鋼軌打磨用新型復(fù)合砂輪及其磨削試驗(yàn)*

張益權(quán)， 肖 冰， 閆薪霖， 劉思幸， 吳恒恒， 肖皓中， 竇禮云

(1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,南京 210016)(2.揚(yáng)州大學(xué),江蘇 揚(yáng)州 225000)

鋼軌作為鐵路交通的重要組成部分，直接與列車車輪接觸，不僅承受上部傳來的輪載作用，同時還受到溫度荷載、路梁輪軌相互作用力、列車制動力等作用力的影響，其質(zhì)量直接影響列車運(yùn)行的安全。隨著我國鐵路的快速發(fā)展，由于輪軌接觸摩擦而造成的鋼軌損傷越來越嚴(yán)重，出現(xiàn)如波磨、裂紋、肥邊、剝落等病害[1]，利用鋼軌打磨技術(shù)對線路進(jìn)行維護(hù)已成為國內(nèi)外軌道養(yǎng)護(hù)的共識。鋼軌打磨能預(yù)防和消除鋼軌表面的損傷，延長鋼軌的使用壽命，是一種有效而且非常經(jīng)濟(jì)的維修手段。

國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了深入研究。BOWER[2]用有限元法研究鋼軌裂紋機(jī)理，提出了控制裂紋擴(kuò)展的打磨模型。KANEMATSU等[3]研究不同砂輪對鋼軌打磨效率的影響規(guī)律，并將試驗(yàn)中的磨屑與鐵路上打磨的磨屑進(jìn)行了比較。王文健等[4]發(fā)現(xiàn)非對稱打磨可以將輪軌的接觸位置向軌頂移動，有助于減緩鋼軌斜裂紋。顧凱凱等[5]利用模擬實(shí)驗(yàn)研究了打磨過程中鋼軌-砂輪界面的表面粗糙度、摩擦系數(shù)、磨損量等因素隨打磨參數(shù)變化的規(guī)律。

盡管國內(nèi)開展了鋼軌打磨技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用的研究，但在鋼軌打磨上產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益與國外比還有不小的差距。一方面是我國鋼軌打磨技術(shù)起步較晚，在技術(shù)上沒有國外成熟；另一方面是目前的鋼軌打磨砂輪市場被進(jìn)口砂輪牢牢把控，其中占有量最大的是法國圣戈班公司生產(chǎn)的諾頓牌砂輪。基于此，采用釬焊技術(shù)和傳統(tǒng)熱壓技術(shù)制備了鋼軌打磨用新型復(fù)合砂輪，已成功應(yīng)用在鋼軌打磨上且打磨效果良好。為了進(jìn)一步研究鋼軌打磨砂輪的工作機(jī)理，在鋼軌打磨試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行類似于鋼軌的工件的打磨模擬試驗(yàn)，并使用熱電偶測量砂輪和工件接觸區(qū)域的溫度，分析出不同砂輪、不同磨削參數(shù)下工件打磨后的打磨溫度、表面粗糙度等的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)條件

1.1 工件材料

工件材料選用與鋼軌材料成分相似的65Mn高錳鋼，試件尺寸為40 mm×20 mm×10 mm。高錳鋼在強(qiáng)沖擊、大壓力作用下的耐磨性是其他材料無法比擬的[6]，廣泛應(yīng)用于礦山、建材、鐵路等機(jī)械裝備中，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 65Mn工件材料化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)砂輪

(a)純樹脂砂輪(b)8插片復(fù)合砂輪(c)12插片復(fù)合砂輪(d)24插片復(fù)合砂輪圖1 試驗(yàn)砂輪實(shí)物

圖2 復(fù)合砂輪結(jié)構(gòu)示意圖和插片實(shí)物圖

圖2中：金剛石插片均勻排列在樹脂鋯剛玉砂輪腔體內(nèi)部，并與中心線呈45°角，采用這種方式排列的插片可以減小砂輪工作時的內(nèi)部應(yīng)力和外部振動。插片采用304不銹鋼片基體，Ni-Cr合金結(jié)合劑和粒度代號為40/45的金剛石高溫釬焊而成，其長、寬、厚分別為40 mm、25 mm、1 mm。純樹脂砂輪和復(fù)合砂輪腔體都采用粒度代號為16#的鋯剛玉為磨料，酚醛樹脂為結(jié)合劑熱壓制成。

