本发明属于超声波金属表面处理方法技术领域，具体涉及一种机车钢轨焊接接头超声波金属表面处理方法。
背景技术：
轨道交通是现代交通的重要组成部分，其中钢轨是铁路轨道的主要组成部件，是轨道交通中的重要基础。钢轨的作用是承载和引导机车车辆的车轮前进。机车车辆行进过程中，钢轨承受着来自车轮的巨大压力，并将该压力传递到轨枕上。钢轨必须为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面，它的表面状况直接关系到列车的运行安全。如图1所示，钢轨的断面形状采用具有最佳抗弯性能的工字形断面，由轨头(1)、轨腰(2)以及轨底(3)三部分组成。其中轨头(1)直接与车轮摩擦接触的受力部分是半n形曲面(4)，该半n形曲面(4)的横断面工作轮廓线是半n形曲线段(40)，半n形曲面(4)包括踏面(41)、r弧(42)和侧面(43)三个部分。
机车轨道上的钢轨都是由一定长度的短轨通过焊接方式连接起来的。钢轨焊接包括基地内焊接、铺轨现场焊接以及现场抢修焊接等三种方式。受焊接热的影响，焊接接头热影响区的抗拉强度、硬度、耐磨性、疲劳寿命等力学性能低于钢轨母材，经列车车轮的碾压，接头热影响区磨损快、低踏严重，列车驶过低踏区域时，对钢轨、道床都产生巨大的冲击力，若不及时处理，易产生断轨等事故，严重威胁行车安全。因此，钢轨需要不定期检修更换，工作量大，维护成本高；并且影响轨道交通的运行秩序。有必要在不影响机车正常运行的情况下，对钢轨焊接接头热影响区进行快速金属表面处理，提高其表面硬度等力学性能。
提高金属表面硬度的方法有很多，其中一种快速提高金属表面硬度的方法是超声波金属处理方法。例如，《超声冲击对高锰钢辙叉组织与性能的影响》(尚刚、赵晖：“超声冲击对高锰钢辙叉组织与性能的影响”，沈阳理工大学学报，2013年8月)一文研究结果表明，超声冲击可提高金属硬度。名称为“一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法”、专利号为：201610128715.4的中国发明专利也提出，超声波加工可使金属工件表面晶粒细化，表面显微硬度提高。
现有技术中，超声波金属表面处理装置通常是将待加工工件装夹到超声波机床上进行加工。一般采用工件绕主轴旋转、超声波刀具头固定的方式进行超声波加工。例如，名称为“超声波金属表面加工装置”、专利号为：200410024057.1的中国发明专利，及名称为“一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法”、专利号为：201610128715.4的中国发明专利均介绍了工件沿主轴旋转的超声波加工方式。
钢轨与机车车轮摩擦接触的受力部分是一种非回转的半n形曲面，现有的超声波加工方法和加工装置无法直接运用于该待加工部件。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种钢轨焊接接头超声波金属表面处理方法及处理装置。
一种钢轨焊接接头超声波金属表面处理方法，包括如下步骤：
(1)确定待加工面，所述待加工面是机车车轮与钢轨接触的半n形曲面，所述待加工面的横断面是半n形曲线，所述待加工面的宽度比热影响区的宽度每侧宽出0-100mm；
(2)选择钢轨待加工面的加工起始位置，将超声波金属表面处理装置的超声波刀头设定在所述起始位置；
(3)所述超声波刀头在所述待加工面的纵向上和横向上同时进行加工，所述超声波刀头在纵向上走直线，所述超声波刀头在横向上走所述钢轨仿形的半n形曲线(40)，所述超声波刀头在纵向和横向上走完所有行程，则所述超声波刀头加工轨迹覆盖全部半n形曲面，加工过程结束。
优选的，所述步骤(2)的起始位置位于待加工面的边界上；尤其是待加工面的四个顶点中的一个。
