图1 铣削加工示意图
Fig.1 Schematic diagram of milling
·制造与维修工艺•
栏目评述：无缝钢轨的质量是确保高铁可靠运行的重要保障。本栏目集中报道了钢轨制造及维修维护过程中涌现的新工艺新技术。《钢轨焊接接头精密整形工艺及方法》一文研究了钢轨焊接接头精密整形新工艺及方法；《中频逆变直流焊轨技术研究》一文提出的中频逆变直流焊轨技术具有高效率、高控制精度等优点，是一项具有自主知识产权的新技术；为提高 500 m 长钢轨的制造效率，减少作业过程中的弯曲扭转变形，《基于格雷母线的长钢轨上轨系统设计》一文采用格雷母线定位技术，实现了5 mm定位精度；《基于相控阵的高速铁路钢轨超声探伤检测系统》一文提出了一种新型钢轨超声探伤检测系统，该系统可进行高速探伤数据的采集，可实现实时探伤、记录和智能化数据分析，革新了传统的钢轨探伤技术；《高速轨端部平直度控制方法的研究与运用》一文采用“大变形+小变形”矫直方案，优化了钢轨端部矫直工艺；《高速铁路无砟轨道系统状态监测及预防性维修》一文从全寿命周期角度，提出了高速铁路无砟轨道预防性维修技术。上述研究在钢轨制造、维修领域进行了富有意义的探索和创新，促进了无缝钢轨制造水平和运行性能的提高。
高速铁路中，无缝线路可消除车轮对钢轨接头的冲击，使得列车运行平稳，乘坐舒适，并可延长线路设备与机车车辆的使用寿命，减少线路养护维修的工作量[1]。
焊接生产技术是超长无缝钢轨制造的唯一手段[2]。焊缝接头的精度直接影响高铁的舒适性，甚至是列车的行车安全[3]。我国高速铁路标准轨面平直度偏差要求不大于0.2 mm/m，高于德、日等国0.3 mm/m的标准[4]。对于焊缝接头的精密整形处理，国内外的传统工艺主要是打磨，其中比较典型的有法国吉斯玛公司生产的MAS150型钢轨精磨机以及法国Railteeh Intemational集团拉伊台克公司生产的MMA-14AL型钢轨精磨机[5]。精磨机主要依靠砂轮的高速磨削除掉多余的金属组织，磨削过程中焊缝处会产生大量的热，冷却下来后容易产生低接头问题，这严重影响铁路的行车安全，在铁路上是不允许的，必须增加大量的人力进行人工修复，效率低且精度难以保证[6]。
我国高速铁路建设速度快、对钢轨质量要求高，如何在保证质量的前提下提高焊缝的整形速度，是高铁研究的重难点。本文提出了一种以铣代磨的焊缝整形技术，实现了对焊缝的高效精密整形。
为了实现长钢轨工作面以及作业面良好的直线度和平顺性，本文提出采用先进的“以铣代磨”的生产工艺，将该工艺用于高铁长钢轨的加工中，消除了磨削工艺中长钢轨工作面、作业面的“骆峰”残留现象，提高了高铁钢轨的产品质量。铣削加工示意图见图1。
图1 铣削加工示意图
Fig.1 Schematic diagram of milling
钢轨焊接的行业标准要求在钢轨的纵向1 m范围内测量钢轨焊缝平直度[7]。首先采用平直度检测装置进行测量，测量钢轨顶面以及以顶面为基准16 mm处工作边及非工作边位置的平直度，测量范围为0～1 m。
为达到1 m范围内的平直度要求，铣刀的走向采用纵向铣削。考虑到铣削空间大小，精铣机采取单头的纵向铣削方式对钢轨焊缝进行加工。
铣削加工根据钢轨加工面隔断弧度的不同，在钢轨截面上分为多刀(多个加工角度)，其分布示意图见图2。图3为铣刀铣削最大角度加工位置示意图。
图2 钢轨焊缝精铣机加工角度分布示意图
Fig.2 Diagram of angle distribution of rail welding finishing-milling machine
图3 铣刀铣削最大角度加工示意图
Fig.3 Machining sketch for maximum angle of milling cutter
钢轨焊缝精铣机主要由机床机械机构、电气控制系统、液压系统等部分组成，见图4。
图4 精铣机整体结构
Fig.4 Diagram of the structure of finishing-milling machine
外夹具是夹持钢轨的重要部件，它由外、内及轨底自动定心各两套共6个夹具一起来完成对钢轨的导向、定位和夹持。横向移动装置是带动铣刀做X向运动的重要部件之一，它采用伺服电机与精密滚珠丝杆直连方式，由横梁体、防护带、滚珠丝杠副组成。垂直移动装置由伺服电机、连轴器、轴承、滚珠丝杆副、滑台体、滑座体、轴承等组成。铣削头装置采用加工中心通用主轴单元，可适应高转速下工作，并具有自润滑性能好、更换方便等特点。回转机构为双同步回转机构，采用双驱动的变齿厚蜗轮、蜗杆。两回转机构的同步采用数控系统的同步装置，可使同步误差较小。
如图5所示，主轴箱垂直运动为Z轴，主要用来控制加工时的铣削量，水平运动为X轴，主要用来控制焊缝两侧的加工范围。X轴和Z轴进行插补运动，能够加工在X方向和Z方向上的任意曲线。横梁旋转运动为A轴，用来控制刀架的旋转，铣削轨头不同角度的作业面。
