數控磨床在客運專線CRTSⅡ型軌道板生產中的應用

周大勇

(中鐵十八局集團公司，天津 300222)

客運專線的軌道高平順性是保證列車高速、安全行駛的關鍵，在施工過程中，為了保證軌道的高平順性，客運專線采用了多項技術來滿足列車高速安全行駛的需要，其中以CRTSⅡ型板式無砟軌道系統特點尤為突出，在CRTSⅡ型軌道板生產過程中，采用數控磨床對軌道板的承軌臺進行磨削加工。

1 工程概況

駐馬店軌道板廠承擔石武客運專線河南段DK850+281.45—DK1 041+550.14，全長約 191 km(雙線)的軌道板生產任務，生產總量為59 000塊。廠址位于河南省駐馬店市，占地面積276畝。

軌道板打磨車間長84 m，跨度為27 m，車間采用鋼筋混凝土杯形基礎，鋼框架結構，牛腿鋼柱、工字鋼走行梁，鋼構件采用高強度螺栓連接。地面以上1.2 m為磚墻，其余墻體及屋面均采用厚50 mm聚苯彩色鋼板，車間內配備CRTSⅡ型軌道板專用數控磨床等設備以用于軌道板承軌臺的精密成型打磨加工。

2 主要設備簡介

CRTSⅡ型軌道板專用數控磨床為高架橋式數控成型磨床，磨床主要部件如圖1所示。

2.1 主要構造及其功能

2.1.1 機床框架及磨頭回轉機構

圖1 磨床主要部件

機床的各主要結構件均采用高強度HT300鑄鐵結構件。箱式移動橫梁沿兩側基礎墻頂部縱向導軌運動為X軸。移動橫梁為一箱體鑄鐵，兩端支座沿X軸導軌支架上的導軌作縱向運動，其上帶有沿橫梁左右運動的磨頭。在橫向導軌上左右各布置一個橫向滑板，橫向滑板沿橫向導軌左右運動為 Y1軸、Y2軸。在左右橫向滑板上有一垂直導軌，其上各布置一個垂直滑板并沿垂直導軌作上下運動(Z1，Z2軸)。在右垂直滑板下端部安裝一臺磨頭，該磨頭可圍繞 Z2(X)軸軸線方向回轉運動 C2軸(A2軸)。在左垂直滑板下端部安裝一臺磨頭，該磨頭可圍繞 Z1(X)軸軸線方向回轉運動C1軸(A1軸)。各軸運動方向示意如圖2所示。

圖2 各軸運動方向

C2(C1)軸的回轉范圍為 －3°～183°，C2(C1)軸的回轉可以實現磨頭的調頭加工，以完成整個承軌臺加工面的磨削加工;A2(A1)軸的回轉范圍為 －3°～93°。A2(A1)軸的回轉可以實現對軌道板承軌臺表面傾斜角度的加工，如圖3所示。

圖3 承軌臺磨削加工示意

2.1.2 軌道板檢測裝置

打磨機配備有兩套測量系統:①雷尼紹接觸式測量系統(探針式測量器);②借助于激光掃描系統的光學測量儀，生產時主要使用光學測量裝置，探針式測量用于校正激光掃描系統。

光學測量裝置測量時以激光光束線對軌道板的表面進行掃描測量，測量的數據傳到測量裝置的控制器上，經處理后傳輸到數控系統上。測量裝置的一個測量頭安裝在左垂直滑板右側面，另一個測量頭安裝在右垂直滑板的左側面，測量頭分別沿各自的垂直導軌作上下運動，垂直導軌采用直線滾動導軌，導軌體安裝在垂直滑板上，滾動導軌滑塊安裝在測量頭的滑動座上。測量裝置的伸出與縮回運動采用氣動缸，在氣動系統的控制下可自動運動。

