西石門鐵礦卷?yè)P(yáng)制動(dòng)系統(tǒng)剎車盤的表面加工

西石門鐵礦卷?yè)P(yáng)制動(dòng)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(yùn)輸裝置決定在南一礦區(qū)進(jìn)行改造。在改造過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)卷?yè)P(yáng)制動(dòng)系統(tǒng)的剎車盤因?yàn)槎嗄甑氖褂媚p非常嚴(yán)重,使用面磨損達(dá)到2mm～7mm,并且存在變形現(xiàn)象,必須對(duì)其工作表面進(jìn)行加工,使表面平整,才能保證電控改造的順利進(jìn)行。經(jīng)過(guò)可行性論證,由我單位對(duì)2.5m卷?yè)P(yáng)制動(dòng)系統(tǒng)的剎車盤表面進(jìn)行加工。1改造實(shí)施中推動(dòng)工業(yè)化生產(chǎn)的制約因素通過(guò)對(duì)2.5m卷?yè)P(yáng)制動(dòng)系統(tǒng)的剎車盤進(jìn)行實(shí)地勘驗(yàn),得到了相關(guān)的技術(shù)數(shù)據(jù):卷?yè)P(yáng)提升速度為(0～5)×103mm/s,卷?yè)P(yáng)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(jìn)行。改造剎車盤存在的實(shí)際困難是:(1)現(xiàn)場(chǎng)加工場(chǎng)地狹小,正常加工設(shè)備無(wú)法進(jìn)入。(2)加工材料屬于高硬材料,并且卷?yè)P(yáng)轉(zhuǎn)速由人工手動(dòng)控制,無(wú)法達(dá)到正常切削所需要的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速,普通YT15型車刀無(wú)法正常完成切削加工任務(wù)。(3)加工面積達(dá)5.94×106mm2,厚度達(dá)到2mm～7mm。按照正常工藝,需要5天～6天的加工時(shí)間,而為了保證電控改造的工期,加工時(shí)間僅有3天。為此,我們根據(jù)技術(shù)要求對(duì)刀坯進(jìn)行了改進(jìn),并利用卷?yè)P(yáng)的旋轉(zhuǎn)取得切削動(dòng)力,采用工件旋轉(zhuǎn),刀具相對(duì)不動(dòng)的形式進(jìn)行加工,利用人工進(jìn)給進(jìn)行切削加工。2車輛維護(hù)技術(shù)數(shù)據(jù)的選擇和設(shè)計(jì)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?yè)P(yáng)轉(zhuǎn)速由人工手動(dòng)控制,無(wú)法達(dá)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(duì)刀具的幾何角度進(jìn)行修改刃磨。卷?yè)P(yáng)剎車盤的磨損造成加工工作制為帶間斷或沖擊震動(dòng)的切削,根據(jù)此情況選擇車刀刀頭部分牌號(hào)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(qiáng)度不低于(1180～1350)MPa,沖擊韌性(0.0029～0.0068)MJ/m2,導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)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(xué)性能上看,適用于耐熱鋼、高錳鋼、不銹鋼和高級(jí)合金鋼等材料的加工,完全可以達(dá)到加工過(guò)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(shè)備采用鉚焊結(jié)構(gòu)件,加工簡(jiǎn)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(duì)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(shè)計(jì)耐用度以及考慮現(xiàn)場(chǎng)的加工情況,加工刀具左、右90°偏刀各10把,考慮加工時(shí)個(gè)別硬點(diǎn)的問(wèn)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(shí)應(yīng)根據(jù)卷?yè)P(yáng)的轉(zhuǎn)速和硬度條件對(duì)刀具的幾何角度進(jìn)行修改刃磨,以保證切削加工的順利進(jìn)行。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)刀具的幾何角度進(jìn)行修改刃磨時(shí),應(yīng)該遵循以下原則:要使車刀切削部分強(qiáng)度增加時(shí),把主偏角、副偏角變小,刃傾角由小變負(fù),后角適當(dāng)變小,刀尖圓弧半徑或刀尖倒角長(zhǎng)度增大。要使車刀鋒利和切削輕快時(shí),可以增大前角,增大刃傾角,適當(dāng)增大后角,第一前面窄且不是負(fù)倒棱形式?？紤]工件材料的力學(xué)性能時(shí),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(fù),前角變小或變負(fù),后角略微變小;如果加工軟韌材料則相反。通過(guò)調(diào)整刃傾角來(lái)控制切屑方向,刃傾角為負(fù)時(shí),切屑流向加工表面,反之則反(為了增加刀具強(qiáng)度,我們選擇的刀具不開(kāi)卷屑槽,所以不考慮卷屑槽對(duì)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(shè)計(jì)和加工2.2.1范圍表征當(dāng)切削為自由切削時(shí),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(cè)量、計(jì)算切削力的大小,我們把合力Fr在按照主運(yùn)動(dòng)速度方向、切深方向和進(jìn)給方向作的空間直角坐標(biāo)軸z、y、x上分解成3個(gè)分力,分別是:主切削力Fz主運(yùn)動(dòng)切削速度方向的分力。