Способ формирования профиля головки рельсов

Способ относится к области металлообрабатывающей промышленности и предназначен для формирования профиля головки рельсов лазерным лучом. Лазерный луч располагают под углом относительно оси симметрии рельса, под углом к направлению подачи и под углом к оси вращения луча. Осуществляют формообразование профиля головки рельса вогнутой производящей линией, которая образуется при вращении лазерного луча относительно заданной оси вращения. При этом лазерное излучение подают импульсами, длительность которых зависит от угла контакта лазерного луча с обрабатываемым материалом и скорости вращения лазерного луча. 6 ил.

 

Изобретение относится к области металлообрабатывающей промышленности.

Известны способы формирования рабочего профиля головки рельсов шлифованием, строганием, фрезерованием [1].

Способ фрезерования дисковыми профильными фрезами, оснащенными сменными многогранными пластинами (СМП) (В23С 3/00 - RU 2001100690/02 C2, 2001), включает фрезерование поверхности катания рельса и одной или двух радиусных поверхностей, сопряженных с боковыми гранями головки. При попутном фрезеровании обрабатывают фрезой одновременно поверхность катания и одну или обе радиусные поверхности, сопряженные с боковыми гранями головки. Предварительно одной фрезой может обрабатываться радиусная поверхность головки рельса со стороны бывшей нерабочей грани.

При этом используют дисковые профильные фрезы (В23С 5/14 - RU 2001107733/02 C1, 2001). Фреза содержит зубья из отдельных режущих пластин (СМП), установленных в гнездах, выполненных в корпусе, причем режущие пластины развернуты относительно друг друга по плоскостям их контакта с обеспечением равенства задних углов резания в середине каждой режущей пластины.

Недостатками данного способа являются сложность изготовления инструмента, низкая стойкость инструмента, обусловленная высокой твердостью обрабатываемого материала, низкое качество обработанной поверхности из-за вибраций, присущих способам с дискретным снятием припуска.

Известен способ для шлифования рельсов и устройство для его осуществления (№2272858, RU МПК Е01В 31/13).

Недостатком способа является низкая производительность, а для правки профильного абразивного круга требуется использование специального профильного бруска, который необходимо изготавливать для каждого профиля рельса.

Известен способ для шлифования рельсов [2], при котором рельсошлифовальным поездом формируется профиль головки рельсов.

Недостатком способа является низкое качество обработанной поверхности, так как в этом способе используют не профильные абразивные круги, вследствие чего профиль головки рельса аппроксимируют дискретными прямолинейными участками, вершины которых при эксплуатации являются концентраторами напряжений, снижающими срок службы рельсов.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение качества обработанной поверхности, формирование требуемых физико-механических свойств поверхностного слоя, снижение затрат процесса обработки.

Технический результат достигается тем, что в качестве инструмента используют импульсный лазерный луч, который располагают под углом относительно оси симметрии рельса, под углом к направлению подачи и под углом к оси вращения луча, после чего осуществляют формообразование профиля головки рельса вогнутой производящей линией, которую получают при перемещении импульсного лазерного луча относительно заданной оси вращения. В каждой точке профиля головки рельса импульсный лазерный луч лежит в плоскости, касательной к профилю в этой точке. Удаление припуска производится дискретно и при перемещении рельса заданный профиль формируют на всей головке рельса. При этом лазерное излучение подается импульсами, длительность которых зависит от угла контакта лазерного луча с обрабатываемым материалом и скорости вращения лазерного луча.

В частном случае, если обрабатываемый участок профиля головки рельса задан гиперболической кривой, то траектория перемещения импульсного лазерного луча есть дуга окружности радиуса R1 (Фиг.2), в остальных случаях траектория перемещения импульсного лазерного луча определяется прямыми касательными в каждой точке обрабатываемого профиля.

Параметры излучения назначают таким образом, чтобы при термическом воздействии на поверхность головки рельса получать требуемые физико-механические свойства поверхностного слоя при заданном качестве обработанной поверхности и максимальной производительности. Для этого в зону обработки могут быть дополнительно введены различные вещества (например, кислород).

Отсутствие механического взаимодействия между рельсом и инструментом (импульсным лазерным лучом) позволяет избежать явления технологической наследственности, а следовательно, повысить качество получаемой поверхности. Затраты на обработку лазерным лучом существенно ниже, чем при фрезеровании и шлифовании.