2.1.3 機床雕刻軸的結構

機床的雕刻主軸是一個電主軸，位于右垂直滑板的右側面的直線滾動導軌上，直線導軌體安裝在垂直滑板上，滾動導軌滑塊安裝在電主軸殼體上，電主軸的伸出與縮回運動采用氣動缸推動，在氣動系統的控制下自動運動。當軌道板結束磨削工作并測量合格后，雕刻主軸在氣缸的推動下伸出，通過X，Y2，Z2三軸聯動雕刻軌道板識別碼，在雕刻主軸上有冷卻噴嘴，加工過程中有冷卻液對刀具進行冷卻。

2.1.4 滾輪輸送線

軌道板加工時的傳輸，采用滾輪輸送線，輸送線為滾輪支架結構，支架是由兩排縱向間隔1 m的焊接鋼支架組成，支架底部安裝并固定在地面上，支架頂部安裝水平軸的滾輪，軌道板安放在滾輪上，縱向每隔一個支架上具有垂直軸的滾輪，該滾輪可對軌道板縱向運動導向，以防止軌道板運動方向偏轉，兩側導向輪與軌道板各有5 mm的間隙。在縱向支架間設置動力滾輪支架，該支架是一個焊接的鋼支架，支架底部安裝并固定在地面上，支架頂部安裝一個帶電機的減速裝置，減速裝置的輸出軸安裝橡膠滾輪，在電機的驅動下滾輪轉動，滾輪帶動軌道板，向下一個工位運動。

2.1.5 加工工位

該工位采用滾輪支架結構，支架結構與滾輪輸送線相同，在滾動支架組內(軌道板底部)有6個內有測力裝置的液壓油缸，對需要加工的道板進行水平調整及支撐壓力調節。

2.1.6 裝配工位

該工位構造同準備工位相同。支架旁設置油脂加注機及氣動扳手，用于承軌臺螺栓孔內油脂的加注及扣件的安裝。

2.1.7 水冷卻裝置

磨頭砂輪罩上裝有冷卻水噴嘴，在磨削過程中可以對砂輪進行冷卻。冷卻水的開停采用電磁閥在數控系統的控制下自動進行。在每個磨頭背面有冷卻水管，用于軌道板的大面積清洗。在機床地基中設計有冷卻水回收結構，冷卻水可集中流入污水池，經分級沉淀后循環利用。冷卻水管路上配有流量計，對冷卻水的流量進行監測。

兩個磨頭主軸電機的冷卻采用恒溫水冷方式，該冷卻方式采用水冷機在獨立的循環管線內對主軸電機進行冷卻，并對冷卻水進行恒溫處理，水溫可保持在20℃左右。

2.1.8 潤滑裝置

機床各運動軸的直線滾動導軌、軸承、滾珠絲杠等潤滑部位均采用定量、定程的自動油脂潤滑裝置來進行自動潤滑。潤滑裝置由電動卸壓式油脂潤滑泵、加壓式油脂定量計量件及相關管接件等組成。潤滑泵與主機數控系統相連，潤滑泵的運行時間及間歇時間可以根據實際情況在主機中設定，進而控制各潤滑點獲得潤滑油脂的油量。

2.1.9 污水處理系統

磨床加工過程中產生大量的污水，因此，配備了一套污水處理系統，系統由一臺可編程控制器(PLC)控制，使污水經過處理后能循環使用。污水處理系統采用分級沉淀池處理方式，磨床排放出來的污水匯流到多級沉淀池，污水經藥液的化學絮凝作用而發生聚合加速沉淀，上部清澈，下部渾濁。上層清水溢流到清水池，下層污水(泥)定期進行清理。清水流入清水池經壓濾機過濾后循環利用，污水多級處理后，懸浮物顆粒最大不大于50 μm。