如图3所示，所述超声波刀头在纵向上从左到右或者从右到左每走完一个行程，所述超声波刀头在横向上沿钢轨仿形的半n形曲线从前到后或者从后到前走完一个步距a，所述超声波刀头在纵向和横向上走完所有行程，则所述超声波刀头加工轨迹覆盖全部半n形曲面，即覆盖所有加工面，加工过程结束。
所述超声波刀头加工频率为16khz-40khz。
所述步距a为0.01mm～3mm，更优的范围0.1mm～1mm，最优步距a是0.2mm。
所述方法步骤(3)中所述超声波刀头的同时加工的方式还可以是，如图4所示，所述超声波刀头在横向上从后到前或者从前到后每走完一个行程，所述超声波刀头在纵向上从左到右或者从右到左走完一个步距a。所述超声波刀头在纵向和横向上走完所有行程，则所述超声波刀头加工轨迹覆盖全部半n形曲面，即覆盖所有加工面，加工过程结束。
为了实现上述钢轨焊接接头超声波金属表面处理方法，本发明提供一种钢轨焊接接头超声波金属表面处理装置。
如图5和图7所示，钢轨焊接接头超声波金属表面处理装置，包括：用于容纳所述钢轨焊接接头超声波金属表面处理装置的其他组成部分的机架(7)；用于将所述钢轨焊接接头超声波金属表面处理装置装夹到待加工钢轨待加工面的装夹部分，所述装夹部分与所述机架(7)固定连接；用于控制所述超声波金属表面处理装置的刀头在所述待加工面上沿半n形曲线仿形轨迹动作的横向仿形部分；用于控制所述超声波金属表面处理装置刀头在待加工面纵向上的直线行进的纵向行进部分；和提供所述超声波金属表面处理装置刀头，提供加工所需的预压力，对钢轨待加工表面进行加工的超声波刀具部分。
所述机架(7)可以是任何能够容纳所述钢轨焊接接头超声波金属表面处理装置其他组成部分的装置。
所述机架(7)第一种具体的结构是，如图5所示，包括左仿形板(71)、右仿形板(72)和后连接板(73)，所述左仿形板(71)和所述右仿形板(72)分别与所述后连接板(73)固定连接，所述左仿形板(71)下面设有左卡槽(710)，所述右仿形板(72)下面设有右卡槽(720)，所述左卡槽(710)和所述右卡槽(720)用于容纳待加工钢轨的轨头部分。
在所述机架结构的基础上，进一步的，如图7和图8所示，所述左仿形板(71)和所述右仿形板(72)相对的两个内侧面分别设有半n形曲线仿形左轨迹槽(711)和半n形曲线仿形右轨迹槽(721)，所述半n形曲线仿形左轨迹槽(711)和半n形曲线仿形右轨迹槽(721)的形状是待加工钢轨加工面的断面半n形曲线(40)。
在所述机架结构的基础上，也可以采用如图5和10所示的结构，代替前述半n形曲线仿形左轨迹槽(711)和半n形曲线仿形右轨迹槽(721)，即在所述左仿形板(71)和所述右仿形板(72)相对的两个内侧面分别设有半n形曲线仿形滑轨(28)，所述半n形曲线仿形滑轨(28)的形状是待加工钢轨加工面的断面半n形曲线(40)。
所述装夹部分可以是任何将所述钢轨焊接接头超声波金属表面处理装置装夹到待加工钢轨待加工位置的装置。
装夹部分的第一种结构是：如图7所示，所述的装夹部分包括夹紧气缸(20)、夹块座(15)和夹块(21)，所述夹紧气缸(20)固定在所述后连接板(73)的后面，所述后连接板(73)设有第一通孔(74)；所述夹块座(15)安装在所述后连接板(73)与所述夹紧气缸(20)相对应的另一侧，所述夹块座(15)设置内孔(151)，所述内孔(151)与所述第一通孔(74)位置对应，所述夹紧气缸(20)的第一气缸杆(201)在所述内孔(151)内与所述夹块(21)连接，使所述夹块(21)可在所述内孔(151)中前后滑动。加工过程中，所述夹块(21)在所述第一气缸杆(201)的驱动下沿所述内孔(151)滑动伸出抵靠到待加工钢轨轨头(1)上。在所述夹块(21)和所述左卡槽(710)及所述右卡槽(720)的共同夹紧作用下，将所述钢轨焊接接头超声波金属表面处理装置夹紧到待加工钢轨上。
