JKX-1000鋼軌焊縫數控精銑機的研究與應用

汪智敏

（蘭州鐵路局蘭州工務機械段，甘肅 蘭州 730000）

1 前言

隨著我國鐵路運輸事業快速發展，列車重量、行車密度及行車速度不斷增加，而且我國鐵路客貨混跑、客運提速、貨運重載、行車條件惡劣，使鋼軌的服役條件日益苛刻，從而對鋼軌的焊接質量和焊縫加工水平提出了更高的要求；鋼軌焊縫的加工工藝流程為粗磨、正火、精矯直、精磨（銑），其中精磨（銑）是鋼軌焊縫最終加工的關鍵工序，直接影響著鋼軌焊接接頭平直度及行車面和導向面圓順過度等外觀質量，對焊縫探傷也有一定影響。

河口南焊軌基地精整二線原設備為MK-1000C鋼軌焊縫數控精磨機，精磨機采用液壓控制磨頭對焊縫行車面和導向面部分進行打磨加工，在使用過程中存在超范圍打磨、打虧母材現象；焊縫局部磨削不到位，需要人工修正，鋼軌打磨的局部溫度過高，影響SEC電子尺測量；加工時間一般8min左右，生產效率低[1]。

新研發的JKX-1000鋼軌焊縫數控精銑機將機械、電氣、液壓和測控集合為一體，高度自動化的全新設備，采用了“以銑代磨”的生產工藝，克服了精磨機磨削工藝中長鋼軌超范圍打磨，軌頂面、工作邊磨削后呈“駝峰”狀等問題，提高了鋼軌焊接接頭外觀質量。

2 銑削加工原理

設備工作前初始位置是橫梁處于90°(垂直位，即1#刀位)，銑削刀頭位于左端；橫梁翻轉伺服原位在右軌0度位（即水平位）。鋼軌到達機床加工位置后，刀頭由左端起始位向右移動，開始第1刀銑削加工，且執行邊測量邊銑削，并將數據通過記憶功能反饋到其他幾刀銑削，第1刀完成后橫梁上移，兩仿形定位塊離開鋼軌表面，第1刀銑削結束；然后橫梁旋轉一個角度 (即轉到第2刀加工位置)，并且按第1刀位檢測的數據，移動到右側銑削點，橫梁下移使仿形定位塊達到鋼軌表面，開始銑削鋼軌第2刀加工面，如此往復進行鋼軌銑削（采用往復一個回程銑削兩次的銑削模式），一直到第16刀位銑削完成，橫梁上升至原點，夾緊全部退回原點位，橫梁最后停止在90°，等待下一次銑削操作，共銑削16刀。第1刀為工作面測量銑削同步位，第15刀為導向面測量銑削同步位。加工順序如圖1所示。

圖1 加工順序示意圖

3 設備構成

JKX-1000鋼軌焊縫數控精銑機主要由主軸旋轉伺服控制電機、水平移動伺服控制電機、橫梁旋轉伺服控制電機（2臺）、鋼軌定位夾緊機構、橫梁升降恒壓機構、直線度測量用模擬量傳感器、鋼軌定位紅外一字線、電氣安全保護控制、電氣配電箱及人機界面觸摸屏等組成。是一套由機床、電氣系統、液壓系統、測控系統高度集成的自動化銑削加工設備。

3.1 液壓系統

JKX-1000鋼軌焊縫數控精銑機液壓系統是一套比例控制的開式系統，分別由橫梁升降回路，橫向夾緊回路，垂直夾緊回路，銑頭升降鎖定等主要回路組成；各回路的壓力和速度由系統設置控制，能單獨調節，如圖2所示。

圖2 液壓原理圖

3.2 電氣系統

JKX-1000鋼軌焊縫數控精銑機電氣控制中，為保證油泵電機（5.5kW）帶載平滑啟動，油泵電機控制系統采用德國進口穆樂品牌---軟啟動器，代替了我們以前Y-△降壓啟動模式。軟啟動器具有控制簡易，參數設置靈活等特性，最大限度地減少油泵電機帶載啟動過程中啟動電流的沖擊。

CPU采用Q03UDECPU，是三菱中高端PLC（可編程序控制器）。具有體積小巧，工作穩定，運行速度快等特點，同時此PLC具有內置以太網功能，可以方便地實現和外部數據傳輸、存儲、保存。

伺服定位模塊和伺服驅動器數據傳輸采用光纖通信，各個伺服模塊之間可以通過光纖串行連接，能快速、穩定、可靠地進行伺服控制過程中各類數據的交換。它可以實現伺服電機同步驅動和插補功能，使精銑機兩臺伺服電機同步驅動橫梁旋轉，大大降低橫梁旋轉過程中的扭曲。

