釬焊金剛石砂輪打磨鋼軌的性能試驗研究*

閆薪霖， 肖 博， 高先哲， 肖 冰, 張益權

(南京航空航天大學 機電學院， 南京 210016)

鋼軌是鐵路列車運行的載體，鋼軌質量影響列車的行車安全和行車品質。鋼軌與上方列車的車輪直接接觸，承載著列車傳來的作用力，同時還會受到輪軌之間的摩擦力、軌道板和軌道之間的壓力和列車制動時的作用力等，易受損產生病害(如圖1所示)，危及行車安全[1-3]。

鋼軌打磨是改善輪軌接觸狀態，消除和延緩鋼軌表面損傷，延長鋼軌使用壽命的有效和經濟的維修方案[4]。鋼軌打磨是利用專門的打磨設備對鋼軌表面材料(包括鋼軌受損部分)進行磨削去除，從而達到消除鋼軌病害的目的[5]。現階段打磨鋼軌的主要設備是裝備有打磨砂輪的鋼軌打磨列車(如圖2所示)，其工作原理是打磨列車在鋼軌上行進，砂輪與鋼軌接觸產生磨削作用，打磨后鋼軌可恢復最佳形貌(如圖3所示)。

圖3 打磨后鋼軌形貌

用傳統樹脂砂輪打磨鋼軌存在磨削火花大易引發火災，結合劑揮發產生大量粉塵，高寒條件下砂輪易破碎等缺點。而釬焊超硬磨料工具可避免上述問題[6-9]。因此，設計并制作鋼軌打磨用釬焊金剛石砂輪，通過打磨試驗評價砂輪的綜合性能，并與國內某公司生產的鋼軌打磨配套樹脂砂輪的磨削性能做對比試驗，探究釬焊金剛石砂輪用于鋼軌打磨的可行性。

1 試驗設計

1.1 試驗平臺

搭建鋼軌打磨試驗機床模擬打磨列車打磨鋼軌的工作模式(如圖4所示)。試驗時工件在電機的驅動下水平勻速旋轉，砂輪在電機的驅動下水平旋轉(電源電壓和頻率可調)并在進給系統的驅動下為砂輪提供磨削背壓。環形工件材料采用我國鐵路鋼軌常用的U71Mn鋼，外徑為900 mm，截面寬度為20 mm。磨削試驗時的工藝參數如表1所示。

表1 磨削試驗的工藝參數 Table 1 Parameters for grinding tests

圖4 打磨試驗機床

試驗機床配有計算機控制平臺(如圖5所示)，可實現打磨參數的自動化控制，其控制面板安裝有數字顯示器，可實時顯示電壓、電流、頻率、壓力等參數。

圖5 打磨試驗機床計算機控制平臺

通過電流可以表征磨削時砂輪電機所消耗的功率，可通過式(1)計算：

(1)

式中：P為砂輪電機工作時的功率(W)；F為砂輪工作時的磨削力(N)；v為工件進給速度(m/s)；n1為機械傳動效率；n2為電機效率；U0為砂輪電機的工作電壓(V)；I為砂輪電機磨削工件時的電流(A)(試驗時每間隔10 s記錄電流值，每5 min后取所有電流的平均值作為砂輪磨削時的電流值)；I0為砂輪空轉時砂輪電機的電流(A)(金剛石砂輪10.91 A，樹脂砂輪11.06 A)。

砂輪在空轉時砂輪電機勻速運行，電機的工作電壓和電流穩定。當砂輪磨削工件時，環形工件對磨粒產生阻力，如果磨粒的鋒利度越高，則磨粒及砂輪受到的磨削阻力越小。當砂輪電機的工作電壓和轉速恒定時，電流值的大小則間接顯示出磨削力的大小。

砂輪的磨削效率可通過工件每分鐘的磨削量來表示，可由式(2)計算：

(2)

式中：δ為砂輪的磨削效率(g/min)；S為工件截面積(mm2)；Δh為工件的磨削高度(mm)；ρ為工件的密度(g/cm3)；t為磨削時間(min)。

在試驗過程中S和ρ不變，因此只需測出工件的磨削高度即可求出砂輪的磨削效率。

1.2 試驗砂輪

基于鋼軌打磨的特點、打磨列車及試驗平臺的安裝要求，設計了如圖6所示的組合式砂輪結構[12]。其主要包括釬焊金剛石端面砂輪及連接器(與砂輪驅動電機軸相連)。

圖6 砂輪結構

選擇Ni-Cr合金釬料和粒度代號40/45的金剛石，采用高溫真空釬焊工藝在45#鋼基體上釬焊金剛石構成砂輪的磨削面，制備釬焊金剛石鋼軌打磨砂輪(圖7)。

選擇國產樹脂鋼軌打磨砂輪做對比試驗，如圖8所示，以驗證釬焊金剛石砂輪的打磨性能。

圖8 樹脂鋼軌打磨砂輪

2 試驗結果與討論

對金剛石砂輪和樹脂砂輪進行打磨試驗。由于單層釬焊金剛石砂輪在打磨過程中易發生磨屑黏附現象，當打磨試驗進行到35 min時磨屑黏附現象已十分嚴重，砂輪在工件上頻繁跳動形成間歇性加工，雖然砂輪未發生嚴重損耗但已經無法獲得準確的試驗參數。基于上述原因，選取前40 min的打磨試驗數據進行分析。