优选的，所述夹块(21)前端与钢轨轨头(1)抵靠的部分采用与轨头相配合的端面形状。
所述装夹部分的第二种结构与上述第一种结构相同，不同的是，如图10所示，所述装夹部分采用夹紧油缸(27)代替所述的夹紧气缸(20)，相应的，所述第一气缸杆(201)采用油缸杆代替。
所述横向行进部分可以是任何推动所述钢轨焊接接头超声波金属表面处理装置在钢轨横向方向上行进的装置。
第一种结构的横向行进部分，如图6、图7和图8所示，包括仿形动作板(8)和第一贯穿式步进电机(16)，所述机架(7)采用前述第一种结构的机架(7)，所述仿形动作板(8)左右两端与嵌入所述半n形曲线仿形左轨迹槽(711)和所述半n形曲线仿形右轨迹槽(721)并可在所述左轨迹槽(711)和所述右轨迹槽(721)内自由转动或者自由移动的部件连接。所述的嵌入所述左轨迹槽(711)和所述右轨迹槽(721)并可在所述左轨迹槽(711)和所述右轨迹槽(721)内自由转动或者自由活动的部件可以是滑轮(12)或者其他类似部件。如图8所示，以采用滑轮(12)为例，所述仿形动作板(8)左右两端分别与所述滑轮(12)连接，所述滑轮(12)在所述半n形曲线仿形左轨迹槽(711)和所述半n形曲线仿形右轨迹槽(721)内自由仿形移动；为了增大承载力，所述滑轮(12)的数量可以增加到每侧两个或者两个以上。
如图7所示，所述第一贯穿式步进电机(16)绕安装轴(11)可转动的安装在所述机架(7)的所述后连接板(73)上，所述安装轴(11)的轴向与待加工钢轨的纵向同向，所述第一贯穿式步进电机(16)的第一丝杆(22)的一端与所述仿形动作板(8)转动连接。所述超声波刀具部分横向位置固定、纵向位置可移动的安装在所述仿形动作板(8)上。
第二种结构的横向行进部分与第一种结构的横向行进部分相同，所述横向行进部分包括仿形动作板(8)和第一贯穿式步进电机(16)，不同之处在于，如图5和图10所示，所述机架(7)采用前述第二种结构的机架(7)，所述仿形动作板(8)左右两端与嵌入所述半n形曲线仿形滑轨(28)中的曲线滑块(29)连接，所述曲线滑块(29)在所述半n形曲线仿形滑轨(28)中做仿形移动，带动所述仿形动作板(8)沿钢轨待加工面的半n形曲线仿形方向上自由移动；为了增大承载力，所述曲线滑块(29)的数量可以增加到每侧两个或者两个以上。
以上两种结构的横向行进部分工作时，所述第一贯穿式步进电机(16)驱动所述第一丝杆(22)向前或者向后运动，带动所述仿形动作板(8)沿所述半n形曲线仿形轨迹前后仿形移动，带动所述超声波刀具部分前后仿形移动，实现待加工面在横向上的加工。
如图10所示，前述两种结构的横向行进部分所述第一贯穿式步进电机(16)也可以用第一伺服液压缸(24)代替，所述第一丝杆(22)可以用第一液压杠杆(241)代替。
所述纵向行进部分可以是任何推动所述钢轨焊接接头超声波金属表面处理装置在待加工钢轨纵向方向上行进的装置。
第一种结构的纵向行进部分，如图5和图6所示，包括纵向动作板(10)，在所述仿形动作板(8)中间开设第二通孔(80)，用于容纳所述超声波刀具部分，所述超声波刀具部分底部固定在所述纵向动作板(10)上，所述第二通孔(80)前后两侧边底部设有纵向延伸的第一滑轨滑块副(14)，所述纵向动作板(10)与所述第一滑轨滑块副(14)连接，所述纵向动作板(10)带动所述超声波刀具部分在钢轨待加工面的纵向上行进；所述第二贯穿式步进电机(33)固定在所述仿形动作板(8)底面，所述第二贯穿式步进电机(33)的第二丝杆(23)一端与纵向动作板(10)固定连接，所述第二贯穿式步进电机(33)驱动所述第二丝杆(23)，所述第二丝杆(23)驱动所述纵向动作板(10)沿所述第一滑轨滑块副(14)在所述仿形动作板(8)上做纵向运动，带动所述超声波刀具部分在待加工钢轨纵向上行进。