2.2 磨床主要技術參數

軌道板的加工范圍(長 ×寬 ×高):6 500 mm×2 550 mm ×1 200 mm。

左右臥式磨頭橫向行程范圍:從機床中線開始計算為+1 800 mm和－1 800 mm。

機床的龍門間距:6 300 mm。

各軸直線定位精度:0.020/1 000。

雕刻軸主軸功率:5 kW。

雕刻軸主軸轉速:最高可達9 000 r/min。

磨床質量:約130 t。

工作效率:每日20 h以上工作時間內可加工的軌道板數量≥80件(加工余量≤2 mm)。

3 打磨工藝流程及工藝要點

3.1 打磨工程流程

磨床打磨軌道板采用電腦程序控制，自動化程度非常高，通過數控專用磨削軟件，可實現自動控制磨削、自動測量和軌道板自動調平過程。除了特殊情況需要人工干預外，其它均自動完成。其生產工藝流程如圖4所示。

圖4 磨床打磨工藝流程

3.1.1 打磨準備

打磨前建立生產數據庫，并將打磨數據傳輸到磨床，生產數據庫內保存著軌道板的加工參數，在自動打磨前，通過自動測量裝置，將軌道板當前測量數值存入數據庫，通過與加工參數比對，生成打磨數據，打磨結束后，軌道板的成品參數被自動保存。

磨床的數控系統通過網絡與車間管理計算機相連，軌道板打磨后的數據由通信軟件通過網絡自動傳送到管理計算機，實現車間磨床數據的統一管理。

3.1.2 毛坯板的運輸定位

因毛坯軌道板在打磨前承軌臺向下存放，故毛坯板打磨前先經過軌道板翻轉機翻轉后，使其承軌臺向上，在準備工位上用鋼筋切割機割去預應力筋的外露部分，然后運輸至磨床加工工位。根據所要打磨的軌道板是用于右線還是左線的不同，毛坯板應擺放正確并通過運輸線進入打磨機。左線軌道板的高承軌臺列在順進板方向左邊，測量錐孔在前端。右線軌道板的高承軌臺列在順進板方向的右邊，測量錐孔在后端。通過打磨機外部配套的運輸線系統將毛坯板輸送進加工位置，如圖5所示。

圖5 毛坯板打磨輸送方向

毛坯板進入機床內部運輸線時通過6個側面導向輪對板的行進方向進行引導，側面導向輪具有水平調節功能，在輸送板時通過氣缸頂出側面導向輪。當毛坯板接近定位位置時觸發減速開關，以固定速度觸發定位支架上的定位開關，此時，定位支架升起對軌道板定位，定位結束后再降下定位支架。

3.2 提升板

毛坯板輸送至加工工位后，使用6個調壓油缸頂起毛坯板，并進行調平(壓力調節)，使毛坯板放置時處于無應力狀態，即按照預置的力分配調節毛坯板，首先是 B1，B2，B3三個帶機械測力器的固定行程油缸，將軌道板頂離傳輸機構并到達預定位置，同時 A1，A2，A3三個帶機械測力器的伺服閥控制的油缸同時啟動，以小于 B1，B2，B3的頂升力跟隨頂出。6個油缸通過機械夾緊裝置鎖緊，并使用其上的機械式壓力傳感器測量出軌道板的重量，此時控制系統對給定值進行計算，在此過程中將從測出的軌道板總重量中按預定的百分比數計算出給定值。松開 A1，A2，A3油缸，在軌道板調平軟件的控制下，通過數控系統預先設定的每一點的壓力數值與支撐點所測的壓力值進行比較，液壓系統上的壓力回饋式閥在數控系統的指令下將每個支撐點的壓力進行自動分配，并自動調節。在軌道板調整水平后，油缸自動進行機械鎖緊，另外 4個支撐缸(帶 C標志)在系統的控制下自動對軌道板頂支，其支撐壓力到達總支撐力的一定比例后，油缸自動鎖緊。在加工工位兩側各有3個側面水平夾緊缸對軌道板進行水平夾緊(帶D標志)，首先是一側的3個夾緊油缸以低壓力對軌道板接近，當油缸壓力達到預定壓力后，油缸自動定位并鎖緊;另外一側的3個油缸自動對軌道板進行高壓力夾緊，當到達預定的夾緊壓力后自動停止夾緊動作，軌道板的調平定位夾緊過程完成，如圖6所示。

