鋼軌焊接接頭精密整形工藝及方法

羅小華 張 浩 周 芃

中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢， 430063

0 引言

高速鐵路中，無縫線路可消除車輪對鋼軌接頭的沖擊，使得列車運行平穩(wěn)，乘坐舒適，并可延長線路設(shè)備與機車車輛的使用壽命，減少線路養(yǎng)護維修的工作量[1]。

焊接生產(chǎn)技術(shù)是超長無縫鋼軌制造的唯一手段[2]。焊縫接頭的精度直接影響高鐵的舒適性，甚至是列車的行車安全[3]。我國高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)軌面平直度偏差要求不大于0.2 mm/m，高于德、日等國0.3 mm/m的標(biāo)準(zhǔn)[4]。對于焊縫接頭的精密整形處理，國內(nèi)外的傳統(tǒng)工藝主要是打磨，其中比較典型的有法國吉斯瑪公司生產(chǎn)的MAS150型鋼軌精磨機以及法國Railteeh Intemational集團拉伊臺克公司生產(chǎn)的MMA-14AL型鋼軌精磨機[5]。精磨機主要依靠砂輪的高速磨削除掉多余的金屬組織，磨削過程中焊縫處會產(chǎn)生大量的熱，冷卻下來后容易產(chǎn)生低接頭問題，這嚴(yán)重影響鐵路的行車安全，在鐵路上是不允許的，必須增加大量的人力進行人工修復(fù)，效率低且精度難以保證[6]。

我國高速鐵路建設(shè)速度快、對鋼軌質(zhì)量要求高，如何在保證質(zhì)量的前提下提高焊縫的整形速度，是高鐵研究的重難點。本文提出了一種以銑代磨的焊縫整形技術(shù)，實現(xiàn)了對焊縫的高效精密整形。

1 精銑機的工作原理

為了實現(xiàn)長鋼軌工作面以及作業(yè)面良好的直線度和平順性，本文提出采用先進的“以銑代磨”的生產(chǎn)工藝，將該工藝用于高鐵長鋼軌的加工中，消除了磨削工藝中長鋼軌工作面、作業(yè)面的“駱峰”殘留現(xiàn)象，提高了高鐵鋼軌的產(chǎn)品質(zhì)量。銑削加工示意圖見圖1。

圖1 銑削加工示意圖Fig.1 Schematic diagram of milling

鋼軌焊接的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求在鋼軌的縱向1 m范圍內(nèi)測量鋼軌焊縫平直度[7]。首先采用平直度檢測裝置進行測量，測量鋼軌頂面以及以頂面為基準(zhǔn)16 mm處工作邊及非工作邊位置的平直度，測量范圍為0～1 m。

為達到1 m范圍內(nèi)的平直度要求，銑刀的走向采用縱向銑削。考慮到銑削空間大小，精銑機采取單頭的縱向銑削方式對鋼軌焊縫進行加工。

銑削加工根據(jù)鋼軌加工面隔斷弧度的不同，在鋼軌截面上分為多刀(多個加工角度)，其分布示意圖見圖2。圖3為銑刀銑削最大角度加工位置示意圖。

圖2 鋼軌焊縫精銑機加工角度分布示意圖Fig.2 Diagram of angle distribution of rail welding finishing-milling machine

圖3 銑刀銑削最大角度加工示意圖Fig.3 Machining sketch for maximum angle of milling cutter

2 整體結(jié)構(gòu)

鋼軌焊縫精銑機主要由機床機械機構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等部分組成，見圖4。

圖4 精銑機整體結(jié)構(gòu)Fig.4 Diagram of the structure of finishing-milling machine

外夾具是夾持鋼軌的重要部件，它由外、內(nèi)及軌底自動定心各兩套共6個夾具一起來完成對鋼軌的導(dǎo)向、定位和夾持。橫向移動裝置是帶動銑刀做X向運動的重要部件之一，它采用伺服電機與精密滾珠絲桿直連方式，由橫梁體、防護帶、滾珠絲杠副組成。垂直移動裝置由伺服電機、連軸器、軸承、滾珠絲桿副、滑臺體、滑座體、軸承等組成。銑削頭裝置采用加工中心通用主軸單元，可適應(yīng)高轉(zhuǎn)速下工作，并具有自潤滑性能好、更換方便等特點。回轉(zhuǎn)機構(gòu)為雙同步回轉(zhuǎn)機構(gòu)，采用雙驅(qū)動的變齒厚蝸輪、蝸桿。兩回轉(zhuǎn)機構(gòu)的同步采用數(shù)控系統(tǒng)的同步裝置，可使同步誤差較小。

如圖5所示，主軸箱垂直運動為Z軸，主要用來控制加工時的銑削量，水平運動為X軸，主要用來控制焊縫兩側(cè)的加工范圍。X軸和Z軸進行插補運動，能夠加工在X方向和Z方向上的任意曲線。橫梁旋轉(zhuǎn)運動為A軸，用來控制刀架的旋轉(zhuǎn)，銑削軌頭不同角度的作業(yè)面。

圖5 機床坐標(biāo)系統(tǒng)Fig.5 Machine tool coordinate system

電氣控制部分由高級智能數(shù)控系統(tǒng)、全數(shù)字化伺服驅(qū)動器、高精度激光傳感器、工業(yè)控制計算機等組成。該電氣控制系統(tǒng)具有實時在線測量、自動生成工件坐標(biāo)程序、自動智能誤差補償、圖形界面顯示、自檢測、故障報警顯示、遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)上傳等功能，它操作簡單，能夠高智能高效率地進行焊縫精銑工作。電氣系統(tǒng)的硬件框圖見圖6。