第二种结构的纵向行进部分与第一种结构的纵向行进部分方案相同，不同之处在于，如图9所示，采用第二伺服液压缸(26)代替第一种结构的纵向行进部分所述的第二贯穿式步进电机(33)，相应的，所述第二丝杆(23)用第二伺服液压缸杆(261)代替。
所述超声波刀具部分，可以是任何能够提供所述超声波金属表面处理装置刀头，提供加工所需的预压力，对钢轨待加工表面进行加工的装置。
如图6，图7所示，所述的超声波刀具部分包括超声波刀具(18)、刀具架(9)，和预压力调节装置。所述刀具架(9)可以是任何能够承载所述刀具的结构，优选的所述刀具架(9)是一个门型框架或l型架，最优的方案是所述刀具架(9)是门型。所述刀具架(9)底部与所述纵向动作板(10)固定连接，所述刀具架(9)竖向至少一个侧边设有第二滑轨滑块副(13)，所述刀具架(9)竖向左右两侧边均设有第二滑轨滑块副(13)；所述超声波刀具(18)通过所述第二滑轨滑块副(13)安装到所述刀具架(9)上。所述预压力调节装置包括压力气缸(17)，所述压力气缸(17)安装到所述门型刀具架(9)顶端，所述压力气缸(17)的第二气缸杆(170)与所述超声波刀具(18)连接，所述超声波刀具(18)在所述第二气缸杆(170)的带动下沿所述第二滑轨滑块副(13)的轨道在所述刀具架(9)的竖向侧面上下滑动。加工准备阶段，所述压力气缸(17)通过所述第二气缸杆(170)给所述超声波刀具(18)工作预压力，加工过程结束后，所述压力气缸(17)通过所述第二气缸杆(170)提起所述超声波刀具(18)。
上述超声波刀具部分的预压力调节装置还可以采用如下方案：如图9所示，所述预压力调节装置包括锁紧螺母(25)、压力调节螺杆(30)和压力弹簧(31)。所述刀具架(9)顶端设置有螺纹孔(90)，所述压力调节螺杆(30)安装到所述刀具架(9)顶端的所述螺纹孔(90)中，所述超声波刀具(18)与所述压力调节螺杆(30)之间安装有所述压力弹簧(31)。顺时针旋转所述压力调节螺杆(30)，所述压力调节螺杆(30)压缩所述压力弹簧(31)，此时所述超声波刀具(18)加工压力增大。相反，逆时针旋转所述压力调节螺杆(30)，所述超声波刀具(18)的加工压力减小。调节好加工预压力后，用所述锁紧螺母(25)将所述压力调节螺杆(30)锁紧，锁定位置。
工作过程中，所述超声波刀具(18)在所述横向行进部分、所述纵向行进部分的共同控制下完成了对钢轨加工区域的超声波加工。
本发明提供的钢轨焊接接头金属表面处理方法，针对正在使用中的机车钢轨焊接接头两侧热影响区的非回转面半n形曲面进行超声波表面处理，可以一次性完成整个非回转面的加工过程，加工方法简单，准确，加工效率高。本发明提供的钢轨焊接接头超声波金属表面处理装置可以实现机车钢轨的半n形曲面的超声加工，提高钢轨待加工面的硬度和耐磨性；该装置结构简单，体积小，可以在铺装好的钢轨现场装夹并快速加工，不影响机车的正常运行。
说明书附图
图1是待加工钢轨的断面结构示意图；
图2是待加工钢轨的待加工面与热影响区示意图；
图3是第一种钢轨焊接接头金属表面处理方法刀头走过的轨迹示意图；
图4是第二种钢轨焊接接头金属表面处理方法刀头走过的轨迹示意图；
图5是本发明钢轨焊接接头金属表面处理装置示意图；
图6是本发明钢轨焊接接头金属表面处理装置纵向行进部分结构示意图；
图7是图6的e-e剖结构示意图；
图8是本发明钢轨焊接接头金属表面处理装置横向行进部分结构示意图；
图9是本发明钢轨焊接接头金属表面处理装置刀具部分的结构示意图；
图10是图9的f-f剖结构示意图。
