연삭석의 구조 설계

현재 국산 연삭석의 주요 단점 중 하나는 강철 레일이 타는 경향입니다[1]. 레일 연삭 공정에서 연삭재의 연삭 효과(슬라이딩, 쟁기질, 절삭)와 바인더와 레일 계면 사이의 마찰이 연삭열의 주요 원인입니다[3]. 열(연삭열)과 힘(기계적 힘)의 결합 효과로 레일 재료의 펄라이트는 오스테나이트 변태를 겪고 이후 냉각 과정에서 마르텐사이트와 페라이트를 형성하여 높은 경도와 취성 백색층 구조를 형성합니다. 그림 1(a)에서 볼 수 있듯이 백색층과 펄라이트의 경계면에서 부분적인 균열이 진전되어 레일의 조기 파손을 유발합니다[1]. 연마 공정에서 강철 레일 표면은 다양한 정도의 산화를 겪어 연마된 레일의 색상이 달라집니다. 노란색, 파란색, 보라색은 일반적으로 "타(burn)"라고 합니다. Lin et al. [9]는 다양한 연마 매개변수에서 연마 계면의 온도를 실시간으로 모니터링하기 위해 강철 레일에 반인공 열전대를 배치했습니다. 그들은 연마 온도를 강철 레일 표면의 화상 정도와 비교하여 그림 1(b)에 표시된 것처럼 화상 정도(색상 변화)와 연마 온도 간의 관계 모델을 확립했습니다. 이를 바탕으로 Zhou et al. [3]은 레일 연마 중 온도와 백색층의 두께 및 소성 정도 간의 관계 모델을 확립하여 그림 1(c)에 표시된 것처럼 레일 연마 매개변수를 최적화하는 새로운 방법을 제공했습니다. 위의 연구 결과는 연삭 매개변수를 최적화하고 연삭 열을 줄이는 것이 레일 화상을 개선하는 중요한 방법임을 나타냅니다.

그림 1. 연삭에 의한 레일 연소 및 백색 에칭층(WEL)

많은 학자들이 연삭석 설계의 관점에서 레일 연삭 화상의 메커니즘을 탐구합니다. Zhang 등의 연구 결과[2]에 따르면 백색 코런덤 연삭석은 자체 예리함이 가장 좋고 연삭 효과가 가장 커서 연삭 온도가 가장 높고 백색층 두께가 가장 두껍습니다. Yuan 등[4]은 연삭석에 기공 구조를 미리 제작했는데, 이는 연삭 파편 배출에 유익하고 연삭석 막힘을 줄이며 연삭 온도를 낮추고 연마된 강철 레일의 표면 품질을 개선합니다. Wang 등[5]은 연삭석 경도(N, R, P, T)가 강철 레일의 표면 품질에 미치는 영향에 대한 연구를 수행했으며, 그 결과 백색층의 두께는 연삭석 경도가 증가함에 따라 증가한다는 것을 보여주었습니다. 따라서 연삭석 구조(기공, 연마재 구성), 경도 등을 합리적으로 조절하면 레일 화상을 개선하는 데 긍정적인 효과가 있습니다.

