鋼軌打磨用釬焊金剛石砂輪研究

浦一子，肖 冰，高 睿，王 溯，周 顥

（南京航空航天大學 機電學院,南京210016）

在列車輪載交變作用下，鋼軌表面易產生多種磨損，如裂紋、波磨、肥邊、凹坑等。這些表面缺陷會導致輪軌接觸條件惡化，直接影響鐵路運行的平穩性與安全性。因此，通過鋼軌打磨技術對鐵路軌道進行定期維護，消除與遏制軌面損傷具有重要意義[1-2]。目前，鋼軌打磨列車是最為主要的打磨設備，其打磨效率高、打磨距離長，能應對絕大部分的打磨作業。而鋼軌焊頭平直度打磨、道岔路段打磨、表面除銹等特定條件的鋼軌局部打磨，則更多使用仿形鋼軌打磨機，其操作便捷、靈活度高、噪聲小，很好地彌補了大型打磨列車的短板[3]。仿形鋼軌打磨機所用砂輪為樹脂鋯剛玉砂輪，其磨粒固結強度低，對鋼軌及其焊接區域材料去除率較低，且打磨時若操作不當，易造成鋼軌表面燒傷，影響打磨質量[4]。此外，樹脂砂輪還存在火花大、粉塵多、安全性低等缺點，污染環境的同時給作業人員帶來健康隱患。為解決上述問題，亟須研發新一代鋼軌打磨用砂輪。

釬焊金剛石工具因其磨粒刃口鋒利、出露高、把持力強等優點而受到廣泛關注[5]。近年來，有學者嘗試將釬焊技術應用于鋼軌打磨領域，并取得了一定成效。WU 等[6]結合釬焊技術與傳統熱壓工藝，將若干釬焊金剛石插片有序布置于樹脂砂輪中制得新型復合砂輪，試驗表明：其能降低10%左右的磨削溫度，并提高鋼軌打磨質量。王佳佳[7]制備了開槽單層釬焊砂輪，并進行鋼軌磨削試驗，發現：與普通砂輪相比，新型砂輪能有效降低約20%的磨削溫度。上述研究表明，在鋼軌打磨領域，釬焊技術具有優越性與巨大潛力。目前，市場上的釬焊金剛石工具多用于石材的切割、磨拋，而鋼鐵材料的加工應用卻較少，究其原因有2 個：一是鋼鐵材料等黑色金屬具有親碳性，在實際加工中高溫磨屑和加工表面對金剛石有黏附現象，易造成金剛石的化學磨損與黏附磨損[8]；二是接觸區較高的磨削點溫度會對金剛石產生較大的熱損傷，加劇其石墨化轉變。因此，常規的釬焊金剛石工具用于鋼軌打磨等重負荷干磨干切工況時，往往不能達到預期效果。實現釬焊金剛石砂輪打磨鋼軌的關鍵在于控制好打磨時的排屑散熱問題[9-10]，降低金剛石石墨化程度，減少磨損，從而延長砂輪使用壽命?；阝F焊金剛石工具磨粒把持力強、出露高的天然優勢，采用磨粒形貌優化和斷續磨削的方法進一步促進其降溫排屑，制備出鋼軌打磨用新型釬焊砂輪，以探索釬焊金剛石工具新的應用領域，并實現鋼軌的高效低塵打磨。

1 釬焊金剛石砂輪打磨鋼軌的可行性

仿形鋼軌打磨機的打磨有以下特點：打磨鋼軌不同區域時，需不斷調整機身，以改變砂輪擺角，其打磨工況靈活多變；砂輪行進速度快，是普通磨削加工進給速度的4～10 倍，打磨作業以效率優先；對打磨表面粗糙度要求不高（Ra≤10 μm），但需滿足一定的表面質量要求（無燒傷以及表面裂紋）；打磨時砂輪需承受仿形打磨機的質量，且不能使用冷卻液，屬于重負荷干式磨削。

鋼軌材料屬于錳合金鋼，以U71Mn 和U75V 鋼為主，是典型的難加工材料[11]。鋼軌等黑色金屬對金剛石造成的磨屑黏附以及高溫下金剛石的熱損傷是制約釬焊金剛石工具加工鋼軌的關鍵因素。在干式磨削條件下，無磨削液幫助降溫和排屑，磨削區的熱量散發成為難題，只有優化磨削區空間結構，提高砂輪排屑散熱能力，釬焊金剛石工具打磨鋼軌才具有可行性。因此，所設計的新型釬焊砂輪有以下特點：

