CN114082987A - 用于增材制造高锰钢辙叉与铁路用钢轨梯度结构设计方法 - Google Patents

用于增材制造高锰钢辙叉与铁路用钢轨梯度结构设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于增材制造高锰钢辙叉与铁路用钢轨梯度结构设计方法，属于辙叉制造技术领域，包括S1：通过Solidworks软件建立辙叉与铁路用钢轨梯度结构的三维数据模型；S2：将优化后的辙叉与铁路用钢轨梯度结构三维数据模型导入Materialise Magics软件进行切片；S3：转化辙叉与铁路用钢轨梯度结构切片模型文件的格式；S4：设置打印设备参数并打印；S5：监测整个打印过程，直至打印结束；S6：对钢轨‑辙叉零件表面吹粉并去支撑；本发明通过一体化打印使辙叉与钢轨连接，相比与传统焊接，本发明所制备的成品钢轨‑辙叉零件具有更高的抗冲击性和更高的耐磨性。

Description

用于增材制造高锰钢辙叉与铁路用钢轨梯度结构设计方法
技术领域
本发明涉及辙叉制造技术领域，具体是涉及用于增材制造高锰钢辙叉与铁路用钢轨梯度结构设计方法。
背景技术
辙叉是铁路中非常重要的部分，高锰钢辙叉与高碳钢钢轨的连接方式一直是探究的热点，也是传统铁路设计的一个难点。传统方法是用焊接，因为高碳钢轨钢在焊接过程中要求缓冷，以防止热影响区内出现马氏体和产生较大的热应力，而高锰钢在焊接过程中热影响区内极易沿奥氏体晶界析出碳化物和发生晶粒长大现象，这都会造成其性能的强烈衰减，因此，要求高锰钢焊接后尽量快冷。另外，两种材料的热胀系数相差较大，直接焊接后将在焊接接头处产生很大的内应力，它不仅降低焊接接头的强度和韧度，而且降低其疲劳寿命。
铁路辙叉虽然采用耐磨钢轨制造，但是由于承受冲击荷载作用，磨损较快，特别是在辙叉与钢轨连接的部分，由于两者间硬度差异明显，磨损更快，而且辙叉也是铁路中受力最大、磨损最为严重的部件。当列车通过时，会产生巨大冲击，不仅缩短辙叉的使用寿命，还会增加维护的工作量。
现在我国铁路向着高速和重载发展，辙叉是铁道线路中受力最大、最为严重的部件，制造耐冲击载荷、耐磨损的辙叉是发展的大势所趋。通过介质连接钢轨-辙叉很难满足越来越快的发展，需要一种方法能够避免因为连接裂缝等降低耐冲击和耐磨损性能。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于增材制造高锰钢辙叉与铁路用钢轨梯度结构设计方法。
本发明的技术方案是：一种用于增材制造高锰钢辙叉与铁路用钢轨梯度结构设计方法，包括以下步骤：
S1：采用Solidworks软件建立辙叉与铁路用钢轨梯度结构的三维数据模型，数据模型通过拓扑优化对钢轨-辙叉的结构进行优化，得到优化后的辙叉与铁路用钢轨梯度结构三维数据模型；
S2：将优化后的辙叉与铁路用钢轨梯度结构三维数据模型导入MaterialiseMagics软件并对优化后的辙叉与铁路用钢轨梯度结构添加支撑，根据打印预设设置切片厚度为35-45μm，保存切片文件，得到辙叉与铁路用钢轨梯度结构切片模型文件；
S3：将得到辙叉与铁路用钢轨梯度结构切片模型文件的格式转化为打印设备可识别的文件格式，得到辙叉与铁路用钢轨梯度结构切片可识别模型文件；
S4：将辙叉与铁路用钢轨梯度结构切片可识别模型文件导入打印设备，在打印设备设置打印参数以及扫描策略；
S5：监测整个打印过程，直至打印结束，得到钢轨-辙叉零件；
