)的旋转轴(6)的平面形成30至60度之间的角α，使得所述激光光斑(7)相应倾斜地结束在所述待加工表面的相对的边缘处。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述激光光斑(7)的扫描图案在边缘处以倒圆的方式结束。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述轮盘(1)的至少完整的第一转后，在邻接经加工表面的起点和/或终点的重叠区(8)内以有所降低的功率操作所述激光源。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，以在旋转开始时的逐渐增大的功率、在旋转结束时逐渐减小的功率在所述重叠区(8)内对所述激光光斑(7)进行调制。8.根据权利要求1所述的激光硬化方法，其特征在于，所述轮盘(1)进行至少完整的两转，第一转针对激光硬化，第二转针对激光回火。9.根据权利要求8所述的激光硬化方法，其特征在于，借助适于产生>600HV的边缘硬度的激光调制来实现针对激光硬化的完整的第一转，而后借助适于产生380至430...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：J，
类型：发明
国别省市：