金刚石砂轮在高铁轨道板加工中的应用

金刚石砂轮在高铁轨道板加工中的应用文/魏军、雷来贵郑州磨料磨具磨削研究所摘要：本文简要阐述了高铁轨道板加工专用砂轮的设计制造，通过分析砂轮在使用过程中可能出现的不良现象，提出了相应的解决方案，并预计金刚石工具在高铁建设等方面应用将越来越广泛。前言无砟轨道是以混凝土或沥青砂浆取代散粒道砟而组成的轨道结构型式，它具有轨道稳定性高，刚度均匀性好，结构耐久性强和维修工作量少等特点，对于高速铁路较传统的有砟轨道有更好的适应性。我国对板式无砟轨道的研究是随着对高速铁路的研究不断深入进行的，高速铁路轨道板不是普通的混凝土制品，由于轨道板生产所用混凝土的复杂性以及轨道板尺寸要求相对比较严格，承轨台打磨精度必须保证钢轨架设误差不超过0.3毫米，因此对于工具制造行业提出了很高的要求，为了满足博格式轨道板的加工，轨道板磨削专用金刚石砂轮的研究制造迫在眉睫。轨道板加工专用砂轮的结构形式及制造对于高铁用博格式轨道板的加工，所使用的设备大部分依赖进口，近几年，威海华东数控公司生产出了CRTSll型轨道板专用数控磨床，填补了国内空白。专用磨床所配砂轮规格φ550×H200×φ304，具体尺寸见图1，轨道板表面粗糙度要求为Rz=50～70µm，磨削余量为2mm，由于轨道板承轨台表面粗糙度要求不高而磨削余量较大，因此所使用的金刚石砂轮粒度选为：40-50#，砂轮基体采用20CrMo钢锻打处理，轨道板磨削专用砂轮的主要制作工艺过程如图2。砂轮基体通过除油除锈以及表面绝缘等处理后，采用埋砂法进行上砂操作，由于轨道板加工专用砂轮尺寸较大，形状较为复杂，一般选择分两次上砂，首先镀20°斜面和R9圆弧部分，然后镀直径525mm的外圆部分，由于使用磨料较多，需采用特殊的护砂处理。制作过程中注意避免R9部分过多镍瘤的产生。镀后对表面清除毛刺、结瘤以及去除绝缘胶布或绝缘漆等，在稀盐酸中浸泡几分钟，去掉锈斑，带电放入光亮镀槽中，镀上一层光亮镍，这样整个砂轮的制作过程已经完成，镀后砂轮外观形状如图3。为了保证砂轮的使用寿命，不仅要求把原料的选择作为控制的主要对象，加工制造工艺也非常关键，上砂时间的长短对砂轮磨削过程的性能具有一定的影响，在砂轮的生产过程中，主要考虑镀层对金刚石的把持能力，以及镀层是否有利于金刚石的磨削作用，镀层太薄，结晶不致密，把持金刚石不牢固，金刚石容易脱落，砂轮寿命较低；但如果镀层较厚，完全将金刚石覆盖，金刚石就不能起磨削作用，磨削力较大，直接影响金刚石砂轮的使用，甚至无法使用,更容易造成被加工工件的报废或存在潜在危害。一般应该使金刚石粒径的2/3嵌镶在镀层中，能够充分发挥金刚石磨料的磨削作用。电镀金刚石砂轮根据其外表颜色判断，如砂轮表面金黄则胎体金属包镶过少，如果砂轮表面发白，则胎体金属包镶过多，因此在生产过程中应严格控制加厚时间，使金刚石砂轮使用寿命达到相对理想的状态。砂轮使用过程中的具体参数以及可能出现的问题高铁轨道板专用砂轮用于对博格板式轨道板的混凝土承轨台进行打磨，每块轨道板长6.45米、高20厘米、重约9.6吨，具体形状见图4，通过滚轮传送将毛坯板输送到加工工位，调平定位系统进行无应力调平和夹紧定位，激光测量装置进行毛坯板承轨台上关键点进行测量，实现轨道板承轨台的数控加工。轨道板专用加工磨床如图5，经过磨削后的轨道板能够满足线路的平顺性、稳定性、安全性等要求。承轨台的加工过程中，金刚石砂轮线速度为45m/s，金刚石砂轮使用过程中可能出现局部脱落、圆弧部分磨损较快、砂轮整体寿命不高（要求单片砂轮加工轨道板180个以上）等现象。针对上述局部脱皮现象，首先从基体的预处理工艺入手，严格控制基体的除油、除锈，对电镀液去除杂质，并调整电镀液的PH值为5～5.5，基本避免了此现象的出现；对于砂轮圆弧部分磨损较快以及砂轮整体寿命不高的现象，通过采用圆弧部分上砂加厚，将已上好砂的电镀砂轮从镀槽中取出，除去浮砂，移至另一个电镀槽中进行电镀加厚，但要严格控制砂轮加厚时间，完全能够解决砂轮磨损较快的情况，因此只要对工艺过程严格控制，完全能够避免砂轮使用过程中上述不良现象的出现。展望2011年，高速铁路预计将建成通车4715公里，按照每片砂轮加工200个轨道板计算，需要4000片砂轮，每片砂轮进口需要2800美元，可节约外汇1000多万美元，另外供货周期缩短，服务质量也将大大提高。通过中国高速铁路的发展和运营实践表明，虽然还有一些问题，但不可否认高速铁路的发展空间和潜力非常巨大，所以加工轨道板专用金刚石砂轮的用量将会越来越多，为了降低成本和提高金刚石砂轮的使用寿命，青铜结合剂金刚石工具或钎焊金刚石工具也有可能会应用到高铁轨道板的加工中来，可以预见，金刚石工具在新兴行业（高铁、风能、太阳能等）的应用会越来越广泛。