汪智敏

（蘭州鐵路局蘭州工務(wù)機(jī)械段，甘肅 蘭州 730000）

1 前言

隨著我國(guó)鐵路運(yùn)輸事業(yè)快速發(fā)展，列車重量、行車密度及行車速度不斷增加，而且我國(guó)鐵路客貨混跑、客運(yùn)提速、貨運(yùn)重載、行車條件惡劣，使鋼軌的服役條件日益苛刻，從而對(duì)鋼軌的焊接質(zhì)量和焊縫加工水平提出了更高的要求；鋼軌焊縫的加工工藝流程為粗磨、正火、精矯直、精磨（銑），其中精磨（銑）是鋼軌焊縫最終加工的關(guān)鍵工序，直接影響著鋼軌焊接接頭平直度及行車面和導(dǎo)向面圓順過度等外觀質(zhì)量，對(duì)焊縫探傷也有一定影響。

河口南焊軌基地精整二線原設(shè)備為MK-1000C鋼軌焊縫數(shù)控精磨機(jī)，精磨機(jī)采用液壓控制磨頭對(duì)焊縫行車面和導(dǎo)向面部分進(jìn)行打磨加工，在使用過程中存在超范圍打磨、打虧母材現(xiàn)象；焊縫局部磨削不到位，需要人工修正，鋼軌打磨的局部溫度過高，影響SEC電子尺測(cè)量；加工時(shí)間一般8min左右，生產(chǎn)效率低[1]。

新研發(fā)的JKX-1000鋼軌焊縫數(shù)控精銑機(jī)將機(jī)械、電氣、液壓和測(cè)控集合為一體，高度自動(dòng)化的全新設(shè)備，采用了“以銑代磨”的生產(chǎn)工藝，克服了精磨機(jī)磨削工藝中長(zhǎng)鋼軌超范圍打磨，軌頂面、工作邊磨削后呈“駝峰”狀等問題，提高了鋼軌焊接接頭外觀質(zhì)量。

2 銑削加工原理

設(shè)備工作前初始位置是橫梁處于90°(垂直位，即1#刀位)，銑削刀頭位于左端；橫梁翻轉(zhuǎn)伺服原位在右軌0度位（即水平位）。鋼軌到達(dá)機(jī)床加工位置后，刀頭由左端起始位向右移動(dòng)，開始第1刀銑削加工，且執(zhí)行邊測(cè)量邊銑削，并將數(shù)據(jù)通過記憶功能反饋到其他幾刀銑削，第1刀完成后橫梁上移，兩仿形定位塊離開鋼軌表面，第1刀銑削結(jié)束；然后橫梁旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度 (即轉(zhuǎn)到第2刀加工位置)，并且按第1刀位檢測(cè)的數(shù)據(jù)，移動(dòng)到右側(cè)銑削點(diǎn)，橫梁下移使仿形定位塊達(dá)到鋼軌表面，開始銑削鋼軌第2刀加工面，如此往復(fù)進(jìn)行鋼軌銑削（采用往復(fù)一個(gè)回程銑削兩次的銑削模式），一直到第16刀位銑削完成，橫梁上升至原點(diǎn)，夾緊全部退回原點(diǎn)位，橫梁最后停止在90°，等待下一次銑削操作，共銑削16刀。第1刀為工作面測(cè)量銑削同步位，第15刀為導(dǎo)向面測(cè)量銑削同步位。加工順序如圖1所示。

圖1 加工順序示意圖

3 設(shè)備構(gòu)成

JKX-1000鋼軌焊縫數(shù)控精銑機(jī)主要由主軸旋轉(zhuǎn)伺服控制電機(jī)、水平移動(dòng)伺服控制電機(jī)、橫梁旋轉(zhuǎn)伺服控制電機(jī)（2臺(tái)）、鋼軌定位夾緊機(jī)構(gòu)、橫梁升降恒壓機(jī)構(gòu)、直線度測(cè)量用模擬量傳感器、鋼軌定位紅外一字線、電氣安全保護(hù)控制、電氣配電箱及人機(jī)界面觸摸屏等組成。是一套由機(jī)床、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)高度集成的自動(dòng)化銑削加工設(shè)備。

3.1 液壓系統(tǒng)