1.3 試驗(yàn)機(jī)床

試驗(yàn)在北京二七機(jī)床廠生產(chǎn)的鋼軌打磨專用機(jī)床上進(jìn)行，如圖3所示。機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速3 600 r/min，與鋼軌現(xiàn)場打磨轉(zhuǎn)速相同，并配備有打磨電機(jī)交流電源，以獲得穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速；打磨電機(jī)可以上下左右調(diào)節(jié)；采用旋轉(zhuǎn)進(jìn)給工作臺，最高進(jìn)給速度20 km/h。采用氣壓系統(tǒng)對砂輪施加打磨壓力，打磨壓力與氣壓控制表值關(guān)系式為：

F=k×p-Fb

(1)

式中：F為打磨時工件承受的壓力，單位為N；p為氣壓控制表值(簡稱“打磨氣壓值”)，單位為kPa；Fb為背壓值，即砂輪在懸停狀態(tài)即將下降時所需的壓力，約為2070 N；k為比例常數(shù)，值為8 N/kPa。

圖3 鋼軌打磨試驗(yàn)機(jī)床實(shí)物圖

1.4 測溫方法

常用的磨削測溫方法有熱電偶測溫法和紅外測溫法2種，采用K型鎧裝熱電偶測溫。測溫裝置示意圖如圖4所示。

圖4 測溫裝置示意圖

圖4中：整體工件中間開方形槽，槽深不超過0.1 mm，槽中放云母片和熱電偶絲。當(dāng)砂輪磨削工件時，K型鎧裝熱電偶通過UNI-T325信號采集器與計(jì)算機(jī)連接，信號采集器每隔0.1 s采集1次工件磨削溫度的變化值。

2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)采用端面干式磨削，工件打磨砂輪沿工件表面高速旋轉(zhuǎn)移動。采用間隔打磨方式來打磨工件，打磨參數(shù)如表2所示。用編號1#、2#、3#、4#分別表示純樹脂砂輪、8插片復(fù)合砂輪、12插片復(fù)合砂輪、24插片復(fù)合砂輪。試驗(yàn)中，當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時通過調(diào)節(jié)氣動元件的氣壓值來控制打磨時間，實(shí)現(xiàn)工件的間隔打磨。

表2 打磨試驗(yàn)參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 磨削溫度

從計(jì)算機(jī)中提取前2個打磨周期所記錄的溫度時間數(shù)據(jù)，在origin繪圖軟件中繪制各砂輪磨削溫度隨時間變化的曲線，得到利用熱電偶測量的前2次磨削中不同氣壓下不同砂輪工件界面的溫度時間變化曲線圖5～圖8。從圖5～圖8可以看出：在一個打磨周期里(打磨時間4 s，間隔時間56 s，共60s)，工件在不同氣壓下使用不同砂輪打磨的溫度時間變化趨勢相同，即在一個周期內(nèi)磨削溫度先迅速升高，再緩慢下降，呈現(xiàn)出一個尖峰。這是因?yàn)?，磨削產(chǎn)生的熱只有15%左右被磨屑帶走[7]，大量的熱被傳到工件和砂輪上，導(dǎo)致砂輪工件界面快速升溫；冷卻時由于工件表面溫度與周圍環(huán)境溫差大，熱傳遞效率高，造成溫度先快速下降，隨后緩慢下降的現(xiàn)象。

圖5 氣壓300 kPa時4種砂輪的溫度時間變化曲線

圖6 氣壓320 kPa時4種砂輪的溫度時間變化曲線

圖7 氣壓340 kPa時4種砂輪的溫度時間變化曲線

圖8 氣壓360 kPa時4種砂輪的溫度時間變化曲線

2個打磨周期內(nèi)不同砂輪在不同打磨氣壓下的打磨溫度峰值如表3所示。從表3可以看出：在低氣壓300 kPa打磨時，2個周期內(nèi)4種砂輪的打磨溫度峰值差異不明顯；隨著打磨氣壓增加，4種砂輪的打磨溫度峰值都持續(xù)升高，但3種新型復(fù)合砂輪的打磨溫度峰值要明顯低于傳統(tǒng)樹脂砂輪的，且隨著新型砂輪中釬焊金剛石金屬插片的增加，溫度下降更明顯。