위의 연구 결과는 연삭 매개변수와 연삭 스톤 성능이 레일 연삭 화상에 영향을 미치는 두 가지 주요 요인임을 나타냅니다. 노선에 있는 기존 연마 차량의 경우 연마 효율을 보장하기 위해 기존 차량 구조의 작동 매개변수를 크게 조정하기 어렵습니다. 따라서 연삭 스톤 구조의 설계 및 성능 제어는 레일 화상을 개선하는 효과적인 방법 중 하나입니다. Wu et al. [7, 8]은 그림 2(a)에 표시된 것처럼 특정 배열로 브레이징 다이아몬드 조립 블록을 연삭 스톤에 이식했습니다. 연마 결과는 복합 연삭 스톤이 레일 연마 효율을 효과적으로 향상시키고 연마된 레일의 표면 거칠기를 줄이며 레일 화상을 개선할 수 있음을 보여줍니다. Zhao Jinbo et al. [9]은 CaF2를 폴리에테르에테르케톤과 결합하여 자체 윤활 조인트 블록을 형성하고 그림 2(b)에 표시된 것처럼 연삭 스톤 배아에 넣어 자체 윤활 연삭 스톤을 준비했습니다. 연삭 결과는 연삭 스톤이 마모됨에 따라 자체 윤활 조인트 블록이 연삭 스톤과 레일 사이의 계면에서 지속적으로 분리되어 연삭 열을 줄이고 레일 연소를 개선할 수 있음을 보여줍니다. 브레이징 조립식 블록, 자체 윤활 조인트 블록 등을 연삭 스톤 매트릭스에 이식하면 불균일한 연삭 스톤 구조가 발생하고 강도가 낮은 계면(연삭 스톤 매트릭스/임플란트 블록 계면)이 발생하여 복합 구조 연삭 스톤의 기계적 특성(회전 강도, 동적 균형 등)을 보장하는 것이 핵심 과제입니다. Wu 등[10]은 그림 2(c)와 같이 슬릿이 있는 브레이징 CBN 연마 연삭 휠을 설계하여 레일 작업물의 연소를 개선했습니다. 그러나 연삭 스톤에 사용된 브레이징 층은 레일 연삭 공정 중 내마모성이 좋지 않으며 연삭 스톤의 수명이 매우 짧습니다. 따라서 연삭석 구조의 합리적인 설계/규제는 연삭열 감소 및 레일 연소 개선에 긍정적인 영향을 미치지만, 연삭석이 양호한 물리적, 화학적 특성과 가공성을 갖도록 보장하기 위해 반드시 고려해야 할 전제 조건입니다.

(a) 사전 세팅된 다이아몬드 블록 연삭석[7,8]

(b) 사전 설정 자체 윤활 블록 연삭 숫돌[9](c) 슬릿 구조의 연삭석[10]

그림 2. 연삭석의 구조 설계

참조

[1]A Al-Juboori, DAVID Wexler, LI Huijun 외. 레일 강재 표면의 쪼그라든 형태와 두 가지 유형의 백색 에칭층 발생[J]. 국제 피로 저널, 2017, 104: 52-60.

[2]GUO Shuai, ZHAO Xiangji, HE Chenggang, et al. 수중 조건에서 레일의 피로 손상에 대한 연삭 흔적의 영향[J]. 중국 기계 공학, 2019, 30(08): 889-895.

[3]36[3] ZHOU Kun, DING Haohao, Steenbergen Michaël, et al. 레일 연삭 매개변수의 함수로서의 온도장 및 재료 반응[J]. 국제 열 및 물질 전달 저널, 2021, 175: 12366.

[4]YUAN Yongjie, ZHANG Wulin, ZHANG Pengfei 외. 레일 연삭 시 사전 피로 완화 및 재료 제거 효율 향상을 위한 다공성 연삭 휠[J]. Tribology International, 2021, 154: 106692

[5]WANG Ruixiang, ZHOU Kun, YANG Jinyu 외. 레일 연삭 거동에 대한 연삭 재료 및 연삭 휠의 경도의 영향[J]. Wear, 2020, 454-455: 203332.

[6]57[6] ZHANG Wulin, ZHANG Pengfei, ZHANG Jun 등. 레일 연삭 거동에 대한 연마 입자 크기의 영향 조사[J]. 제조 공정 저널, 2020, 53: 388-395.

[7]XIAO Bing, XIAO Haozhong, XIAO Bo 등. 고효율 레일 연삭용 연삭 휠 및 제조 방법: 중국, CN 108453638 A[P]. 2018-08-28.

[8]WU Hengheng, XIAO Bing, XIAO Haozhong, et al. 연삭 시간에 따른 브레이징 다이아몬드 시트의 마모 특성[J]. 마모, 2019, 432-433: 202942.

[9]WU Hengheng, XIAO Bing, XIAO Haozhong, et al. 다양한 압력 하에서 레일 복합 연삭 휠용 브레이징 다이아몬드 시트의 마모 특성에 대한 연구[J]. 마모, 2019, 424-425: 183-192.

[10]LIN Bin, ZHOU Kun, GUO Jun, et al. 연삭 매개변수가 연삭 레일의 표면 온도 및 연소 거동에 미치는 영향[J]. Tribology International, 2018, 122: 151-162.