其中，1、轨头2、轨腰3、轨底4、半n形曲面40、半n形曲线段41、踏面42、r弧43、侧面5、热影响区6、焊缝7、机架71、左仿形板710、左卡槽711、左轨迹槽72、右仿形板720、右卡槽721、右轨迹槽73、后连接板74、第一通孔8、仿形动作板80、第二通孔9、刀具架10、纵向动作板11、安装轴12、滚轮13、第二滑轨滑块副14、第一滑轨滑块副15、夹块座151、内孔16、第一贯穿式步进电机17、压力气缸170、第二气缸杆18、超声波刀具19、第二贯穿式步进电机20、夹紧气缸201、第一气缸杆21、夹块22、第一丝杆23、第二丝杆24、第一伺服液压缸241、第一液压缸杆25、锁紧螺母26、第二伺服液压缸261、第二液压缸杆27、夹紧油缸28、半n形曲线仿形滑轨29、曲线滑块30、压力调节螺杆31、压力弹簧90、螺纹孔
具体实施方式
下面结合附图，以举例的方式对本发明做出具体说明。
如图2所示，待加工面是机车车轮与钢轨接触的半n形曲面，所述待加工面的横断面是半n形曲线40。待加工面半n形曲面4的四个顶点分别是左上角的顶点a，右上角的顶点b，左下角的顶点c和右下角的顶点d焊缝6两侧的热影响区5的四个顶点分别是左上角的顶点a＇，右上角的顶点b＇，左下角的顶点c＇和右下角的顶点d＇。钢轨的待加工面覆盖了钢轨轨头上表面焊接焊缝6两侧的热影响区5，即钢轨的所述待加工面的宽度大于等于热影响区5的宽度，亦即线段ac到线段bd之间的距离大于线段a＇c＇到线段b＇d＇之间的距离，所述待加工面的宽度可以比所述热影响区5的宽度每侧宽出0-100mm，即aa＇的长度为0-100mm。不同的焊接方式产生的所述热影响区5的宽度不同，例如采用铝热焊方式时，所述热影响区5的宽度最大，最大可达到200mm，即焊缝6两侧每侧100mm的范围属于热影响区5，那么，所述待加工面的宽度为200-400mm，即焊缝6两侧每侧各100-200mm。
实施例1：
一种钢轨焊接接头金属表面处理方法，包括如下步骤：
(1)确定待加工面，所述待加工面是机车车轮与钢轨接触的半n形曲面，所述待加工面的横断面是半n形曲线，所述待加工面的宽度比热影响区的宽度每侧宽出20mm；
(2)选择钢轨待加工面的左上角顶点a为加工的起始位置，所述金属表面处理装置的刀头是超声波金属表面处理装置刀头，将所述超声波刀头设定在所述起始位置a；
(3)所述超声波刀头在待加工面的纵向上和横向上同时进行加工，所述超声波刀头在纵向上走直线，在横向上走所述钢轨仿形的半n形曲线40，如图3所示，所述超声波刀头在纵向上从左到右每走完一个行程，例如从左上角顶点a到右上角的顶点b，所述超声波刀头同时在横向上沿钢轨仿形的半n形曲线从前到后走完一个步距a，所述超声波刀头走到起始位置顶点a的对角顶点，即待加工面的右下角顶点d，所述超声波刀头在纵向和横向上走完所有行程，则所述超声波刀头加工轨迹覆盖全部半n形曲面，即覆盖所有加工面，加工过程结束。
所述超声波刀头加工频率为16khz。
所述步距a是0.01mm。
实施例2：
与实施例1相同，不同之处在于，所述待加工面的宽度比热影响区的宽度每侧宽出40mm；所述步骤(2)选择钢轨待加工面的左上角顶点a与右上角顶点b之间的一个点g为加工的起始位置，所述超声波刀头加工频率为18khz，所述步距a是0.2mm。
实施例3：
与实施例1相同，不同之处在于，所述待加工面的宽度比热影响区的宽度每侧宽出50mm；所述方法步骤(3)中所述超声波刀头的同时加工是，如图4所示，所述超声波刀头在横向上从后到前每走完一个行程，例如所述超声波刀头从左上角顶点a走到左下角的顶点c，所述超声波刀头同时在纵向上从左到右走完一个步距a，所述步距a是3mm，所述超声波刀头加工频率为20khz。
实施例4：