图5 机床坐标系统
Fig.5 Machine tool coordinate system
电气控制部分由高级智能数控系统、全数字化伺服驱动器、高精度激光传感器、工业控制计算机等组成。该电气控制系统具有实时在线测量、自动生成工件坐标程序、自动智能误差补偿、图形界面显示、自检测、故障报警显示、远程监控、数据上传等功能，它操作简单，能够高智能高效率地进行焊缝精铣工作。电气系统的硬件框图见图6。
数控系统由数控及驱动单元(CCU或NCU)、MMC、PLC模块三部分组成，是精铣机控制系统的核心部件，所有的逻辑控制、测量控制、伺服刀架控制等都由它来完成，如图7所示。
精铣机液压系统由液压站、液压管路、油缸及油马达等组成，分别控制机床移动、机具松紧、打刀等液压动作。各回路的压力和流量由系统设置的比例溢流阀和比例调速阀控制，且能单独调节。液压系统原理如图8所示。
参照我国铁路标准，加工后钢轨平直度符合《TB1632.1—2005钢轨焊接第1部分通用技术条件》中关于钢轨平直度的要求。铣削过程中可自动进行数字测量控制、图形显示、数据存储上传。精铣机主要参数如表1所示。
采用控制系统中的平直度检测系统对加工钢轨的平直度进行检测。系统根据检测数据可自动计算出加工区间并生成坐标，数控系统根据坐标控制相应的伺服轴进行插补，使该设备实现智能化加工。加工完成之后，检测数据通过网络被传送到基地的生产管理系统进行存档，这使得每一个焊缝的加工质量都可追溯。
图6 电气系统的硬件框图
Fig.6 Electrical system diagram
图7 数控系统示意图
Fig.7 Diagram of control system
图8 液压系统原理图
Fig.8 Schematic diagram of hydraulic system
图9为平直度检测的波形图，其中，粗实线围成的区域为系统根据测量结果生成的需要加工的区域。经精铣机铣削后的钢轨见图10。
本文钢轨焊缝精铣机相比传统精磨机具有以下优势：
(1)利用数控铣床刚性好、控制精度高等特点，配合高性能铣刀，可实现大走刀量的铣削，消除了压力进给“让刀”现象，可铣削出理想的轮廓曲线。
表1 精铣机技术参数
Tab.1 Milling machine technical parameters
床身移动距离(mm)1 000铣头横向行程(mm)1 000铣头横向最大运行速度(m/min)30铣头纵向行程(mm)200铣头纵向最大运行速度 (m/min)18直线度检测行程(mm)1 000直线度测量精度(mm)0.005转台的回转速度(r/min)4转台回转范围(°)180机床主轴转速(r/min)500～1 200,变频可调横、纵向定位精度(mm)0.02横、纵向重复定位精度(mm)0.01转台的定位精度15″转台的重复定位精度4″加工一个接头时间(min)4～6
(a)轨顶
(b)轨侧
图9 检测波形图
Fig.9 Measurement of waveform
图10 铣削后钢轨图
Fig.10 Milled rails
(2)数控系统根据平直度检测的相关数据，可快速确定出刀具的铣削区间，以及工作面、作用边理想曲线轨迹。通过角度检测，确定每个角度的入刀点和收刀点的坐标值，保证长钢轨加工面与非加工面的平滑过渡。不需要后续人工二次打磨，加工精度比精磨机精度高。
(3)铣削加工过程无明显温升，不会破坏钢轨母材组织结构，不会对检测精度造成影响。
(4)铣削加工过程没有粉尘，只产生铁屑，不仅铁屑可回收利用，且省掉了精磨机必须安装的除尘设备。
(5)精铣机采用成熟的数控铣床技术，使用寿命长、稳定性能好，不需要频繁维护，且刀片使用时间长，日常使用的刀片消耗成本不到精磨机砂轮消耗成本的三分之一。
目前，钢轨精铣机已经在武汉焊轨基地、芜湖北焊轨基地、南昌焊轨基地等得到了应用。其中，武汉焊轨基地自运用本产品后，已完成了8 700千米的焊接钢轨的生产工作，为京广、京沪等高铁干线提供了足量优质的长钢轨，确保了我国高速铁路的建设。
(1)创新性地提出以精密铣削取代精密磨削工艺，研制出了钢轨焊缝精铣机，它集成了机、电、液、测控和模拟仿真技术。铣削固有的优点使得钢轨加工温升小(5 ℃左右)，不会产生二次形变，不会破坏原轨晶体结构。
(2)将接触式和非接触式两种检测技术相结合，保证平直度能满足钢轨的要求。
(3)采用双驱动的变齿厚蜗轮蜗杆双同步回转机构和机械伺服进给机构，保证设备回转精度和进给精度，消除了压力进给“让刀”现象，提高了铣削精度。
(4)通过铣刀材料、几何尺寸和铣削工艺参数的匹配设计，实现快速平稳铣削，可有效控制铣削应力和变形，保证加工精度和性能。
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