圖6 軌道板定位調平示意

如果調平定位及應力分配合格，在磨床操作屏幕上會顯示6個點合格狀態，合格將在狀態欄“合格”中顯示“√”。如果有某個點不合格，將顯示紅方框。如果提升板工序出現問題，程序將暫停，同時顯示提示信息。打磨機操作人員此時應進行人工干預下降軌道板，重新調平定位。

3.2.1 毛坯板測量

調平定位合格后，用測量系統對毛坯板承軌臺上所有關鍵點以及毛坯板的狀態進行測量。測量數據通過電腦進行處理，并根據每塊軌道板所要求的數據(每個承軌臺x，y，z坐標以及傾角數據)自動為待加工的毛坯板生成數控程序。

為保證生產效率，首選光學測量系統對毛坯板進行測量，毛坯板加工前左右測量機構分別對軌道板上的20個承軌臺表面進行激光掃描測量，在左右承軌臺上均有 P1～P10各10個點，如圖7所示。取得 P1，P4，P9，P6的測量數據，將測量的數據傳輸到數控系統中，數控系統自動將機床加工的坐標系轉換為軌道板的安裝坐標系，同時對毛坯的加工余量進行分析，自動生成加工程序。一些重要的數據，如打磨量、平移及旋轉都顯示在控制屏幕上。如果數據采集有誤，程序將暫停，同時會彈出對話框提示，磨床操作人員此時判斷是重復測量毛坯板還是采取其它干預措施。

圖7 承軌臺檢測測量點

3.2.2 打磨

毛坯板檢測正常后，程序自動生成打磨程序，此時由磨床操作人員啟動磨床打磨程序。打磨方式是使用2套磨輪同時加工。使用的磨輪直徑約520 mm，寬約200 mm。磨輪為鋼輪，并通過電鍍方式布有金剛石。系統將根據待完成的幾何額定值、毛坯板的精度以及預定的最大打磨量確定打磨過程。運動軌跡是先打磨承軌臺的一半寬度，打磨完成后，磨頭旋轉180°再打磨承軌臺的另一半。

打磨時，磨削次數取決于預定的單次最大打磨量，控制系統程序會自動將總打磨量平分成相同的打磨深度。實踐證明，單次最大打磨量越大，打磨次數越少，工作效率越高，但是由于單次打磨量加大對磨床主軸的壓力也隨之變大，造成加工誤差加大，由此，對軌道板的精度造成影響。因此，如何確定單次最大打磨量是既能保證生產進度又能保證生產質量的關鍵。

3.2.3 軌道板的檢測

承軌臺加工完畢后，左右測量機構分別對左右軌道板上的承軌臺表面進行激光掃描測量，將測量的數據傳輸到數控系統中，并對測量數據與預定數據進行比較。檢測的方法是對軌道板上所有的關鍵點進行測量并與額定數值進行比較，同時，將軌道板的測量數據保存到指定位置。檢測完成后，將對數據進行分析。分析結果會顯示在操作屏幕上，超出公差范圍的測量值將附上紅色標記。當出現不符合給定公差的情況時，進程將自動停止。此時，需要打磨機操作人員分析實際情況并采取相應的措施，例如，因積水引起的誤差可用高壓空氣將積水吹除后再重新測量。

4 結語

CRTSⅡ型軌道板采用數控磨床加工承軌臺，將金屬加工概念實施到混凝土制品，在生產過程中嚴格工藝流程，加強質量管理，達到工廠化生產的要求，提高了生產效率，減少了環境污染，取得了良好的社會和經濟效益。由于影響軌道板生產質量的因素較多，在生產中不斷總結經驗，改進和創新了多項生產工藝，攻克了軌道板提高成品質量與生產效率的難題，可為今后生產提供經驗借鑒。

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