從表3還可以看出：在打磨氣壓為320～360 kPa時，與1#純樹脂砂輪相比，2#砂輪的2個打磨周期內(nèi)的溫度峰值平均值依次下降4.2%、5.7%、9.2%，3#砂輪的溫度峰值平均值依次下降10.5%、12.9%、11.4%，4#砂輪的溫度峰值平均值依次下降12.6%、16.1%、13.2%。實(shí)際的鋼軌打磨與采用360 kPa打磨氣壓的模擬情況類似，故綜合起來，采用3種插片形式的新型砂輪打磨時的溫度峰值平均值可下降10%左右，且插片數(shù)越多，下降比例越大。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是：在低氣壓打磨時，磨削產(chǎn)生的磨削熱偏少，磨削熱通過環(huán)境對流可以及時排出，所以各砂輪之間的溫度差異不明顯；隨著打磨氣壓增加，摩擦作用加劇，切屑變形能增加，磨削熱增加，大量的磨削熱無法通過環(huán)境散發(fā)，所以4種砂輪的溫度峰值持續(xù)上升；但含金剛石插片的砂輪，由于金剛石具有良好的導(dǎo)熱性，可以帶走部分磨削熱，故3種復(fù)合砂輪的溫度峰值要低于樹脂砂輪的；且插片數(shù)越多，金剛石含量越高，帶走的熱也越多，所以插片多的砂輪的溫度峰值要低于插片少的砂輪的溫度峰值。

表3 不同砂輪不同打磨氣壓下的打磨溫度峰值

3.2 工件表面粗糙度

工件粗糙度是評價(jià)鋼軌打磨質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。用ANDTEK粗糙度儀測得不同砂輪在不同氣壓下的鋼軌表面粗糙度變化曲線如圖9所示。

圖9 工件表面粗糙度

從圖9可以看出：4種砂輪進(jìn)行打磨時，工件表面的粗糙度變化規(guī)律相同，都是隨打磨氣壓升高，表面粗糙度值呈先平穩(wěn)上升后快速上升的趨勢。原因是在低氣壓階段，打磨氣壓升高時磨粒與工件的接觸面積增大，同時參與磨削的磨粒數(shù)量增多，但每顆磨粒的平均切削厚度變化不大；隨著氣壓繼續(xù)升高，此時參與磨削的磨粒數(shù)量不變，但切削厚度增大，因而粗糙度值呈先平穩(wěn)上升后快速上升的變化規(guī)律[8]。

表4給出了不同打磨氣壓下2#、3#、4#砂輪與1#砂輪對比的表面粗糙度下降比例。

表4 工件表面粗糙度下降比例

從表4中可以看出：在相同的打磨氣壓下，新型復(fù)合砂輪打磨的工件的表面粗糙度值下降比例都在9%以上，且下降比例隨插片數(shù)量的增加而增大。考慮到實(shí)際鋼軌打磨與采用360 kPa打磨氣壓模擬的情況類似，因此加入插片后砂輪打磨的工件表面粗糙度值下降比例都在10%以上。

新型復(fù)合砂輪打磨能獲得更好的表面粗糙度的原因可以從端面磨削的工作機(jī)理來分析，圖10為砂輪端面磨削原理示意圖。從圖10中可以看出：端面磨削時，靠近砂輪外徑的磨粒最先接觸到未加工的工件材料，去除時起主要切削作用；靠近砂輪內(nèi)徑的磨粒主要磨削已加工的材料表面，起耕犁和滑擦作用，這種“一次加工，多次研拋”的方式能使工件表面質(zhì)量更好[9]。而且，新型復(fù)合砂輪嵌入了釬焊金剛石插片，金剛石粒徑比鋯剛玉粒徑細(xì)，但鋒利性與耐磨性更高，切削能力和研拋?zhàn)饔酶鼜?qiáng)；隨著插片數(shù)量增多，金剛石所占比例增大，研拋效果更好。所以，新型復(fù)合砂輪打磨的工件表面較純樹脂砂輪打磨的工件表面粗糙度值低，且隨著插片數(shù)量的增加，工件表面粗糙度值逐漸減小。