S6：对钢轨-辙叉零件表面吹粉，去掉多余的粉末，并去除钢轨-辙叉零件的支撑部分，得到成品钢轨-辙叉零件。
进一步地，所述步骤S4中的扫描策略为蜂窝式扫描策略，扫描策略采用蜂窝式扫描策略，相较于传统的棋盘式扫描策略，由正方形变为正六边形，应力会有六个角来承担，大大减少应力集中现象，扫描策略采用蜂窝式扫描策略，这种扫描策略能够有效减少打印过程中的开裂、变形、翘曲等现象，能够把热应力分散承担。
进一步地，所述辙叉与铁路用钢轨梯度结构中的辙叉部分采用高锰钢粉末进行打印，所述辙叉与铁路用钢轨梯度结构中的钢轨部分采用碳钢金属粉末进行打印，辙叉是铁路中受力最大、磨损最为严重的部件因此采用高锰钢粉末打印，钢轨采用碳钢粉末打印满足正常使用需求。
进一步地，所述打印设备是采用激光阵列和高通量的多喷嘴沉积***对金属粉末进行打印，通过激光阵列、高通量的多喷嘴沉积***提高打印速度，同时实现用不同金属粉末打印一体化零件，实现钢轨-辙叉梯度结构打印。
进一步地，所述高锰钢金属粉末由以下质量百分比的成分组成：C：0.9-1.2％、Mn：11-14.0％、Si：0.3-1％、S≤0.05％、P≤0.08％，余量为Fe；所述碳钢金属粉末由以下质量百分比的成分组成：为C：0.54-0.71％、Si：0.35-1.15％、Mn：0.7-1.42％、Cr：0.2-0.7％、Cu：0.2-0.6％，Nb：0.01-0.06％、V：0.05-0.10％、Ni：0.1-0.3％、Mo：0.15-0.35％，余量为Fe，这种高锰钢金属粉末打印出来的辙叉具有高耐冲击性和高耐磨性，这种碳钢金属粉末具有高耐磨性，能提高钢轨的使用寿命。
进一步地，所述高锰钢金属粉末与所述碳钢金属粉末均由PREP等离子旋转电极雾化制粉设备进行制备，制备金属粉末的效率高。
进一步地，所述高锰钢金属粉末的粒径为15-60μm，所述碳钢金属粉末的粒径为50-100μm，这样粒径配制有利于提高成品钢轨-辙叉零件的耐磨性和抗压强度。
进一步地，所述步骤S4中再对金属粉末进行激光打印前，先对设备进行抽真空处理，真空度为3-4Pa，然后再内通入氩气至打印设备内部气压为0.1-0.13MPa，防止打印过程中金属粉末氧化导致零件的性能降低。
进一步地，所述高锰钢金属粉末和碳钢金属粉末的球形度均为0.8-0.9，得到的成品钢轨-辙叉零件表面光滑，力学性能优异。
进一步地，所述步骤S4中打印参数包括激光功率为200-250W，扫描速率为650-750mm/s，扫描间距为0.07-0.09mm，铺粉层厚与步骤S2中的切片厚度保持一致，这样的打印参数下，打印钢轨-辙叉零件的效率最高，打印出的成品钢轨-辙叉零件力学性能优异。
本发明的有益效果是：
(1)本发明利用激光光斑小而聚焦能量高的方式实现增材制造，通过激光阵列以及高通量的喷嘴实现随着钢轨-辙叉内部结构变化而实现铁轨钢-高锰钢的梯度结构变化，从而实现钢轨-辙叉一体化成形。
(2)本发明通过激光阵列、高通量的多喷嘴沉积***提高打印速度，同时实现用不同金属粉末打印一体化零件，实现钢轨-辙叉梯度结构打印，所成形的金属零件精度较高，表面稍微打磨就可以达到使用标准，而且力学性能优异，一般能够达到锻件水平，甚至性能比锻件好，成形的零件一般不需要做热处理，有时候为了增强力学性能会做简单的热处理，力学性能能得到明显的改善。
(3)本发明通过一体化打印使辙叉与钢轨连接，相比与传统焊接，本发明所制备的成品钢轨-辙叉零件具有更高的抗冲击性，和更高的耐磨性。
附图说明
图1是本发明辙叉与铁路用钢轨梯度结构图。
