맷돌의 구조 설계

현재 국내 생산 연삭석의 주요 단점 중 하나는 강철 레일을 태우는 경향이 있다는 것입니다[1]. 레일 연삭 과정에서 연마재의 연삭 효과(미끄러짐, 쟁기질, 절단)와 바인더와 레일 계면 사이의 마찰이 연삭열의 주요 원인입니다[3]. 열(연삭열)과 힘(기계적 힘)의 복합적인 영향으로 레일 재료의 펄라이트는 오스테나이트 변태를 겪고 냉각 과정에서 마르텐사이트와 페라이트를 형성하여 높은 경도와 취성을 가진 백색층 구조를 생성합니다. 백색층과 펄라이트의 경계면에서 부분적인 균열이 전파되어 레일의 조기 파손을 초래합니다[1]. 그림 1(a)에서 볼 수 있듯이 연마 과정에서 강철 레일 표면은 다양한 정도로 산화되어 연마된 레일의 색상이 달라집니다. 노란색, 파란색, 보라색은 일반적으로 "태움"이라고 합니다. Lin et al. [9]은 다양한 연마 조건에서 연마면의 온도를 실시간으로 모니터링하기 위해 강철 레일에 반인공 열전대를 설치했습니다. 그들은 연마 온도와 강철 레일 표면의 연소 정도를 비교하여 연소 정도(색 변화)와 연마 온도 사이의 관계 모델을 그림 1(b)에 나타냈습니다. 이를 바탕으로 Zhou 등[3]은 레일 연마 중 온도와 백색층의 두께 및 연소 정도 사이의 관계 모델을 구축하여 레일 연마 매개변수를 최적화하는 새로운 방법을 그림 1(c)에 제시했습니다. 위의 연구 결과는 연마 매개변수를 최적화하고 연마열을 줄이는 것이 레일 연소를 개선하는 중요한 방법임을 보여줍니다.

그림 1. 연삭으로 인한 레일 연소 및 백색 에칭층(WEL)

많은 학자들이 연삭석 설계 관점에서 레일 연삭 연소 메커니즘을 연구해 왔습니다. Zhang 등[2]의 연구 결과에 따르면 백색 코런덤 연삭석이 가장 우수한 자체 예리도와 가장 현저한 연삭 효과를 나타내어 가장 높은 연삭 온도와 가장 두꺼운 백층을 형성하는 것으로 나타났습니다. Yuan 등[4]은 연삭석에 기공 구조를 미리 제작하여 연삭 잔해 배출을 용이하게 하고, 연삭석 막힘을 줄이며, 연삭 온도를 낮추고, 연마된 강철 레일의 표면 품질을 향상시켰습니다. Wang 등[5]은 연삭석 경도(N, R, P, T)가 강철 레일 표면 품질에 미치는 영향을 연구했으며, 그 결과 백층 두께가 연삭석 경도가 증가함에 따라 증가하는 것을 확인했습니다. 따라서 연삭석 구조(기공, 연마재 조성), 경도 등을 적절히 조절하면 레일 연소를 개선하는 데 긍정적인 효과를 얻을 수 있습니다.

위의 연구 결과는 연삭 매개변수와 연삭석 성능이 레일 연삭 마모에 영향을 미치는 두 가지 주요 요인임을 나타냅니다. 기존 연마 차량의 경우, 연마 효율을 확보하기 위해 기존 차량 구조에서 작동 매개변수를 크게 조정하기는 어렵습니다. 따라서 연삭석 구조의 설계 및 성능 제어는 레일 마모를 개선하는 효과적인 방법 중 하나입니다. Wu 등[7, 8]은 그림 2(a)와 같이 특정 배열로 브레이징된 다이아몬드 프리패브 블록을 연삭석에 삽입했습니다. 연마 결과에 따르면 복합 연삭석은 레일 연마 효율을 효과적으로 향상시키고, 연마된 레일의 표면 조도를 감소시키며, 레일 마모를 개선할 수 있습니다. Zhao Jinbo 등[9]은 CaF2를 폴리에테르에테르케톤과 접합하여 자가 윤활 접합 블록을 형성하고, 그림 2(b)와 같이 이를 연삭석 배아에 배치하여 자가 윤활 연삭석을 제작했습니다. 연삭 결과에 따르면, 자가 윤활 접합 블록은 연삭석이 마모됨에 따라 연삭석과 레일 사이의 계면에서 지속적으로 분리되어 연삭열을 감소시키고 레일 연소를 개선하는 것으로 나타났습니다. 브레이징된 조립 블록, 자가 윤활 접합 블록 등을 연삭석 매트릭스에 삽입하면 연삭석 구조가 불균일해지고 강도가 낮은 계면(연삭석 매트릭스/삽입 블록 계면)이 생성되어 복합 구조 연삭석의 기계적 특성(회전 강도, 동적 균형 등)을 확보하는 것이 중요한 과제입니다. Wu 등[10]은 그림 2(c)와 같이 슬릿이 있는 브레이징 CBN 연마 연삭 휠을 설계하여 레일 가공물의 연소를 개선했습니다. 그러나 연삭석에 사용된 브레이징 층은 레일 연삭 공정 중 내마모성이 떨어져 연삭석의 수명이 매우 짧습니다. 따라서 연삭석 구조의 합리적인 설계/조절은 연삭열 감소 및 레일 연소 개선에 긍정적인 영향을 미치지만, 연삭석이 우수한 물리적, 화학적 특성과 가공성을 갖추도록 충분히 고려해야 합니다.

(a)미리 설정된 다이아몬드 블록 연삭석[7,8]

(b) 사전 설정된 자체 윤활 블록 연삭석[9](c)슬릿 구조의 연삭석[10]

그림 2. 연마석의 구조 설계

참조

[1]A Al-Juboori, DAVID Wexler, LI Huijun 등. 레일강 표면의 스쿼트 형성 및 두 가지 종류의 백색 에칭층 발생[J]. 국제 피로 저널, 2017, 104: 52-60.

[2]GUO Shuai, ZHAO Xiangji, HE Chenggang 등. 수중 조건에서 레일의 피로손상에 대한 연삭 자국의 영향[J]. 중국 기계공학, 2019, 30(08): 889-895.

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

[4] YUAN Yongjie, ZHANG Wulin, ZHANG Pengfei 등. 레일 연삭 시 피로를 완화하고 재료 제거 효율을 높이기 위한 다공성 연삭 휠[J]. Tribology International, 2021, 154: 106692

[5]WANG Ruixiang, ZHOU Kun, YANG Jinyu 등. 연삭 휠의 연마재 및 경도가 레일 연삭 거동에 미치는 영향[J]. 마모, 2020, 454-455: 203332.

[6]57[6] ZHANG Wulin, ZHANG Pengfei, ZHANG Jun 등. 레일 연삭 동작에 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 등. 연삭 시간이 다른 브레이징 다이아몬드 시트의 마모 특성[J]. 마모, 2019, 432-433: 202942.

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

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