（1）金剛石磨粒的優化釬焊。一是要保證金剛石被釬料牢固把持，使其能承受重負荷磨削環境；二是金剛石要有足夠的出露高度，以獲得高散熱空間；三是釬焊后金剛石表面應保持清潔，無釬料覆蓋。

（2）磨粒的大間距有序排布。金剛石磨粒排布均勻且有序，能保證磨削力平穩，避免因局部磨粒堆積而出現堵塞[12]；較大的磨粒間距使每顆金剛石周身排屑空間充足，有利于控制磨削溫度。

（3）基于斷續磨削的開槽結構。通過砂輪開槽實現斷續磨削，有助于切屑排出，促使磨屑帶走更多的熱量，以改善散熱條件，同時工件的受熱時間變短，可有效降低磨削溫度[13-14]。

2 試驗條件與方法

2.1 試驗砂輪

試驗用釬焊金剛石砂輪磨粒選用河南黃河旋風股份有限公司的HSD80 品級金剛石，粒度代號為25 / 30。釬料選用BNi–2 型Ni–Cr 釬料，粒徑為150～270 μm。砂輪基體材料為45#鋼，其外徑為125 mm，內徑為65 mm。利用模板法進行磨粒有序排布，磨粒平均間距為0.8 mm。

為研究所制釬焊金剛石砂輪的打磨性能以及砂輪開槽的排屑散熱效果，試驗砂輪選用125 mm 鋼軌打磨用樹脂砂輪（砂輪A）、自制的有序排布釬焊金剛石砂輪（砂輪B）以及具有開槽結構的有序排布釬焊金剛石砂輪（砂輪C），具體參數見表1。砂輪C 上均勻開設了8 道徑向槽，槽的斷續比為0.8。試驗所用砂輪如圖1所示。

表1 砂輪相關參數Tab.1 Grinding wheel related parameters

圖1 試驗砂輪外觀Fig.1 Appearance of test grinding wheel

2.2 試驗設備與方案

打磨試驗在如圖2所示的鋼軌打磨試驗平臺上進行。為保證長時間的連續打磨，旋轉工作臺上裝載了定制的環形鋼軌（尺寸為外徑900 mm、內徑860 mm和高度120 mm），通過鋼軌工件的勻速轉動可以模擬仿形打磨機在鋼軌上的行進過程。此外，環形鋼軌上安裝有可拆卸的鋼軌試樣，以方便觀察磨削后鋼軌的表面形貌。同時，通過測量磨削前后的鋼軌試樣的質量，可求得砂輪的材料去除率。試驗的工件材料為U71Mn鋼軌鋼，打磨試驗機所設打磨參數見表2。

表2 打磨參數Tab.2 Grinding parameters

圖2 鋼軌打磨試驗平臺Fig.2 Rail grinding test platform

通過測定打磨前后鋼軌試樣的材料去除率，檢測砂輪的打磨效率。使用Quanta 250 FEG 掃描電子顯微鏡對所制備的釬焊砂輪磨粒微觀形貌進行觀測。使用南京江南永新光學有限公司的體式顯微鏡JSZ5B 觀測打磨后磨粒磨損狀況以及磨屑形貌，并使用JB–4C 觸針式精密粗糙度儀測量鋼軌試樣的表面粗糙度。

3 結果與討論

3.1 砂輪形貌分析

所制備的釬焊金剛石砂輪表面微觀形貌如圖3所示。圖3a 為砂輪正面微觀形貌，金剛石磨粒排布整齊有序，釬料熔化均勻，且無堆積現象。圖3b 為砂輪側面微觀形貌，磨粒出露理想，釬料爬升高度合理。圖3c為單顆磨粒的局部放大圖，金剛石表面無釬料覆蓋且刃口鋒利。