与实施例3相同，不同之处在于，所述待加工面的宽度比热影响区的宽度每侧宽出100mm；所述步骤(2)选择钢轨待加工面的左上角顶点a与右下角顶点c之间的一个点h为加工的起始位置，所述超声波刀头加工频率为40khz，所述步距a是0.5mm。
为了实现上述钢轨焊接接头金属表面处理方法，本发明提供一种钢轨焊接接头超声波金属表面处理装置。
如图5和图7所示，钢轨焊接接头超声波金属表面处理装置，包括：用于容纳所述钢轨焊接接头超声波金属表面处理装置的其他组成部分的机架7；用于将所述钢轨焊接接头超声波金属表面处理装置装夹到待加工钢轨待加工面的装夹部分，所述装夹部分与所述机架7固定连接；用于控制所述超声波金属表面处理装置的刀头在所述待加工面上沿半n形曲线仿形轨迹动作的横向仿形部分；用于控制所述超声波金属表面处理装置刀头在待加工面纵向上的直线行进的纵向行进部分；和提供所述超声波金属表面处理装置刀头，提供加工所需的预压力，对钢轨待加工表面进行加工的超声波刀具部分。
所述机架7可以是任何能够容纳所述钢轨焊接接头超声波金属表面处理装置其他组成部分的装置。以下实施例5，实施例6和实施例7分别介绍了三种具体的机架结构。
实施例5：
所述机架7第一种具体的结构是，如图5所示，包括左仿形板71、右仿形板72和后连接板73，所述左仿形板71和所述右仿形板72分别与所述后连接板73固定连接，所述左仿形板71下面设有左卡槽710，所述右仿形板72下面设有右卡槽720，所述左卡槽710和所述右卡槽720用于容纳待加工钢轨的轨头部分。
实施例6：
在前述实施例5机架结构的基础上，进一步的，如图7和图8所示，所述左仿形板71和所述右仿形板72相对的两个内侧面分别设有半n形曲线仿形左轨迹槽711和半n形曲线仿形右轨迹槽721，所述半n形曲线仿形左轨迹槽711和半n形曲线仿形右轨迹槽721的形状是待加工钢轨加工面的断面半n形曲线40。
实施例7：
在前述实施例5机架结构的基础上，进一步的，如图5和10所示，在所述左仿形板71和所述右仿形板72相对的两个内侧面分别设有半n形曲线仿形滑轨28，所述半n形曲线仿形滑轨28的形状是待加工钢轨加工面的断面半n形曲线40。
所述装夹部分可以是任何将所述钢轨焊接接头超声波金属表面处理装置装夹到待加工钢轨待加工位置的装置。以下实施例8和实施例9分别介绍了两种具体的装夹部分。
实施例8：
装夹部分的第一种结构是：如图7所示，所述的装夹部分包括夹紧气缸20、夹块座15和夹块21，所述夹紧气缸20固定在所述后连接板73的后面，所述后连接板73设有第一通孔74；所述夹块座15安装在所述后连接板73与所述夹紧气缸20相对应的另一侧，所述夹块座15设置内孔151，所述内孔151与所述第一通孔74位置对应，所述夹紧气缸20的第一气缸杆201在所述内孔151内与所述夹块21连接，使所述夹块21可在所述内孔151中前后滑动。加工过程中，所述夹块21在所述第一气缸杆201的驱动下沿所述内孔151滑动伸出抵靠到待加工钢轨轨头1上。在所述夹块21和所述左卡槽710及所述右卡槽720的共同夹紧作用下，将所述钢轨焊接接头超声波金属表面处理装置夹紧到待加工钢轨上。
优选的，所述夹块21前端与钢轨轨头1抵靠的部分采用与轨头相配合的端面形状。
实施例9：
装夹部分的第二种结构与实施例8的第一种结构相同，不同的是，如图10所示，所述装夹部分采用夹紧油缸27代替所述的夹紧气缸20，相应的，所述第一气缸杆201采用油缸杆代替。
所述横向行进部分可以是任何推动所述钢轨焊接接头超声波金属表面处理装置在钢轨横向方向上行进的装置。以下实施例10、实施例11和实施例12分别介绍了具体的横向行进部分。
实施例10：