數(shù)控系統(tǒng)由數(shù)控及驅(qū)動單元(CCU或NCU)、MMC、PLC模塊三部分組成，是精銑機控制系統(tǒng)的核心部件，所有的邏輯控制、測量控制、伺服刀架控制等都由它來完成，如圖7所示。

精銑機液壓系統(tǒng)由液壓站、液壓管路、油缸及油馬達等組成，分別控制機床移動、機具松緊、打刀等液壓動作。各回路的壓力和流量由系統(tǒng)設(shè)置的比例溢流閥和比例調(diào)速閥控制，且能單獨調(diào)節(jié)。液壓系統(tǒng)原理如圖8所示。

參照我國鐵路標(biāo)準(zhǔn)，加工后鋼軌平直度符合《TB1632.1—2005鋼軌焊接第1部分通用技術(shù)條件》中關(guān)于鋼軌平直度的要求。銑削過程中可自動進行數(shù)字測量控制、圖形顯示、數(shù)據(jù)存儲上傳。精銑機主要參數(shù)如表1所示。

3 應(yīng)用

采用控制系統(tǒng)中的平直度檢測系統(tǒng)對加工鋼軌的平直度進行檢測。系統(tǒng)根據(jù)檢測數(shù)據(jù)可自動計算出加工區(qū)間并生成坐標(biāo)，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)坐標(biāo)控制相應(yīng)的伺服軸進行插補，使該設(shè)備實現(xiàn)智能化加工。加工完成之后，檢測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)被傳送到基地的生產(chǎn)管理系統(tǒng)進行存檔，這使得每一個焊縫的加工質(zhì)量都可追溯。

圖6 電氣系統(tǒng)的硬件框圖Fig.6 Electrical system diagram

圖7 數(shù)控系統(tǒng)示意圖Fig.7 Diagram of control system

圖8 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.8 Schematic diagram of hydraulic system

圖9為平直度檢測的波形圖，其中，粗實線圍成的區(qū)域為系統(tǒng)根據(jù)測量結(jié)果生成的需要加工的區(qū)域。經(jīng)精銑機銑削后的鋼軌見圖10。

本文鋼軌焊縫精銑機相比傳統(tǒng)精磨機具有以下優(yōu)勢：

(1)利用數(shù)控銑床剛性好、控制精度高等特點，配合高性能銑刀，可實現(xiàn)大走刀量的銑削，消除了壓力進給“讓刀”現(xiàn)象，可銑削出理想的輪廓曲線。

表1 精銑機技術(shù)參數(shù)

(a)軌頂

(b)軌側(cè)圖9 檢測波形圖Fig.9 Measurement of waveform

圖10 銑削后鋼軌圖Fig.10 Milled rails

(2)數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)平直度檢測的相關(guān)數(shù)據(jù)，可快速確定出刀具的銑削區(qū)間，以及工作面、作用邊理想曲線軌跡。通過角度檢測，確定每個角度的入刀點和收刀點的坐標(biāo)值，保證長鋼軌加工面與非加工面的平滑過渡。不需要后續(xù)人工二次打磨，加工精度比精磨機精度高。

(3)銑削加工過程無明顯溫升，不會破壞鋼軌母材組織結(jié)構(gòu)，不會對檢測精度造成影響。

(4)銑削加工過程沒有粉塵，只產(chǎn)生鐵屑，不僅鐵屑可回收利用，且省掉了精磨機必須安裝的除塵設(shè)備。

(5)精銑機采用成熟的數(shù)控銑床技術(shù)，使用壽命長、穩(wěn)定性能好，不需要頻繁維護，且刀片使用時間長，日常使用的刀片消耗成本不到精磨機砂輪消耗成本的三分之一。

目前，鋼軌精銑機已經(jīng)在武漢焊軌基地、蕪湖北焊軌基地、南昌焊軌基地等得到了應(yīng)用。其中，武漢焊軌基地自運用本產(chǎn)品后，已完成了8 700千米的焊接鋼軌的生產(chǎn)工作，為京廣、京滬等高鐵干線提供了足量優(yōu)質(zhì)的長鋼軌，確保了我國高速鐵路的建設(shè)。

4 結(jié)論

(1)創(chuàng)新性地提出以精密銑削取代精密磨削工藝，研制出了鋼軌焊縫精銑機，它集成了機、電、液、測控和模擬仿真技術(shù)。銑削固有的優(yōu)點使得鋼軌加工溫升小(5 ℃左右)，不會產(chǎn)生二次形變，不會破壞原軌晶體結(jié)構(gòu)。

(2)將接觸式和非接觸式兩種檢測技術(shù)相結(jié)合，保證平直度能滿足鋼軌的要求。

(3)采用雙驅(qū)動的變齒厚蝸輪蝸桿雙同步回轉(zhuǎn)機構(gòu)和機械伺服進給機構(gòu)，保證設(shè)備回轉(zhuǎn)精度和進給精度，消除了壓力進給“讓刀”現(xiàn)象，提高了銑削精度。

(4)通過銑刀材料、幾何尺寸和銑削工藝參數(shù)的匹配設(shè)計，實現(xiàn)快速平穩(wěn)銑削，可有效控制銑削應(yīng)力和變形，保證加工精度和性能。