圖3 釬焊金剛石砂輪表面微觀形貌Fig.3 Surface micromorphology of brazed diamond grinding wheel

3.2 打磨效率

圖4 為打磨砂輪打磨效率對比圖。由圖4 可知：砂輪A 的打磨效率較低，但穩定性較好。分析認為：樹脂砂輪屬于多層結構，故能夠靠砂輪自銳性保持較為穩定的材料去除率，但因磨粒硬度、磨粒出露高度等因素的影響，其打磨效率較低。釬焊金剛石砂輪的打磨效率高于樹脂砂輪的，并隨打磨時間的增加發生較大波動。在打磨初期，由于有效磨粒數較多，砂輪B 的打磨效率要高于砂輪C 的。前20 min，砂輪B 和砂輪C 的打磨效率均有上升，分析是由于釬焊砂輪處于出刃階段，金剛石尖端發生微破碎后，磨粒鋒利度有所提高。打磨60 min 后，砂輪B 的打磨效率迅速下降，并在90 min 左右降至砂輪C 以下。分析認為：砂輪B 局部有磨屑黏附現象，使磨粒鈍化、排屑困難，繼續打磨后，磨屑黏附加劇，導致部分磨粒無法出露，打磨效率大幅度下降；而砂輪C 在打磨試驗期間沒有磨屑黏附現象，其打磨效率下降主要是磨粒逐漸破碎、磨鈍導致，且因為磨粒磨損過程具有連續性，打磨效率下降曲線也較為平緩。綜合來看，相較于樹脂剛玉砂輪，新型釬焊金剛石砂輪能提高50%左右的打磨效率。

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圖4 打磨砂輪打磨效率對比圖Fig.4 Comparison of grinding efficiency of grinding wheels

3.3 表面質量

使用JB–4C 精密粗糙度儀測得3 種砂輪打磨10 min后鋼軌試樣的表面粗糙度Ra分別為5.32，6.41，9.76 μm，均符合國家標準（要求Ra≤10 μm）。結合圖5所示鋼軌試樣表面形貌，有助于更直觀地比較不同砂輪的打磨表面質量。圖5a中，樹脂鋯剛玉砂輪的加工表面平整，粗糙度最低，磨削溝痕淺且窄。分析認為：一方面是樹脂砂輪磨粒出露低，單次磨削深度小；另一方面是樹脂砂輪具備高阻尼、高韌性，抗振能力強，故磨削更穩定。圖5b中，釬焊金剛石砂輪的加工表面磨削紋理清晰，每道紋路寬且深，犁溝兩側有金屬翻起，分析是因為釬焊金剛石砂輪單顆磨粒材料去除厚度大。圖5c中，開槽釬焊金剛石砂輪的加工表面粗糙度最差，表面出現許多不規則的溝壑，呈現細長毛刺狀（（圖5d），分析是因為砂輪徑向槽與鋼軌輪廓存在的干涉使磨削沖擊增大，鋼軌表面材料被金剛石沖擊后發生撕裂。雖然局部鋼軌打磨作業對表面粗糙度要求較低，但仍需適當控制，可通過優化開槽布局或設計阻尼減振結構，減小砂輪開槽引起的磨削振動，以提高鋼軌表面打磨質量。

從表面燒傷角度看，砂輪A 磨削表面呈現黃棕色，說明鋼軌表面已發生輕微燒傷[15]。砂輪B 和砂輪C 的磨削表面顏色均呈金屬光澤且無燒傷痕跡，這表明有序排布釬焊金剛石砂輪在穩定磨削階段具備優越的磨削性能，磨粒刃口鋒利，磨削溫度低。

3.4 磨粒磨損

在砂輪C 持續打磨3 h 后，砂輪不同區域會出現不同形式的磨粒磨損現象，磨粒磨損狀態如圖6所示，磨損分布如圖7所示。砂輪Ⅰ區和Ⅱ區的金剛石磨損最為嚴重，發生了嚴重的磨粒破碎、斷裂現象（圖6a），且局部有少量磨粒脫落（圖6b）。分析其原因是：Ⅰ區為砂輪外側邊緣，是鋼軌打磨的主要工作部分，該處磨粒要完成大部分金屬的去除，其切削行為產生的熱量最多，承受的磨削沖擊也最大，故磨粒易發生破碎磨損；Ⅱ區是砂輪上槽的切入側，該區磨粒在開槽引起的振動沖擊下也易發生破碎磨損。此外，部分金剛石表面有可能黏附上熔融金屬而形成積屑瘤（圖6c），其在磨削沖擊下脫落，進一步加劇了磨粒的破碎。砂輪Ⅲ區的磨粒多被磨平，且有少量磨屑黏附（圖6d），分析認為：砂輪內側磨粒主要進行劃擦、耕犁行為，磨粒易被磨平、磨鈍，Ⅲ區磨粒在鋼軌打磨時最先與被加工表面接觸，工件表面細小的磨屑、毛刺被“刮擦”后易發生聚集，使該處磨粒更易發生磨耗磨損。除上述區域外，砂輪上其他區域的磨粒磨損程度相對較輕，大多數金剛石晶型完整，可適當降低該區域金剛石磨粒品級。