如图6、图7和图8所示，所述横向行进部分包括仿形动作板8和第一贯穿式步进电机16，所述机架7采用实施例6提供的第一种结构的机架7，所述仿形动作板8左右两端与嵌入所述半n形曲线仿形左轨迹槽711和所述半n形曲线仿形右轨迹槽721并可在所述左轨迹槽711和所述右轨迹槽721内自由转动或者自由移动的部件连接。所述的嵌入所述左轨迹槽711和所述右轨迹槽721并可在所述左轨迹槽711和所述右轨迹槽721内自由转动或者自由活动的部件可以是滑轮12或者其他类似部件。如图8所示，以采用滑轮12为例，所述仿形动作板8左右两端分别与所述滑轮12连接，所述滑轮12在所述半n形曲线仿形左轨迹槽711和所述半n形曲线仿形右轨迹槽721内自由仿形移动；为了增大承载力，所述滑轮12的数量可以增加到每侧两个或者两个以上。
如图7所示，所述第一贯穿式步进电机16绕安装轴11可转动的安装在所述机架7的所述后连接板73上，所述安装轴11的轴向与待加工钢轨的纵向同向，所述第一贯穿式步进电机16的第一丝杆22的一端与所述仿形动作板8转动连接。所述超声波刀具部分横向位置固定、纵向位置可移动的安装在所述仿形动作板8上。
实施例11：
与实施例10相同，所述横向行进部分包括仿形动作板8和第一贯穿式步进电机16，不同之处在于，如图5和图10所示，所述机架7采用实施例7提供的第二种结构的机架7，所述仿形动作板8左右两端与嵌入所述半n形曲线仿形滑轨28中的曲线滑块29连接，所述曲线滑块29在所述半n形曲线仿形滑轨28中做仿形移动，带动所述仿形动作板8沿钢轨待加工面的半n形曲线仿形方向上自由移动；为了增大承载力，所述曲线滑块29的数量可以增加到每侧两个或者两个以上。
实施例10和实施例11提供的横向行进部分工作时，所述第一贯穿式步进电机16驱动所述第一丝杆22向前或者向后运动，带动所述仿形动作板8沿所述半n形曲线仿形轨迹前后仿形移动，带动所述超声波刀具部分前后仿形移动，实现待加工面在横向上的加工。
实施例12：
如图10所示，实施例10和实施例11提供的横向行进部分所述第一贯穿式步进电机16也可以用第一伺服液压缸24代替，所述第一丝杆22可以用第一液压杠杆241代替。
所述纵向行进部分可以是任何推动所述钢轨焊接接头超声波金属表面处理装置在待加工钢轨纵向方向上行进的装置。以下实施例13和实施例14分别介绍了两种具体的纵向行进部分。
实施例13：
第一种结构的纵向行进部分，如图5和图6所示，包括纵向动作板10，在所述仿形动作板8中间开设第二通孔80，用于容纳所述超声波刀具部分，所述超声波刀具部分底部固定在所述纵向动作板10上，所述第二通孔80前后两侧边底部设有纵向延伸的第一滑轨滑块副14，所述纵向动作板10与所述第一滑轨滑块副14连接，所述纵向动作板10带动所述超声波刀具部分在钢轨待加工面的纵向上行进；所述第二贯穿式步进电机33固定在所述仿形动作板8底面，所述第二贯穿式步进电机33的第二丝杆23一端与纵向动作板10固定连接，所述第二贯穿式步进电机33驱动所述第二丝杆23，所述第二丝杆23驱动所述纵向动作板10沿所述第一滑轨滑块副14在所述仿形动作板8上做纵向运动，带动所述超声波刀具部分在待加工钢轨纵向上行进。
实施例14：
本实施例与实施例13提供的方案相同，不同之处在于，如图9所示，采用第二伺服液压缸26代替实施例13所述的第二贯穿式步进电机33，相应的，所述第二丝杆23用第二伺服液压缸杆261代替。
按照实施例1和实施例2提供的方法，所述超声波刀具18在所述横向行进部分、所述纵向行进部分的共同控制下完成了对钢轨加工区域的超声波加工。
所述超声波刀具部分，可以是任何能够提供所述超声波金属表面处理装置刀头，提供加工所需的预压力，对钢轨待加工表面进行加工的装置。以下实施例15和实施例16分别介绍了两种具体的超声波刀具部分。
实施例15：
