西石門鐵礦卷揚制動系統(tǒng)剎車盤的表面加工

西石門鐵礦卷揚制動系統(tǒng)剎車盤的表面加工

為了消除不安全隱患，西蒙泰倫西鐵路運輸裝置決定在南一礦區(qū)進行改造。在改造過程中,發(fā)現(xiàn)卷揚制動系統(tǒng)的剎車盤因為多年的使用磨損非常嚴重,使用面磨損達到2mm～7mm,并且存在變形現(xiàn)象,必須對其工作表面進行加工,使表面平整,才能保證電控改造的順利進行。經(jīng)過可行性論證,由我單位對2.5m卷揚制動系統(tǒng)的剎車盤表面進行加工。1改造實施中推動工業(yè)化生產(chǎn)的制約因素通過對2.5m卷揚制動系統(tǒng)的剎車盤進行實地勘驗,得到了相關的技術數(shù)據(jù):卷揚提升速度為(0～5)×103mm/s,卷揚滾筒直徑為2.5×103mm,加工直徑為3×103mm～3.3×103mm。加工材質(zhì)為高硬材料錳鋼,加工后表面粗糙度要求高于Ra12.5μm,才能保證后續(xù)電控改造的順利進行。改造剎車盤存在的實際困難是:(1)現(xiàn)場加工場地狹小,正常加工設備無法進入。(2)加工材料屬于高硬材料,并且卷揚轉(zhuǎn)速由人工手動控制,無法達到正常切削所需要的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速,普通YT15型車刀無法正常完成切削加工任務。(3)加工面積達5.94×106mm2,厚度達到2mm～7mm。按照正常工藝,需要5天～6天的加工時間,而為了保證電控改造的工期,加工時間僅有3天。為此,我們根據(jù)技術要求對刀坯進行了改進,并利用卷揚的旋轉(zhuǎn)取得切削動力,采用工件旋轉(zhuǎn),刀具相對不動的形式進行加工,利用人工進給進行切削加工。2車輛維護技術數(shù)據(jù)的選擇和設計2.1切割部分材料和車輛刀的選擇2.1.1調(diào)整刀頭類型由于存在加工材質(zhì)為高硬材料錳鋼,其加工硬化現(xiàn)象明顯,并且卷揚轉(zhuǎn)速由人工手動控制,無法達到正常切削所需要的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速等不利因素,因此我們選取焊接式硬質(zhì)合金車刀,并對刀具的幾何角度進行修改刃磨。卷揚剎車盤的磨損造成加工工作制為帶間斷或沖擊震動的切削,根據(jù)此情況選擇車刀刀頭部分牌號為YW1或YW2系列,其類型屬于鎢鈦鉭鈷類。材料性能:硬度不低于HRA91.5,抗彎強度不低于(1180～1350)MPa,沖擊韌性(0.0029～0.0068)MJ/m2,導熱系數(shù)達到(20.9～62.8)W/(m·K),在不高于900℃的溫度下仍然可以正常切削,切削速度的比值大致為4～4.8。從其力學性能上看,適用于耐熱鋼、高錳鋼、不銹鋼和高級合金鋼等材料的加工,完全可以達到加工過程中的使用要求。2.1.2刀具幾何角度的修改刀架等輔助切削設備采用鉚焊結構件,加工簡單,重量輕,原材料的利用較為充分,成本較低,加工周期短。但組焊件的系統(tǒng)剛性較差,所以對刀具及幾何角度的選取非常重要?？紤]采用主偏角為90°,副偏角為10°～15°,刃傾角選取-5°～0°,后角6°～8°,前角5°～10°的刀具,適宜的切削速度為(2～4)×105mm/min,只要速度不高于6×105mm/min都可以順利完成切削。根據(jù)車刀的設計耐用度以及考慮現(xiàn)場的加工情況,加工刀具左、右90°偏刀各10把,考慮加工時個別硬點的問題,另外加工左、右45°刀具各兩把。以上角度只是大概的范圍,加工時應根據(jù)卷揚的轉(zhuǎn)速和硬度條件對刀具的幾何角度進行修改刃磨,以保證切削加工的順利進行。