图2是本发明增材制造原理图。
图3是本发明蜂窝式扫描策略图。
具体实施方式
实施例1
用于增材制造高锰钢辙叉与铁路用钢轨梯度结构设计方法，包括以下步骤：
S1：如图1所示，采用Solidworks软件建立辙叉与铁路用钢轨梯度结构的三维数据模型，数据模型通过拓扑优化对钢轨-辙叉的结构进行优化，得到优化后的辙叉与铁路用钢轨梯度结构三维数据模型；
S2：将优化后的辙叉与铁路用钢轨梯度结构三维数据模型导入MaterialiseMagics软件并对优化后的辙叉与铁路用钢轨梯度结构添加支撑，根据打印预设设置切片厚度为35μm，保存切片文件，得到辙叉与铁路用钢轨梯度结构切片模型文件；
S3：将得到辙叉与铁路用钢轨梯度结构切片模型文件的格式转化为打印设备可识别的文件格式，得到辙叉与铁路用钢轨梯度结构切片可识别模型文件；
S4：如图2所示，将辙叉与铁路用钢轨梯度结构切片可识别模型文件导入打印设备，在打印设备设置打印参数以及扫描策略，打印设备是采用激光阵列和高通量的多喷嘴沉积***对金属粉末进行打印，通过激光阵列、高通量的多喷嘴沉积***提高打印速度，同时实现用不同金属粉末打印一体化零件，实现钢轨-辙叉梯度结构打印；
S5：监测整个打印过程，直至打印结束，得到钢轨-辙叉零件；
S6：对钢轨-辙叉零件表面吹粉，去掉多余的粉末，并去除钢轨-辙叉零件的支撑部分，得到成品钢轨-辙叉零件。
如图3所示，步骤S4中的扫描策略为蜂窝式扫描策略，扫描策略采用蜂窝式扫描策略，相较于传统的棋盘式扫描策略，由正方形变为正六边形，应力会有六个角来承担，大大减少应力集中现象，扫描策略采用蜂窝式扫描策略，这种扫描策略能够有效减少打印过程中的开裂、变形、翘曲等现象，能够把热应力分散承担。
辙叉与铁路用钢轨梯度结构中的辙叉部分采用高锰钢粉末进行打印，辙叉与铁路用钢轨梯度结构中的钢轨部分采用碳钢金属粉末进行打印，辙叉是铁路中受力最大、磨损最为严重的部件因此采用高锰钢粉末打印，钢轨采用碳钢粉末打印满足正常使用需求；
高锰钢金属粉末由以下质量百分比的成分组成：C：0.9％、Mn：11％、Si：0.3％、S：0.04％、P：0.05％，余量为Fe；碳钢金属粉末由以下质量百分比的成分组成：为C：0.54％、Si：0.35％、Mn：0.7％、Cr：0.2％、Cu：0.2％，Nb：0.01％、V：0.05％、Ni：0.1％、Mo：0.15％，余量为Fe，这种高锰钢金属粉末打印出来的辙叉具有高耐冲击性和高耐磨性，这种碳钢金属粉末具有高耐磨性，能提高钢轨的使用寿命；
高锰钢金属粉末与碳钢金属粉末均由PREP等离子旋转电极雾化制粉设备进行制备，制备金属粉末的效率高；
高锰钢金属粉末的粒径为15-20μm，碳钢金属粉末的粒径为50-60μm，这样粒径配制有利于提高成品钢轨-辙叉零件的耐磨性和抗压强度；
高锰钢金属粉末和碳钢金属粉末的球形度均为0.8，得到的成品钢轨-辙叉零件表面光滑，力学性能优异。
步骤S4中再对金属粉末进行激光打印前，先对设备进行抽真空处理，真空度为3Pa，然后再内通入氩气至打印设备内部气压为0.1MPa，防止打印过程中金属粉末氧化导致零件的性能降低。
步骤S4中打印参数包括激光功率为200W，扫描速率为650mm/s，扫描间距为0.07mm，铺粉层厚与步骤S2中的切片厚度保持一致，这样的打印参数下，打印钢轨-辙叉零件的效率最高，打印出的成品钢轨-辙叉零件力学性能优异。
实施例2
用于增材制造高锰钢辙叉与铁路用钢轨梯度结构设计方法，包括以下步骤：