JKX-1000鋼軌焊縫數(shù)控精銑機(jī)液壓系統(tǒng)是一套比例控制的開式系統(tǒng)，分別由橫梁升降回路，橫向夾緊回路，垂直夾緊回路，銑頭升降鎖定等主要回路組成；各回路的壓力和速度由系統(tǒng)設(shè)置控制，能單獨(dú)調(diào)節(jié)，如圖2所示。

圖2 液壓原理圖

3.2 電氣系統(tǒng)

JKX-1000鋼軌焊縫數(shù)控精銑機(jī)電氣控制中，為保證油泵電機(jī)（5.5kW）帶載平滑啟動(dòng)，油泵電機(jī)控制系統(tǒng)采用德國(guó)進(jìn)口穆樂品牌---軟啟動(dòng)器，代替了我們以前Y-△降壓?jiǎn)?dòng)模式。軟啟動(dòng)器具有控制簡(jiǎn)易，參數(shù)設(shè)置靈活等特性，最大限度地減少油泵電機(jī)帶載啟動(dòng)過程中啟動(dòng)電流的沖擊。

CPU采用Q03UDECPU，是三菱中高端PLC（可編程序控制器）。具有體積小巧，工作穩(wěn)定，運(yùn)行速度快等特點(diǎn)，同時(shí)此PLC具有內(nèi)置以太網(wǎng)功能，可以方便地實(shí)現(xiàn)和外部數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、保存。

伺服定位模塊和伺服驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)傳輸采用光纖通信，各個(gè)伺服模塊之間可以通過光纖串行連接，能快速、穩(wěn)定、可靠地進(jìn)行伺服控制過程中各類數(shù)據(jù)的交換。它可以實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)和插補(bǔ)功能，使精銑機(jī)兩臺(tái)伺服電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)橫梁旋轉(zhuǎn)，大大降低橫梁旋轉(zhuǎn)過程中的扭曲。

人機(jī)界面（觸摸屏），人機(jī)界面GT2715觸摸屏與三菱PLC(可編程控制)采用數(shù)據(jù)總線接口進(jìn)行連接，它響應(yīng)速度快，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)無縫連接，保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能及時(shí)反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)操控。

3.3 機(jī)床

機(jī)床核心部件主要由底座，轉(zhuǎn)動(dòng)支撐，橫梁結(jié)構(gòu)，銑削頭及測(cè)量頭，仿形定位機(jī)構(gòu)，夾具支承部件組成；橫梁結(jié)構(gòu)，采用雙伺服電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)橫梁同步翻轉(zhuǎn)，防止橫梁產(chǎn)生扭曲[2]；雙側(cè)橫梁升降油缸通過同步控制油路，實(shí)現(xiàn)橫梁上下運(yùn)動(dòng)左右同步；采用橫梁翻轉(zhuǎn)平衡裝置，對(duì)橫梁進(jìn)行有效保護(hù)；定位夾緊部件中，在焊縫部位處增加液壓輔助支撐機(jī)構(gòu)，使鋼軌在銑削過程中始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 機(jī)床主要部件示意圖

4 JKX-1000鋼軌焊縫數(shù)控精銑機(jī)MK-1000C鋼軌焊縫數(shù)控精磨機(jī)對(duì)比

1）MK-1000C鋼軌焊縫數(shù)控精磨機(jī)根據(jù)兩點(diǎn)形成一條直線的幾何原理，精磨機(jī)的磨削砂輪對(duì)設(shè)定磨削長(zhǎng)度的兩點(diǎn)進(jìn)行探位，當(dāng)完成兩個(gè)點(diǎn)的探位后，計(jì)算機(jī)通過數(shù)值處理[3]，自動(dòng)調(diào)整磨削橫梁的高低與鋼軌上設(shè)定的磨削長(zhǎng)度兩端點(diǎn)連成平行直線，此時(shí)開始對(duì)鋼軌進(jìn)行磨削加工。