2.1 磨削效率與電流

圖9所示為磨削時的效率與電流隨時間的變化。分析圖9可以發現：穩定磨削階段釬焊金剛石砂輪的磨削效率最高可達0.28 mm/min，是樹脂砂輪最高磨削效率0.15 mm/min的1.87倍；其最高磨削電流也比樹脂砂輪的最高磨削電流小，約為樹脂砂輪電流的1/4。這表明在穩定工作階段釬焊金剛石砂輪比樹脂砂輪鋒利，磨削效率高。釬焊金剛石砂輪在磨削過程中會出現磨屑黏附現象，造成排屑空間減小、磨粒刃口變鈍、磨削力和磨削溫度上升。由于磨削試驗為恒壓磨削，黏附的鐵屑很難排除或脫落，造成砂輪磨削效率的下降。25 min時磨削效率與電流均明顯下降。電流的下降是因為磨削效率降低時所消耗的功率也減小。30 min時金剛石砂輪的磨削效率已降至0.18 mm/min，接近樹脂砂輪的0.15 mm/min。

2.2 工件表面粗糙度

圖10所示為磨削后鋼軌工件的表面形貌。從圖10a可以看出：經樹脂砂輪磨削后鋼軌工件表面較粗糙，光潔度較差。樹脂砂輪的磨粒粒度較大且隨著結合劑及磨粒的脫落，磨削面存在動態波動，導致工件表面粗糙度較大且各磨削紋路的寬度和深淺也存在差異。工件表面的黏附物為樹脂砂輪在高溫下的揮發物。樹脂砂輪在磨削時還存在火花大和氣味大的現象。

圖10b為釬焊金剛石砂輪穩定磨削階段的鋼軌工件表面，可以看出磨削紋路清晰且規整，表面光潔無黏附物。這是因為在金剛石的穩定磨削階段，金剛石磨粒鋒利且出露高度整齊，磨粒及焊料層未出現磨屑黏附現象。

圖10c為金剛石砂輪磨削35 min后工件的表面形貌，從圖10c中可以看出：工件表面粗糙度進一步降低，單條磨削紋路更窄。但此時的磨削效率已明顯下降，且工件表面有明顯的黏附物，部分區域紋路模糊，存在面磨削現象。造成這一現象的原因是砂輪表面出現嚴重的磨屑黏附現象。在磨削壓力的作用下表面的黏附層被壓平，磨粒被覆蓋，參與磨削的磨粒減少，部分黏附層參與了磨削。工件表面的黏附物為破碎或脫落的磨粒、脫落的黏附層及釬料。

2.3 砂輪磨損分析

金剛石砂輪磨削工件時主要的磨損形式有磨粒的磨耗磨損、磨粒的破碎磨損、磨粒脫落及堵塞磨損[10]。釬焊金剛石砂輪在鋼軌打磨試驗中，除發生正常的磨粒磨耗外，對砂輪失效影響最大的是堵塞磨損及邊緣磨粒脫落，如圖11所示。

圖11 釬焊金剛石砂輪磨損形式

為了進一步探究釬焊金剛石鋼軌打磨砂輪的失效情況，分別在15 min、25 min、35 min和40 min的磨削時間下對砂輪表面形貌進行觀察，圖12為釬焊金剛石砂輪磨削后的形貌圖。在磨粒磨損并不嚴重，少數磨粒發生破碎磨損的時候，磨粒表面出現磨屑黏附(圖12a)。磨削時間為25 min時，砂輪黏附現象比較嚴重，部分磨粒和容屑空間被磨屑包埋(圖12b)。磨削時間為35 min時，由于磨屑嚴重黏附，僅能看到少數磨粒(圖12c)。磨削時間為40 min時，黏附的磨屑在壓力作用下形成完整的平面將磨粒完全掩埋，砂輪無法進行正常磨削加工。由于砂輪跳動和磨削高溫，砂輪邊緣的釬料在沖擊力的作用下發生剝離，導致磨粒也隨之脫落(圖12d)。

由于樹脂砂輪是多層結構且砂輪中存在氣孔利于容屑，即使存在磨屑黏附現象，隨著砂輪的不斷消耗，黏附層不斷脫落，樹脂砂輪的磨損主要是磨粒和結合劑的損耗而不是磨屑黏附。

3 結論

設計制作了鋼軌打磨用單層釬焊金剛石砂輪，并用其與樹脂砂輪進行磨削鋼軌的對比試驗。發現：

(1)在穩定打磨鋼軌階段，釬焊金剛石砂輪的磨削效率高、磨削電流小、工件表面粗糙度低、磨削火花小、無粉塵和氣味污染。釬焊金剛石砂輪的磨削效率最高可達0.28 mm/min，是樹脂砂輪的最高磨削效率(0.15 mm/min)的1.87倍；釬焊砂輪的最高磨削電流僅約為數值砂輪的最高磨削電流的1/4。

(2)單層釬焊金剛石砂輪的磨屑黏附現象使砂輪在未發生明顯磨粒磨損時已無法正常工作，因此要使釬焊金剛石砂輪成功用于鋼軌打磨須解決磨屑黏附的問題。試驗中磨削時間為25 min時砂輪黏附現象已經比較嚴重。