S1：如图1所示，采用Solidworks软件建立辙叉与铁路用钢轨梯度结构的三维数据模型，数据模型通过拓扑优化对钢轨-辙叉的结构进行优化，得到优化后的辙叉与铁路用钢轨梯度结构三维数据模型；
S2：将优化后的辙叉与铁路用钢轨梯度结构三维数据模型导入MaterialiseMagics软件并对优化后的辙叉与铁路用钢轨梯度结构添加支撑，根据打印预设设置切片厚度为40μm，保存切片文件，得到辙叉与铁路用钢轨梯度结构切片模型文件；
S3：将得到辙叉与铁路用钢轨梯度结构切片模型文件的格式转化为打印设备可识别的文件格式，得到辙叉与铁路用钢轨梯度结构切片可识别模型文件；
S4：如图2所示，将辙叉与铁路用钢轨梯度结构切片可识别模型文件导入打印设备，在打印设备设置打印参数以及扫描策略，打印设备是采用激光阵列和高通量的多喷嘴沉积***对金属粉末进行打印，通过激光阵列、高通量的多喷嘴沉积***提高打印速度，同时实现用不同金属粉末打印一体化零件，实现钢轨-辙叉梯度结构打印；
S5：监测整个打印过程，直至打印结束，得到钢轨-辙叉零件；
S6：对钢轨-辙叉零件表面吹粉，去掉多余的粉末，并去除钢轨-辙叉零件的支撑部分，得到成品钢轨-辙叉零件。
如图3所示，步骤S4中的扫描策略为蜂窝式扫描策略，扫描策略采用蜂窝式扫描策略，相较于传统的棋盘式扫描策略，由正方形变为正六边形，应力会有六个角来承担，大大减少应力集中现象，扫描策略采用蜂窝式扫描策略，这种扫描策略能够有效减少打印过程中的开裂、变形、翘曲等现象，能够把热应力分散承担。
辙叉与铁路用钢轨梯度结构中的辙叉部分采用高锰钢粉末进行打印，辙叉与铁路用钢轨梯度结构中的钢轨部分采用碳钢金属粉末进行打印，辙叉是铁路中受力最大、磨损最为严重的部件因此采用高锰钢粉末打印，钢轨采用碳钢粉末打印满足正常使用需求；
高锰钢金属粉末由以下质量百分比的成分组成：C：1％、Mn：12.0％、Si：0.8％、S：0.:04％、P:0.07％，余量为Fe；碳钢金属粉末由以下质量百分比的成分组成：为C：0.6％、Si：0.87％、Mn：1.11％、Cr：0.5％、Cu：0.4％，Nb：0.04％、V：0.08％、Ni：0.7％、Mo：0.25％，余量为Fe，这种高锰钢金属粉末打印出来的辙叉具有高耐冲击性和高耐磨性，这种碳钢金属粉末具有高耐磨性，能提高钢轨的使用寿命；
高锰钢金属粉末与碳钢金属粉末均由PREP等离子旋转电极雾化制粉设备进行制备，制备金属粉末的效率高；
高锰钢金属粉末的粒径为20-40μm，碳钢金属粉末的粒径为60-80μm，这样粒径配制有利于提高成品钢轨-辙叉零件的耐磨性和抗压强度；
高锰钢金属粉末和碳钢金属粉末的球形度均为0.87，得到的成品钢轨-辙叉零件表面光滑，力学性能优异。
步骤S4中再对金属粉末进行激光打印前，先对设备进行抽真空处理，真空度为4Pa，然后再内通入氩气至打印设备内部气压为0.11MPa，防止打印过程中金属粉末氧化导致零件的性能降低。
步骤S4中打印参数包括激光功率为220W，扫描速率为700mm/s，扫描间距为0.08mm，铺粉层厚与步骤S2中的切片厚度保持一致，这样的打印参数下，打印钢轨-辙叉零件的效率最高，打印出的成品钢轨-辙叉零件力学性能优异。
实施例3
用于增材制造高锰钢辙叉与铁路用钢轨梯度结构设计方法，包括以下步骤：
S1：如图1所示，采用Solidworks软件建立辙叉与铁路用钢轨梯度结构的三维数据模型，数据模型通过拓扑优化对钢轨-辙叉的结构进行优化，得到优化后的辙叉与铁路用钢轨梯度结构三维数据模型；