JKX-1000精銑機(jī)利用渦流傳感器，在1m范圍內(nèi)每5mm采集一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)值，工作面和導(dǎo)向面各采集200數(shù)據(jù)組成測(cè)量曲線，便于和現(xiàn)場(chǎng)使用的SEC施密特電子尺進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比；鋼軌直線度計(jì)算方法采用“兩端點(diǎn)連線法”計(jì)算，將采集數(shù)據(jù)點(diǎn)的首尾兩點(diǎn)連線，作為“鋼軌理想直線”，然后計(jì)算出各個(gè)測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于理想直線的偏離值，即直線度的誤差值，最后把所有點(diǎn)聯(lián)接，組成相對(duì)于“鋼軌理想直線”上下跳動(dòng)的誤差曲線，使鋼軌焊縫銑削加工精度更高；在測(cè)量銑削過程中若測(cè)量距離到0.18mm，則開始記憶銑削起點(diǎn)，至測(cè)量頭連續(xù)100mm測(cè)量數(shù)據(jù)均小于0.18mm，則銑削長(zhǎng)度到位停止。通過智能測(cè)量完成銑削位置及銑削長(zhǎng)度確定，并將數(shù)據(jù)通過記憶功能反饋到其它幾刀銑削；將銑削完成后測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行平直度合格的判定和數(shù)據(jù)的保存與傳輸，如圖4所示。

圖4 鋼軌直線度計(jì)算示意圖

2）JKX-1000精銑機(jī)采用了“以銑代磨”的生產(chǎn)工藝，克服了MK-1000C精磨機(jī)磨削工藝中出現(xiàn)的讓刀，超范圍打磨等問題，提高了鋼軌焊接接頭外觀質(zhì)量。

3）JKX-1000精銑機(jī)克服了MK-1000C精磨機(jī)磨削時(shí)鋼軌加工面局部溫度過高的情況，同時(shí)減少環(huán)境污染，有利于環(huán)保，提高工作效率[4]。

4）設(shè)備采用數(shù)字化控制方式，以程序控制全自動(dòng)加工，對(duì)各運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行自動(dòng)潤(rùn)滑方式潤(rùn)滑，操作簡(jiǎn)便。

5）設(shè)備在生產(chǎn)過程對(duì)發(fā)生的故障能自動(dòng)判斷，并在人機(jī)界面上顯示，便于維修與保養(yǎng)。

5 JKX-100鋼軌焊縫數(shù)控精銑機(jī)創(chuàng)新點(diǎn)

1）銑削定位采用恒壓仿形定位機(jī)構(gòu)，在定位過程中橫梁能自由收縮，自動(dòng)糾偏，始終使橫梁與鋼軌兩點(diǎn)保持平行，保證了銑削基準(zhǔn)的橫梁始終與鋼軌平行，如圖5所示。

圖5 仿形定位銑削示意圖

2）采用測(cè)量銑削同步機(jī)構(gòu)，大幅提高銑削效率。測(cè)量頭與銑削頭安裝在同一動(dòng)力頭上，以實(shí)現(xiàn)同步動(dòng)作，采用往復(fù)一個(gè)回程銑削兩次的銑削模式，共銑削16刀；通過智能測(cè)量完成銑削位置及銑削長(zhǎng)度確定，并將數(shù)據(jù)通過記憶功能反饋到其它幾刀銑削。工作面第1刀，導(dǎo)向面第15刀測(cè)量銑削同步同步進(jìn)行，即軌頂面和工作邊加工完畢后的測(cè)量數(shù)據(jù)，銑削加工時(shí)間4.5min左右，從而大幅度提高了銑削加工效率，如圖6所示。

圖6 測(cè)量頭與銑削頭

3）對(duì)銑削參數(shù)及銑刀刀片形態(tài)、角度等進(jìn)行了專題研究并進(jìn)行了攻關(guān)，銑刀直徑80mm，安裝8齒刀片；同時(shí)增加垂直與水平支撐滾輪，有效解決了精銑機(jī)銑削加工后，鋼軌表面波紋度過大問題，進(jìn)一步提高了長(zhǎng)鋼軌焊接接頭平直度[5]。

6 結(jié)束語

JKX-100鋼軌焊縫數(shù)控精銑機(jī)測(cè)量銑削同步機(jī)構(gòu)和恒壓仿形定位機(jī)構(gòu)，使用具有獨(dú)特形狀的刀片并增加了銑刀刀片數(shù)量，往復(fù)一個(gè)回程銑削兩次，提高了銑削加工效率和鋼軌銑削表面光潔度；銑削加工無粉塵，鋼軌表面加工溫度變化??；采用數(shù)字化控制方式，操作簡(jiǎn)便，基本滿足了長(zhǎng)鋼軌焊接接頭銑削加工要求；在實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了有不足之處，我們會(huì)不斷深入研究?jī)?yōu)化完善，推廣應(yīng)用到其他焊軌基地。