Способ поясняется чертежами: на Фиг.1 изображена схема установки импульсного лазерного луча под углом к оси его вращения, на Фиг.2 изображена схема установки импульсного лазерного луча на требуемом расстоянии от оси вращения, на Фиг.3 изображена схема установки импульсного лазерного луча под углом к оси симметрии рельса, на Фиг.4 изображена схема установки импульсного лазерного луча под углом к направлению подачи, на Фиг.5 изображена схема обработки головки рельса, на Фиг.6 изображена схема формирования полного профиля головки рельса двумя импульсными лазерными лучами.

Практическую реализацию способа осуществляют следующим образом.

Импульсный лазерный луч устанавливают под углом α к оси его вращения на заданном расстоянии от лазерной головки L и на минимальном расстоянии R2 от обработанной поверхности головки рельса. Ось вращения устанавливают под углом β к оси симметрии рельса и под углом γ к направлению подачи. Затем, при вращении импульсного лазерного луча вокруг оси с частотой n, происходит формирование заданного профиля головки рельса вдоль линии контакта от начальной точки до конечной. При этом луч, перемещаясь из положения 1 в положение 2, образует угол контакта σ.

При этом используют импульсную подачу энергии. Импульс подают таким образом, что он действует при вращении лазерного луча только на дуге окружности, ограниченной суммарным углом контакта σ_Σ.

σ_Σ=σ+σ₁+σ₂,

где σ - угол контакта луча с обрабатываемой поверхностью,

σ₁ - угол врезания,

σ₂ - угол перебега.

Длительность импульса τ определяют по формуле:

,

где n - частота вращения луча, мин^-1.

Расположение импульсного лазерного луча под углом β относительно оси симметрии рельса и под углом γ к направлению подачи необходимо для формирования профиля головки рельсов с различными геометрическими параметрами.

Необходимый угол наклона импульсного лазерного луча относительно оси вращения α определяют по формуле:

,

где R₂, R₃ - радиусы производящей поверхности, формируемой импульсным лазерным лучом, в соответствующих точках кривой профиля головки рельса, мм;

x₃ - координата по оси Х соответствующей точки кривой профиля головки рельса, мм.

При этом знак угла α не влияет на геометрические параметры получаемого профиля головки рельса.

Траектория перемещения импульсного лазерного луча на участке суммарного угла контакта может быть дугой окружности радиуса R1, в этом случае получают участок профиля головки рельса в виде гиперболической кривой. При необходимости формирования участков профиля головки рельсов, представленных отрезком прямой, дугой окружности или другой кривой, а также их совокупностью, траектория перемещения луча в плоскости А перпендикулярной оси его вращения будет представлять собой кривую, через которую проходят все прямые, касательные к получаемому профилю головки рельса.

При встречной обработке, когда вращение луча осуществляют навстречу подаче рельса, в начальной точке контакта происходит контакт луча с обработанной поверхностью. При попутной обработке, когда вращение луча осуществляют в одном направлении с подачей рельса, в начальной точке контакта происходит контакт луча с необработанной поверхностью.

Для формирования полного профиля головки рельса от правой боковой поверхности до левой боковой поверхности без переустановки используют два импульсных лазерных луча, которые располагают слева и справа относительно оси симметрии рельса.

Для формирования специальных профилей рельса используют два или более импульсных лазерных луча, которые располагают под соответствующими углами относительно оси симметрии рельса, и каждый из которых формирует часть заданного профиля головки рельса.

Литература

1. Мелентьев Л.П., Порошин В.П., Фадеев С.И. Содержание и ремонт рельсов. М.: Транспорт 1977. 160 с.

2. Альбрехт В.Г. Профильная обработка рельсов шлифовальными поездами с активными рабочими органами. В.Г.Альбрехт, Крысанов Л.Г., Абдурашитов А.Ю., Шмига Ю.Н.; М.: ТЕХИНВЕСТ, 1999.

Способ формирования профиля головки рельсов, включающий поступательное перемещение рельса и обработку поверхности головки рельса инструментом для обработки, отличающийся тем, что в качестве инструмента для обработки используют импульсный лазерный луч, который ориентируют под углом относительно направления подачи рельса, под углом к оси симметрии рельса и под углом к оси вращения луча, после чего осуществляют формообразование профиля головки рельса лазерным лучом, который перемещают вокруг оси его вращения для последовательного дискретного удаления припуска с обрабатываемой поверхности головки, при этом в каждой точке профиля головки рельса лазерный луч располагают в плоскости, касательной к профилю головки в этой точке, при этом длительность импульса формообразующего лазерного излучения τ определяют по формуле:

где σ_Σ=σ+σ₁+σ₂ - суммарный угол взаимодействия луча с обрабатываемой поверхностью, причем σ - угол взаимодействия луча с обрабатываемой поверхностью, σ₁ - угол врезания, σ₂ - угол перебега, a n - частота вращения лазерного луча.