現(xiàn)場對刀具的幾何角度進行修改刃磨時,應該遵循以下原則:要使車刀切削部分強度增加時,把主偏角、副偏角變小,刃傾角由小變負,后角適當變小,刀尖圓弧半徑或刀尖倒角長度增大。要使車刀鋒利和切削輕快時,可以增大前角,增大刃傾角,適當增大后角,第一前面窄且不是負倒棱形式?？紤]工件材料的力學性能時,如果加工硬脆材料,則減小主偏角和副偏角,刃傾角由小變負,前角變小或變負,后角略微變小;如果加工軟韌材料則相反。通過調(diào)整刃傾角來控制切屑方向,刃傾角為負時,切屑流向加工表面,反之則反(為了增加刀具強度,我們選擇的刀具不開卷屑槽,所以不考慮卷屑槽對切屑的影響)。如果刃傾角為0則可以獲得C型切屑。2.2支持工具框架的設計和加工2.2.1范圍表征當切削為自由切削時,作用在前刀面上的彈、塑性變形抗力Fnr和摩擦力Ffr,與作用在后刀面上的彈、塑性變形抗力Fna和摩擦力Ffa的合力Fr作用在前刀面上近切削刃處,其反作用力Fr′作用在工件上。而一般加工都是非自由切削,由于受到副切削刃上近刀尖處變形抗力和摩擦力的影響,改變了合力Fr的作用方向。為了便于分析切削力的作用和測量、計算切削力的大小,我們把合力Fr在按照主運動速度方向、切深方向和進給方向作的空間直角坐標軸z、y、x上分解成3個分力,分別是:主切削力Fz主運動切削速度方向的分力。切深抗力Fy切深方向上的分力。進給抗力Fx進給方向上的分力。合力與分力的關系是:Fr=(F2x+F2y+F2z)1/2Fr=(Fx2+Fy2+Fz2)1/2根據(jù)現(xiàn)場勘驗數(shù)據(jù),卷揚提升速度為(0～5)×103mm/s,加工直徑為3×103mm～3.3×103mm,切削速度約為(0～3.6)×105mm/min,切削材料為高硬度合金結構鋼,所以單位切削力為P=2453N/mm2,單位切削功率Ps=2453×10-6kw/(mm3·s-1)(摘自《金屬切削原理與刀具》),設計切削用量ap=1mm～3mm,進給量為f=(0.1～0.6)mm/r,所以:最大主切削力FZ=PAC=4415.4N,(AC是刀具參與切削的面積,AC=apf。)最大切深抗力Fy=(Fy/FZ)Papf=0.4×2453×3×0.6=1766.16N進給抗力Fx=(Fx/FZ)Papf=0.55×2453×3×0.6=2428.47N故總合力F=k1(F2Z+F2y+F2x)1/2≈5340N(k1為修正系數(shù),值為1.15)2.2.2車刀的固定和小拖板進給加工用刀架采用C620臥式車床的小拖板部分,取用轉(zhuǎn)盤、方刀架和小拖板。根據(jù)現(xiàn)場被加工部分的測量,需要走刀行程(300～400)mm,而小拖板行程只能達到200mm,需要再次接刀。這樣會造成切削面不平整,很難達到加工要求。經(jīng)過設計計算,采用了小拖板的進給形式,利用小拖板的燕尾槽,再自行設計加工了與之配套的導向滑槽,自制了Tr22×5的梯形進給絲杠,然后把小拖板的Tr22×5傳動螺母由中部改到小拖板尾部,將小拖板尾部的導向擋鐵刨掉。這樣,既可以延長切削行程達到400mm以上,又可以使小拖板進給的傳動更為順暢。車刀采用C620車床的方刀架進行固定。另外根據(jù)小拖板燕尾槽的尺寸,設計加工與之配套滑動的燕尾板,保證在切削行程內(nèi)的正確導向并對進給部分以及刀架等進行有效固定。然后把燕尾板固定在一塊700mm×20mm×20mm的鋼板上,這樣在調(diào)整吃刀量時,可以把進給部分整體移動,保證了加工面的平整度和平行度,最后在鋼板上加工4個U形槽,便于刀架的固定部分聯(lián)接。2.2.3撥加快進給車刀的進給系統(tǒng)設計采用凸輪間歇機構作為進給的動力。