圖10 端面磨削原理示意圖

3.3 磨屑分析

磨屑是鋼軌和砂輪磨削后產(chǎn)生的，分析磨屑可以揭示鋼軌打磨中的磨損機(jī)理、材料去除行為及機(jī)制等。從道岔打磨現(xiàn)場提取磨屑，純樹脂砂輪、8插片復(fù)合砂輪打磨后的磨屑分析結(jié)果如圖11、圖12所示。

由圖11a、圖12a的掃描電鏡照片可以看出：鋼軌打磨后的磨屑形狀主要是擠裂條狀和球狀，圖11a中條狀磨屑少、球狀磨屑多，而圖12a中的條狀磨屑多、球狀磨屑少。擠裂條狀磨屑是鋼軌打磨時砂輪承受重載荷、磨削深度較大、磨粒切削刃呈負(fù)前角切削高錳鋼鋼軌材料時產(chǎn)生的；球狀磨屑是打磨過程中局部溫度過高，磨屑與氧氣劇烈反應(yīng)熔融成球產(chǎn)生的。通常球狀磨屑的主要成分是鐵的氧化物，球狀磨屑越多，氧含量越高，說明磨削過程的局部溫度越高[10]。

圖11b、圖12b的球狀磨屑EDS能譜分析結(jié)果表明：球狀磨屑中的主要元素為Fe和O，且圖12b中的O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于圖11b中的。這進(jìn)一步說明：8插片新型復(fù)合砂輪打磨鋼軌時的磨削溫度低于純樹脂砂輪打磨鋼軌時產(chǎn)生的磨削溫度，即新型復(fù)合砂輪打磨時的打磨溫度更低。

(a)磨屑電鏡形貌(b) 球狀磨屑EDS分析圖11 純樹脂砂輪打磨磨屑分析

(a)磨屑電鏡形貌(b) 球狀磨屑EDS分析圖12 8插片復(fù)合砂輪打磨磨屑分析

4 結(jié)論

在鋼軌打磨試驗(yàn)機(jī)上用新型鋼軌打磨復(fù)合砂輪與傳統(tǒng)純樹脂砂輪進(jìn)行工件打磨試驗(yàn)，分析工件打磨后的打磨溫度、表面粗糙度變化，并對鋼軌打磨后的磨屑進(jìn)行電鏡、能譜分析，得出如下結(jié)論：

(1)新型復(fù)合砂輪的打磨溫度峰值要明顯低于傳統(tǒng)樹脂砂輪的打磨溫度峰值。新型復(fù)合砂輪采用3種不同數(shù)量的釬焊金剛石金屬插片，其打磨溫度峰值可下降10%左右，且砂輪中插片數(shù)越多下降比例越大。有效減少了鋼軌打磨時燒傷情況的發(fā)生。

(2)不同砂輪不同打磨氣壓下工件的表面粗糙度值均在10 μm以下，滿足鋼軌打磨的表面質(zhì)量要求。但新型復(fù)合砂輪打磨的工件表面粗糙度較純樹脂砂輪打磨的工件表面粗糙度值小，且隨新型復(fù)合砂輪中插片數(shù)量的增加而逐漸減小。與純樹脂砂輪打磨后的粗糙度比較，新型復(fù)合砂輪打磨后的粗糙度下降比例都在9%以上，且下降比例隨著插片數(shù)量的增加而增大。

(3)鋼軌打磨產(chǎn)生的磨屑主要呈擠裂條狀和球狀，但新型復(fù)合砂輪較純樹脂砂輪的球狀磨屑比例更低，且新型復(fù)合砂輪磨削后產(chǎn)生的球狀磨屑中的O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于純樹脂砂輪的，說明新型復(fù)合砂輪打磨鋼軌時的磨削溫度要低于純樹脂砂輪打磨鋼軌時產(chǎn)生的磨削溫度。