钢轨在线铣削技术的研究

王磊

【摘 要】分析了钢轨铣轨在线铣削技术的原理，铣削方向和铣盘大小对铣削力的影响，而铣削力又是影响铣轨车对钢轨表面铣削质量和刀具使用寿命的重要因素，因此，研究铣削方向和铣盘大小对铣削力的影响有着非常重要的意义。文中通过对国内外铣轨车铣削技术的研究和对比，为自主设计钢轨在线铣削装备提供了一定的理论依据。

【关键词】钢轨铣削；圆周铣削；铣盘

【Abstract】Analysis of the principle of rail milling technology， the effect of milling direction and milling disc size on milling force， the milling force is an important factor that influence on the rail milling surface quality and service life of tool. Therefore， it is very important to study the influence of rail milling direction and milling disc size on the milling force. In this paper， through the research and comparison of milling technology of milling machine at home and abroad， this paper provides a theoretical basis for the choice of the size of the milling.

【Key words】Milling Machine；Peripheral Milling；Milling Disc

0 前言

伴随铁路运量增加和运行速度的提高，钢轨表面损伤问题开始越来越突出，其中常见的损伤有钢轨滚动接触疲劳裂纹、波磨和曲线上股钢轨侧磨。如果钢轨表面损伤得不到及时、有效的整修，将严重影响行车安全以及钢轨使用寿命。为了保证列车运行的安全性、稳定性和舒适性，改善轮轨接触状态， 降低轮轨噪声，提高钢轨的使用寿命，同时提高工务部门对钢轨表面伤损控制和减缓的效率， 必须采用快速、高效的在线整修技术来消除钢轨表面伤损， 恢复钢轨良好的型面和平顺度。

钢轨铣削可以较快地铣削掉钢轨表面伤损，适合消除顶面波磨、裂纹和剥离掉块等伤损。对较严重的表面伤损，也可以通过切削量的设置而实现一遍铣削即修复钢轨缺陷；其钢轨表面平顺度恢复较好，作业效率较高。同时，通過预先设计好的刀粒排列方式，作业前期无须进行刀架的调整就可以恢复钢轨横断面轮廓，适合消除轨距角、外侧角的肥边或塑性变形，其作业准备工作较少，也不需要拆除轨旁设备，作业对空气、噪声的污染小，在城市轨道交通隧道等环境要求较高的地段使用的优点则更加显著。

1 铣轨车铣轨原理

铣轨车作业分为粗铣和精铣两道工序：粗铣采用圆周铣削的方式，刀盘上有若干相同的刀架，每个刀架上有两排刀粒，拟合成与标准钢轨横断面轮廓一致的曲线，从而通过铣削使钢轨恢复到标准廓形；精铣采用端面铣削的方式，通过两个啮合的齿形刀架旋转对粗铣后的轨顶面铣削加工，消除粗铣后残留的楞痕而达到更高的精度要求。

2 自动对刀找正的原理

铣盘可以相对于钢轨横向和垂向移动。横向移动通过伺服马达带动丝杆转动实现；垂向运动通过液压提升油缸和垂向伺服马达带动垂向丝杆转动实现。

铣盘处于钢轨的位置主要由三个传感器来控制，分别为一个光传感器和两个位移传感器（如图1）。

铣盘相对于钢轨有三种位置状态：安全锁定状态、铣削作业准备状态和铣削作业状态。由安全锁定状态到达铣削作业准备状态的过程即为对刀找正。其原理为发出作业准备信号后，光传感器进行扫描，感应出钢轨的大概位置，然后油缸和伺服马达快速带动铣盘横向和垂向运动到达钢轨附近，当铣盘达到钢轨附近后由轨侧和轨顶面的位移传感器感应钢轨准确的位置，为保护刀粒，在铣盘距离钢轨表面2mm左右的位置停住，即到达作业准备状态；铣削作业状态同样由轨侧和轨顶面的位移传感器控制轨侧和轨顶面铣削量的进给。

3 铣削方向的选择

考虑被铣削对象为在线钢轨的特殊性：工件不易夹紧，且为细长件，因此钢轨铣轨车铣削方向选择为顺铣的方式。有如下优势：

1）能够保证铣削的平稳性：在铣削作业时，铣刀对钢轨的作用力在垂直方向分力FN始终向下，因此对钢轨起到压紧作用，保证了铣削的平稳性；

2）提高铣刀的使用寿命：铣刀刀刃切入钢轨之初，切屑厚度最大，逐渐减小到0。后刀面与已加工表面挤压、摩擦小，刀刃磨损慢，且表面质量好；

3）利于减小整车作业走行的功率损耗：顺铣时铣刀对钢轨在水平方向上的分力与整车走行的方向一致，因此利于减小功率损耗。

4 铣盘大小对铣削作业的影响

4.1 对刀具名义压力角的影响

其中H为距离钢轨轨顶面的铣削深度，这里取H=0.6mm。

如此可以计算出不同铣盘直径时候的刀具名义压力角α大小（见下表1）。

如上表所示，压力角α是与刀盘直径相关，直径越大，其压力角越小；但其压力角的变化不是比例递减的，而是随着刀盘的增大其变化量越来越小。同时，压力角越小，则主切削力在垂直方向的分力也就越小，也同样减小铣刀刀粒的压力，如此降低铣削时铣盘发生振动的风险，提高使用寿命。

4.2 对铣削后残留波幅的影响

其中fz为每齿进给量，这里取fz=5mm。

如此可以计算出不同铣盘直径时候的残留波幅h的大小（见下表2）

如上表所示，残留波幅h是与刀盘直径相关，直径越大，其残留波幅越小；但其压力角的变化不是比例递减的，而是随着刀盘的增大其变化量越来越小。同时，残留波幅越小表明铣削后的表面质量越高。

5 结语

相比较传统的钢轨打磨技术，钢轨铣削技术具有更高效和环保等特点，是快速线路钢轨整形恢复不可缺少的工务装备；另一方面，钢轨铣削技术更适用于地铁、轻轨线路的维护。目前全路钢轨整形作业装备少，覆盖面小，且各地正进行地铁、轻轨建设的高潮，所以钢轨铣削技术应用的前景是很广阔的，但目前铣削设备主要为进口，通过对钢轨铣削工作原理的研究对下一步自主创新开发钢轨铣削整形装备具有较大意义。

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[责任编辑：田吉捷]