利用卷揚的自轉(zhuǎn)運動,在轉(zhuǎn)動面上固定一個撥爪,卷揚每轉(zhuǎn)動一圈到位后,撥爪撥動進給驅(qū)動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)一個角度,通過傳動機構帶動進給絲杠完成一個進給動作,從而完成切削進給工作。這樣的設計不但可以大大提高表面加工質(zhì)量,還能提高加工速度,減輕了操作人員的勞動強度,提高生產(chǎn)效率。2.2.4刀架的受力分析刀架部分通過4條M16螺栓固定在一塊900mm×900mm×30mm的鋼板上,然后通過4根?50mm圓鋼與底座鋼板700mm×600mm×30mm聯(lián)結,然后通過卷揚剎車系統(tǒng)的地腳固定螺栓M42與地基固定,完成聯(lián)結。刀架部分所受的力為三個方向,分別是與主運動切削速度方向相同,垂直向下的主切削力FZ;切深方向的分力FY,垂直于加工面向外方向上的力;進給方向的分力FX,平行于加工面方向與進給運動相反。其中,FZ對刀架形成向下的壓分力,并且形成一個翻轉(zhuǎn)力矩。單個M16螺栓提供的螺栓預緊力大約≤18789.6N,已經(jīng)遠遠大于FZ,故支架不會翻轉(zhuǎn),設計可靠。FY、FX對支架形成一個水平斜向后的推力,其大小約為:FXY=(F2X+F2Y)1/2≈3002.8NFXY=(FX2+FY2)1/2≈3002.8Ν而M16螺栓預緊力提供的摩擦力F總=(FZ+4F螺)μ=(4415.4+18789.6×4)×0.3=23872.14N>FXY,所以支架聯(lián)結安全可靠。2.3大角度、大進給切削層面積我們的設計主要是根據(jù)切削加工時,切削材料的物理和化學性能、切削的工作環(huán)境包括卷揚轉(zhuǎn)速(即切削轉(zhuǎn)速)、被加工件工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性,以及工作場地和被加工件的技術要求來確定車刀切削部分材質(zhì)和刀具的結構,并且通過切削力的計算對切削工作的支撐結構、切削進給的工藝和相關的固定聯(lián)接進行設計和加工。切削部分材質(zhì)的選取主要考慮了被加工部分的材質(zhì)、待加工平面的技術要求和加工時工件的切削速度等特性,另外還考慮了加工硬化以及工作制式、刀架等輔助切削設備的穩(wěn)定性等。根據(jù)加工特性選取了車刀切削部分采用YW1或YW2系列牌號的刀頭,并且確定了加工時切削速度和進給量的范圍以及刀具的幾何角度等加工要素。切削力的計算主要考慮了3個方面的因素:工件材料、切削層面積和刀具的幾何角度。當工件的強度和硬度越高,剪切屈服強度越高,切削力越大,反之則反。切削層面積由切削深度和進給量決定,它們的增加都可以使切削力變大。但是在實際切削過程中,采用大的進給切削與大的切削深度相比,切削面積雖然相同,但是切削變形的程度不同,采用大的進給切削比較省力,可以提高工作效率,減小切削力。另外對于鋼類等塑性金屬進行切削,采用較高的切削速度可以降低切削力,提高生產(chǎn)效率,但是會加大功率的消耗。所以我們采用的切削深度為(1～3)mm,進給量(0.1～0.6)mm/r,切削速度應該大于6×105mm/min。當?shù)毒卟牧虾偷毒呓Y構確定以后,合理選擇和改進刀具的幾何參數(shù)是保證加工質(zhì)量、提高效率、降低成本的最有效途徑,而刀具的幾何角度是確定刀頭的幾何形狀與切削性能的重要參數(shù)。在刀具強度允許的情況下,我們選用盡量大的前角,使切削變形和摩擦減小,可以減小切削力,減小切削熱,提高表面的加工質(zhì)量。