S2：将优化后的辙叉与铁路用钢轨梯度结构三维数据模型导入MaterialiseMagics软件并对优化后的辙叉与铁路用钢轨梯度结构添加支撑，根据打印预设设置切片厚度为45μm，保存切片文件，得到辙叉与铁路用钢轨梯度结构切片模型文件；
S3：将得到辙叉与铁路用钢轨梯度结构切片模型文件的格式转化为打印设备可识别的文件格式，得到辙叉与铁路用钢轨梯度结构切片可识别模型文件；
S4：如图2所示，将辙叉与铁路用钢轨梯度结构切片可识别模型文件导入打印设备，在打印设备设置打印参数以及扫描策略，打印设备是采用激光阵列和高通量的多喷嘴沉积***对金属粉末进行打印，通过激光阵列、高通量的多喷嘴沉积***提高打印速度，同时实现用不同金属粉末打印一体化零件，实现钢轨-辙叉梯度结构打印；
S5：监测整个打印过程，直至打印结束，得到钢轨-辙叉零件；
S6：对钢轨-辙叉零件表面吹粉，去掉多余的粉末，并去除钢轨-辙叉零件的支撑部分，得到成品钢轨-辙叉零件。
如图3所示，步骤S4中的扫描策略为蜂窝式扫描策略，扫描策略采用蜂窝式扫描策略，相较于传统的棋盘式扫描策略，由正方形变为正六边形，应力会有六个角来承担，大大减少应力集中现象，扫描策略采用蜂窝式扫描策略，这种扫描策略能够有效减少打印过程中的开裂、变形、翘曲等现象，能够把热应力分散承担。
辙叉与铁路用钢轨梯度结构中的辙叉部分采用高锰钢粉末进行打印，辙叉与铁路用钢轨梯度结构中的钢轨部分采用碳钢金属粉末进行打印，辙叉是铁路中受力最大、磨损最为严重的部件因此采用高锰钢粉末打印，钢轨采用碳钢粉末打印满足正常使用需求；
高锰钢金属粉末由以下质量百分比的成分组成：C：1.2％、Mn：14.0％、Si：1％、S：0.05％、P：0.08％，余量为Fe；碳钢金属粉末由以下质量百分比的成分组成：为C：0.71％、Si：1.15％、Mn：1.42％、Cr：0.70％、Cu：0.6％，Nb：0.06％、V：0.10％、Ni：0.3％、Mo：0.35％，余量为Fe，这种高锰钢金属粉末打印出来的辙叉具有高耐冲击性和高耐磨性，这种碳钢金属粉末具有高耐磨性，能提高钢轨的使用寿命；
高锰钢金属粉末与碳钢金属粉末均由PREP等离子旋转电极雾化制粉设备进行制备，制备金属粉末的效率高；
高锰钢金属粉末的粒径为40-60μm，碳钢金属粉末的粒径为80-100μm，这样粒径配制有利于提高成品钢轨-辙叉零件的耐磨性和抗压强度；
高锰钢金属粉末和碳钢金属粉末的球形度均为0.9，得到的成品钢轨-辙叉零件表面光滑，力学性能优异。
步骤S4中再对金属粉末进行激光打印前，先对设备进行抽真空处理，真空度为4Pa，然后再内通入氩气至打印设备内部气压为0.13MPa，防止打印过程中金属粉末氧化导致零件的性能降低。
步骤S4中打印参数包括激光功率为250W，扫描速率为750mm/s，扫描间距为0.09mm，铺粉层厚与步骤S2中的切片厚度保持一致，这样的打印参数下，打印钢轨-辙叉零件的效率最高，打印出的成品钢轨-辙叉零件力学性能优异。
对比实施例1-实施例3所制备成品钢轨-辙叉零件发现实施例2所制备成品钢轨-辙叉零件耐磨性和抗冲击性最佳，因此实施例2为最佳实施例。

Claims (10)

1.用于增材制造高锰钢辙叉与铁路用钢轨梯度结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采用Solidworks软件建立辙叉与铁路用钢轨梯度结构的三维数据模型，数据模型通过拓扑优化对钢轨-辙叉的结构进行优化，得到优化后的辙叉与铁路用钢轨梯度结构三维数据模型；