圖6 砂輪C 表面的金剛石磨粒磨損狀態Fig.6 Abrasive wear of grinding wheel C surface

圖7 砂輪C 上的磨粒磨損分布Fig.7 Abrasive wear distribution of grinding wheel C

相較于樹脂砂輪，釬焊金剛石砂輪磨削溫度低、排屑空間大，但在持續的磨削過程中，仍存在部分磨屑來不及排出而黏附在砂輪表面。砂輪B 持續打磨鋼軌時，會隨打磨時間延長出現不同程度的磨屑黏附現象，如圖8所示。初期，磨屑黏附在釬料層表面（圖8a），使磨粒周圍的排屑空間減?。恢衅?，部分磨屑黏附在金剛石一側（圖8b），影響排屑空間，并與磨粒一起參與工件表面材料的去除，磨粒上的積屑瘤被擠碎后，磨粒會發生進一步破碎；后期，部分區域排屑空間不斷惡化，導致大量磨屑的聚集黏附，磨粒以及磨粒間幾乎被磨屑包裹（圖8c），磨粒出露高度變小，磨粒刃口鈍化，最后磨粒被磨平，失去磨削能力；磨粒被磨平后，釬料合金與鋼軌發生摩擦接觸，局部出現釬料胎體被磨平現象，形成如圖8d所示的磨粒黏附磨損。

圖8 砂輪B 表面磨屑黏附狀況Fig.8 Debris adhesion on the surface of grinding wheel B

綜上，開槽砂輪C 在打磨過程中沒有嚴重的磨屑黏附現象，其失效主要由磨粒破碎、斷裂導致，這表明：開槽砂輪能降低磨削溫度，有利于鋼軌打磨時磨屑的快速排出，具有一定的優越性，但振動加劇會引起磨粒磨損嚴重。依據開槽砂輪上磨粒磨損形式的分布特點，可對開槽砂輪上的磨粒選型、磨粒排布進行區域性優化，提高開槽砂輪的使用壽命。

3.5 磨屑形貌

圖9 磨屑形貌對比Fig.9 Comparison of debris morphology

圖9a 中，樹脂砂輪磨屑的平均體積較釬焊金剛石砂輪的更小，外形以細長磨屑和球狀磨屑為主。分析認為鋯剛玉磨粒以及磨削溫度是決定磨屑形狀的主要原因：樹脂砂輪上鋯剛玉磨粒出露低，最大切削厚度小，故形成的磨屑多為細長狀；樹脂砂輪散熱性差，打磨鋼軌時的瞬時溫度極高，細長磨屑在磨削高溫下易熔化蜷縮成金屬小球；樹脂砂輪磨粒分布不均，磨粒出露程度也不同，導致磨屑小球的體型差異較大（直徑小至幾微米，大至100 μm 以上）。

釬焊金剛石砂輪打磨所得的磨屑體積較大且形狀各異，多為大塊薄片帶狀和擠裂狀磨屑，無嚴重熱變形和球狀磨屑，如圖9b所示。金剛石磨粒刃口鋒利且出露高，其磨削過程能起到類似于“切削”的效果，從微觀切削角度看，不同刃口方向、鋒利度的磨粒存在不同的切削作用，如微刨削、微刃擠壓、劃擦和耕犁等，因此磨屑的形狀、大小各異。

與樹脂砂輪A 相比，釬焊砂輪B 和砂輪C 均沒有熔融磨屑小球出現。這說明，穩定磨削階段的釬焊金剛石砂輪具有優異的磨削性能，熱量能夠通過磨屑、周圍空氣以及砂輪自身有效排出，將磨削點溫度控制在磨屑熔點以下。

4 結論

（1）設計并制備了新型鋼軌打磨用釬焊金剛石砂輪，其具有理想的磨粒出露形貌，金剛石表面光潔且刃口鋒利，磨粒排列規整并被牢固把持。

（2）相較于傳統樹脂砂輪，釬焊金剛石砂輪能提高約50%的鋼軌打磨效率，并有效降低磨削溫度，避免鋼軌燒傷。

（3）對比未開槽釬焊砂輪，新型釬焊開槽砂輪的表面基本沒有磨屑黏附現象，砂輪開槽有助于磨屑排出，降低磨削溫度，但同時會引起磨削振動加劇，導致磨粒更易破碎，加工表面質量變差。其金剛石磨粒磨損存在區域性，砂輪外緣以及槽切入側的磨粒易發生破碎磨損，砂輪槽內側的磨粒易發生磨耗磨損。

（4）樹脂砂輪磨屑多為細長狀和球狀，磨屑體積??；而釬焊金剛石砂輪多為帶狀磨屑，磨屑體積大且無熔融小球。