如图6，图7所示，所述的超声波刀具部分包括超声波刀具18、刀具架9，和预压力调节装置。所述刀具架9可以是任何能够承载所述刀具的结构，优选的所述刀具架9是一个门型框架或l型架，本实施例中所述刀具架9是门型。所述刀具架9底部与所述纵向动作板10固定连接，所述刀具架9竖向至少一个侧边设有第二滑轨滑块副13，本实施例所述刀具架9竖向左右两侧边均设有第二滑轨滑块副13；所述超声波刀具18通过所述第二滑轨滑块副13安装到所述刀具架9上。所述预压力调节装置包括压力气缸17，所述压力气缸17安装到所述门型刀具架9顶端，所述压力气缸17的第二气缸杆170与所述超声波刀具18连接，所述超声波刀具18在所述第二气缸杆170的带动下沿所述第二滑轨滑块副13的轨道在所述刀具架9的竖向侧面上下滑动。加工准备阶段，所述压力气缸17通过所述第二气缸杆170给所述超声波刀具18工作预压力，加工过程结束后，所述压力气缸17通过所述第二气缸杆170提起所述超声波刀具18。
实施例16：
本实施例与实施例15提供的超声波刀具部分相同，不同的是采用了不同的预压力调节装置。如图9所示，所述预压力调节装置包括锁紧螺母25、压力调节螺杆30和压力弹簧31。所述刀具架9顶端设置有螺纹孔90，所述压力调节螺杆30安装到所述刀具架9顶端的所述螺纹孔90中，所述超声波刀具18与所述压力调节螺杆30之间安装有所述压力弹簧31。顺时针旋转所述压力调节螺杆30，所述压力调节螺杆30压缩所述压力弹簧31，此时所述超声波刀具18加工压力增大。相反，逆时针旋转所述压力调节螺杆30，所述超声波刀具18的加工压力减小。调节好加工预压力后，用所述锁紧螺母25将所述压力调节螺杆30锁紧，锁定位置。
1.钢轨焊接接头超声波金属表面处理方法，包括如下步骤：
(1)确定待加工面，所述待加工面是机车车轮与钢轨接触的半n形曲面，所述待加工面的横断面是半n形曲线，所述待加工面的宽度比热影响区的宽度每侧宽出0-100mm；
(2)选择钢轨待加工面的加工起始位置，将超声波金属表面处理装置的超声波刀头设定在所述起始位置；
(3)所述超声波刀头在所述待加工面的纵向上和横向上同时进行加工，所述超声波刀头在纵向上走直线，所述超声波刀头在横向上走所述钢轨仿形的半n形曲线，所述超声波刀头在纵向和横向上走完所有行程，则所述超声波刀头加工轨迹覆盖全部半n形曲面，加工过程结束。
2.根据权利要求1所述的钢轨焊接接头超声波金属表面处理方法，其特征在于，所述步骤(2)的所述加工起始位置位于待加工面的边界上。
3.根据权利要求2所述的钢轨焊接接头超声波金属表面处理方法，其特征在于，所述步骤(2)的所述加工起始位置是待加工面的一个顶点。
4.根据权利要求1，2或者3所述的钢轨焊接接头超声波金属表面处理方法，其特征在于，所述方法步骤(3)中所述超声波刀头的同时加工的方式是：所述超声波刀头在纵向上从左到右或者从右到左每走完一个行程，所述超声波刀头在横向上沿钢轨仿形的半n形曲线从前到后或者从后到前走完一个步距a。
5.根据权利要求4所述的钢轨焊接接头超声波金属表面处理方法，其特征在于，所述超声波刀头加工频率为16khz-40khz。
6.根据权利要求4所述的钢轨焊接接头超声波金属表面处理方法，其特征在于，所述步距a为0.01mm～3mm。
7.根据权利要求5所述的钢轨焊接接头超声波金属表面处理方法，其特征在于，所述步距a为0.01mm～3mm。
8.根据权利要求1，2或者3所述的钢轨焊接接头超声波金属表面处理方法，其特征在于，所述方法步骤(3)中所述超声波刀头的同时加工的方式是：所述超声波刀头在横向上从后到前或者从前到后每走完一个行程，所述超声波刀头在纵向上从左到右或者从右到左走完一个步距a。
9.根据权利要求8所述的钢轨焊接接头超声波金属表面处理方法，其特征在于，所述超声波刀头加工频率为16khz-40khz。
10.根据权利要求8所述的钢轨焊接接头超声波金属表面处理方法，其特征在于，所述步距a为0.01mm～3mm。
技术总结