S2：将优化后的辙叉与铁路用钢轨梯度结构三维数据模型导入MaterialiseMagics软件并对优化后的辙叉与铁路用钢轨梯度结构添加支撑，根据打印预设设置切片厚度为35-45μm，保存切片文件，得到辙叉与铁路用钢轨梯度结构切片模型文件；
S3：将得到辙叉与铁路用钢轨梯度结构切片模型文件的格式转化为打印设备可识别的文件格式，得到辙叉与铁路用钢轨梯度结构切片可识别模型文件；
S4：将辙叉与铁路用钢轨梯度结构切片可识别模型文件导入打印设备，在打印设备设置打印参数以及扫描策略；
S5：监测整个打印过程，直至打印结束，得到钢轨-辙叉零件；
S6：对钢轨-辙叉零件表面吹粉，去掉多余的粉末，并去除钢轨-辙叉零件的支撑部分，得到成品钢轨-辙叉零件。
2.如权利要求1所述的用于增材制造高锰钢辙叉与铁路用钢轨梯度结构设计方法，其特征在于，所述步骤S4中的扫描策略为蜂窝式扫描策略。
3.如权利要求1所述的用于增材制造高锰钢辙叉与铁路用钢轨梯度结构设计方法，其特征在于，所述辙叉与铁路用钢轨梯度结构中的辙叉部分采用高锰钢粉末进行打印，所述辙叉与铁路用钢轨梯度结构中的钢轨部分采用碳钢金属粉末进行打印。
4.如权利要求1所述的用于增材制造高锰钢辙叉与铁路用钢轨梯度结构设计方法，其特征在于，所述打印设备是采用激光阵列和高通量的多喷嘴沉积***对金属粉末进行打印。
5.如权利要求3所述的用于增材制造高锰钢辙叉与铁路用钢轨梯度结构设计方法，其特征在于，所述高锰钢金属粉末由以下质量百分比的成分组成：C：0.9-1.2％、Mn：11-14.0％、Si：0.3-1％、S≤0.05％、P≤0.08％，余量为Fe；所述碳钢金属粉末由以下质量百分比的成分组成：为C：0.54-0.71％、Si：0.35-1.15％、Mn：0.7-1.42％、Cr：0.2-0.7％、Cu：0.2-0.6％，Nb：0.01-0.06％、V：0.05-0.10％、Ni：0.1-0.3％、Mo：0.15-0.35％，余量为Fe。
6.如权利要求3所述的用于增材制造高锰钢辙叉与铁路用钢轨梯度结构设计方法，其特征在于，所述高锰钢金属粉末与所述碳钢金属粉末均由PREP等离子旋转电极雾化制粉设备进行制备。
7.如权利要求3所述的用于增材制造高锰钢辙叉与铁路用钢轨梯度结构设计方法，其特征在于，所述高锰钢金属粉末的粒径为15-60μm，所述碳钢金属粉末的粒径为50-100μm。
8.如权利要求1所述的用于增材制造高锰钢辙叉与铁路用钢轨梯度结构设计方法，其特征在于，所述步骤S4中再对金属粉末进行激光打印前，先对设备进行抽真空处理，真空度为3-4Pa，然后再内通入氩气至打印设备内部气压为0.1-0.13MPa。
9.如权利要求1所述的用于增材制造高锰钢辙叉与铁路用钢轨梯度结构设计方法，其特征在于，所述步骤S4中打印参数包括激光功率为200-250W，扫描速率为650-750mm/s，扫描间距为0.07-0.09mm。
10.如权利要求1所述的用于增材制造高锰钢辙叉与铁路用钢轨梯度结构设计方法，其特征在于，所述步骤S4中打印参数包括激光功率为200-250W，扫描速率为650-750mm/s，扫描间距为0.07-0.09mm，铺粉层厚与步骤S2中的切片厚度保持一致。
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