但是過大的前角會因為刀具強度較低,熱傳導差從而降低刀具的耐用度。作為補償,我們在刀具的刃口上磨出倒棱面,由于倒棱面的寬度較小,角度選取為-10°～-25°之間,所以不會改變前角的作用,反而會提高刀具的強度和耐用度,減小了切削力,提高了切削效率。后角在選取時,以確保刀具強度為主,盡量選取較小的后角。另外在刀具重新刃磨時,刀具材料的損耗較小、磨制容易,但是過小的后角會使刀具的磨損加大,冷硬程度增加,加工后的表面質(zhì)量差。在實際工作中,應根據(jù)選擇的進給量進行調(diào)整,當進給量小于0.3mm/r時,選擇10°左右,當進給量大于0.3mm/r時,選擇6°左右。主偏角和副偏角在工藝系統(tǒng)剛性不足的情況下,為了減小切削力,采用90°的主偏角,但是降低了刀具的強度和散熱性,從而降低了刀具的耐用度。為了補償,在刀具上磨出較小圓弧的過渡刃(亦稱修光刃),根據(jù)工件的強度和硬度、表面的加工要求以及現(xiàn)場切削時切削用量的大小,過渡刃一般選擇切削量的1.2～1.5倍,副偏角選擇為6°～10°。現(xiàn)場加工過程中,按照從小到大的規(guī)則調(diào)整進行試車,以求達到最好效果。在切削工作制為帶間斷或沖擊震動切削時,為了提高刀頭的強度,保護刀尖,選用負的刃傾角,配合大的主偏角和負倒棱,使切削時輕快省力,并能提高刀具的耐用度。在剛開始切削時,采用-10°～-20°的刃傾角,在表面硬點和淬硬層去除以后,采用-5°～-10°的刃傾角進行加工。當然,刀具的各項參數(shù),不但要考慮單個參數(shù)的作用,還要注意到各個參數(shù)之間的相互配合,要根據(jù)具體的加工條件和加工要求來確定,才能保證加工質(zhì)量,提高效率、降低成本,順利完成加工任務。3加工過程中的問題進入加工現(xiàn)場以后,首先將切削加工所用的輔助切削支架等進行固定,然后根據(jù)目測調(diào)整卷揚轉(zhuǎn)速達到設計的切削速度2×105mm/min,進行試切削。在進行試切削中發(fā)現(xiàn):首先,由手工控制的卷揚速度,很難保證穩(wěn)定,難以保證加工質(zhì)量;其次,由于卷揚的使用時間較長,卷揚的軸承等受到磨損,主軸同時存在軸向和徑向的竄動,在切削過程中由于進給突然加大造成扎刀,使刀具損壞,并且嚴重影響加工的表面質(zhì)量;另外,剎車盤的表面經(jīng)過長期的磨損,使加工表面存在變形,造成吃刀量不均勻,損毀刀具;隨著加工的進行,工件的加工硬化現(xiàn)象加重,給后續(xù)加工工作造成困難。針對現(xiàn)場加工過程中發(fā)現(xiàn)的問題,我們對工藝進行了調(diào)整改進:①轉(zhuǎn)速不穩(wěn)。我們發(fā)現(xiàn)控制手柄在最高速時卷揚轉(zhuǎn)速較為穩(wěn)定,此時切削速度為(3×105～3.6×105mm/min,在刀頭材料允許切削的速度范圍之內(nèi)。所以把切削速度調(diào)整為(3×105～3.6×105)mm/min,并且根據(jù)此切削速度把吃刀量略微調(diào)小,以保證車刀的強度,進給量保持不變。②主軸竄動。由于長期的使用,卷揚的軸承存在著部分框量,所以在重新啟動、使用剎車或者調(diào)整轉(zhuǎn)速以及吃刀量變化等情況下,主軸就會進行竄動,甚至在正常轉(zhuǎn)動時經(jīng)過某一個不特定的點時也會造成主軸竄動。而且剎車盤表面經(jīng)過長期磨損存在嚴重變形,這些情況都會造成扎刀,損毀刀具,無法進行加工并且使已加工表面無法達到設計要求。針對這種情況,我們首先在機架側向焊接M24螺母,在加工過程中,利用螺栓把卷揚使用的剎車片緊緊壓在待加工面的背面,有效減小了主軸竄