人機界面（觸摸屏），人機界面GT2715觸摸屏與三菱PLC(可編程控制)采用數據總線接口進行連接，它響應速度快，數據實時顯示，實現無縫連接，保證控制系統穩定可靠，能及時反映設備的運行狀態和對設備的實時操控。

3.3 機床

機床核心部件主要由底座，轉動支撐，橫梁結構，銑削頭及測量頭，仿形定位機構，夾具支承部件組成；橫梁結構，采用雙伺服電機同步驅動，實現橫梁同步翻轉，防止橫梁產生扭曲[2]；雙側橫梁升降油缸通過同步控制油路，實現橫梁上下運動左右同步；采用橫梁翻轉平衡裝置，對橫梁進行有效保護；定位夾緊部件中，在焊縫部位處增加液壓輔助支撐機構，使鋼軌在銑削過程中始終處于穩定狀態，如圖3所示。

圖3 機床主要部件示意圖

4 JKX-1000鋼軌焊縫數控精銑機MK-1000C鋼軌焊縫數控精磨機對比

1）MK-1000C鋼軌焊縫數控精磨機根據兩點形成一條直線的幾何原理，精磨機的磨削砂輪對設定磨削長度的兩點進行探位，當完成兩個點的探位后，計算機通過數值處理[3]，自動調整磨削橫梁的高低與鋼軌上設定的磨削長度兩端點連成平行直線，此時開始對鋼軌進行磨削加工。

JKX-1000精銑機利用渦流傳感器，在1m范圍內每5mm采集一個測量數據值，工作面和導向面各采集200數據組成測量曲線，便于和現場使用的SEC施密特電子尺進行測量數據對比；鋼軌直線度計算方法采用“兩端點連線法”計算，將采集數據點的首尾兩點連線，作為“鋼軌理想直線”，然后計算出各個測量點相對于理想直線的偏離值，即直線度的誤差值，最后把所有點聯接，組成相對于“鋼軌理想直線”上下跳動的誤差曲線，使鋼軌焊縫銑削加工精度更高；在測量銑削過程中若測量距離到0.18mm，則開始記憶銑削起點，至測量頭連續100mm測量數據均小于0.18mm，則銑削長度到位停止。通過智能測量完成銑削位置及銑削長度確定，并將數據通過記憶功能反饋到其它幾刀銑削；將銑削完成后測量的數據進行平直度合格的判定和數據的保存與傳輸，如圖4所示。

圖4 鋼軌直線度計算示意圖

2）JKX-1000精銑機采用了“以銑代磨”的生產工藝，克服了MK-1000C精磨機磨削工藝中出現的讓刀，超范圍打磨等問題，提高了鋼軌焊接接頭外觀質量。

3）JKX-1000精銑機克服了MK-1000C精磨機磨削時鋼軌加工面局部溫度過高的情況，同時減少環境污染，有利于環保，提高工作效率[4]。

4）設備采用數字化控制方式，以程序控制全自動加工，對各運動部件進行自動潤滑方式潤滑，操作簡便。

5）設備在生產過程對發生的故障能自動判斷，并在人機界面上顯示，便于維修與保養。

5 JKX-100鋼軌焊縫數控精銑機創新點

1）銑削定位采用恒壓仿形定位機構，在定位過程中橫梁能自由收縮，自動糾偏，始終使橫梁與鋼軌兩點保持平行，保證了銑削基準的橫梁始終與鋼軌平行，如圖5所示。

圖5 仿形定位銑削示意圖

2）采用測量銑削同步機構，大幅提高銑削效率。測量頭與銑削頭安裝在同一動力頭上，以實現同步動作，采用往復一個回程銑削兩次的銑削模式，共銑削16刀；通過智能測量完成銑削位置及銑削長度確定，并將數據通過記憶功能反饋到其它幾刀銑削。工作面第1刀，導向面第15刀測量銑削同步同步進行，即軌頂面和工作邊加工完畢后的測量數據，銑削加工時間4.5min左右，從而大幅度提高了銑削加工效率，如圖6所示。

圖6 測量頭與銑削頭

3）對銑削參數及銑刀刀片形態、角度等進行了專題研究并進行了攻關，銑刀直徑80mm，安裝8齒刀片；同時增加垂直與水平支撐滾輪，有效解決了精銑機銑削加工后，鋼軌表面波紋度過大問題，進一步提高了長鋼軌焊接接頭平直度[5]。

6 結束語

JKX-100鋼軌焊縫數控精銑機測量銑削同步機構和恒壓仿形定位機構，使用具有獨特形狀的刀片并增加了銑刀刀片數量，往復一個回程銑削兩次，提高了銑削加工效率和鋼軌銑削表面光潔度；銑削加工無粉塵，鋼軌表面加工溫度變化小；采用數字化控制方式，操作簡便，基本滿足了長鋼軌焊接接頭銑削加工要求；在實際應用中也發現了有不足之處，我們會不斷深入研究優化完善，推廣應用到其他焊軌基地。