切深抗力Fy切深方向上的分力。進(jìn)給抗力Fx進(jìn)給方向上的分力。合力與分力的關(guān)系是:Fr=(F2x+F2y+F2z)1/2Fr=(Fx2+Fy2+Fz2)1/2根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)數(shù)據(jù),卷?yè)P(yáng)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)切削用量ap=1mm～3mm,進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(chǎng)被加工部分的測(cè)量,需要走刀行程(300～400)mm,而小拖板行程只能達(dá)到200mm,需要再次接刀。這樣會(huì)造成切削面不平整,很難達(dá)到加工要求。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算,采用了小拖板的進(jìn)給形式,利用小拖板的燕尾槽,再自行設(shè)計(jì)加工了與之配套的導(dǎo)向滑槽,自制了Tr22×5的梯形進(jìn)給絲杠,然后把小拖板的Tr22×5傳動(dòng)螺母由中部改到小拖板尾部,將小拖板尾部的導(dǎo)向擋鐵刨掉。這樣,既可以延長(zhǎng)切削行程達(dá)到400mm以上,又可以使小拖板進(jìn)給的傳動(dòng)更為順暢。車刀采用C620車床的方刀架進(jìn)行固定。另外根據(jù)小拖板燕尾槽的尺寸,設(shè)計(jì)加工與之配套滑動(dòng)的燕尾板,保證在切削行程內(nèi)的正確導(dǎo)向并對(duì)進(jìn)給部分以及刀架等進(jìn)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(shí),可以把進(jìn)給部分整體移動(dòng),保證了加工面的平整度和平行度,最后在鋼板上加工4個(gè)U形槽,便于刀架的固定部分聯(lián)接。2.2.3撥加快進(jìn)給車刀的進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用凸輪間歇機(jī)構(gòu)作為進(jìn)給的動(dòng)力。利用卷?yè)P(yáng)的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),在轉(zhuǎn)動(dòng)面上固定一個(gè)撥爪,卷?yè)P(yáng)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈到位后,撥爪撥動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度,通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)進(jìn)給絲杠完成一個(gè)進(jìn)給動(dòng)作,從而完成切削進(jìn)給工作。這樣的設(shè)計(jì)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(dòng)強(qiáng)度,提高生產(chǎn)效率。2.2.4刀架的受力分析刀架部分通過(guò)4條M16螺栓固定在一塊900mm×900mm×30mm的鋼板上,然后通過(guò)4根?50mm圓鋼與底座鋼板700mm×600mm×30mm聯(lián)結(jié),然后通過(guò)卷?yè)P(yáng)剎車系統(tǒng)的地腳固定螺栓M42與地基固定,完成聯(lián)結(jié)。刀架部分所受的力為三個(gè)方向,分別是與主運(yùn)動(dòng)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(jìn)給方向的分力FX,平行于加工面方向與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)相反。其中,FZ對(duì)刀架形成向下的壓分力,并且形成一個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩。單個(gè)M16螺栓提供的螺栓預(yù)緊力大約≤18789.6N,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于FZ,故支架不會(huì)翻轉(zhuǎn),設(shè)計(jì)可靠。FY、FX對(duì)支架形成一個(gè)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(yù)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(jié)安全可靠。2.3大角度、大進(jìn)給切削層面積我們的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)切削加工時(shí),切削材料的物理和化學(xué)性能、切削的工作環(huán)境包括卷?yè)P(yáng)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(chǎng)地和被加工件的技術(shù)要求來(lái)確定車刀切削部分材質(zhì)和刀具的結(jié)構(gòu),并且通過(guò)切削力的計(jì)算對(duì)切削工作的支撐結(jié)構(gòu)、切削進(jìn)給的工藝和相關(guān)的固定聯(lián)接進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shù)要求和加工時(shí)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(shè)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(hào)的刀頭,并且確定了加工時(shí)切削速度和進(jìn)給量的范圍以及刀具的幾何角度等加工要素。切削力的計(jì)算主要考慮了3個(gè)方面的因素:工件材料、切削層面積和刀具的幾何角度。當(dāng)工件的強(qiáng)度和硬度越高,剪切屈服強(qiáng)度越高,切削力越大,反之則反。切削層面積由切削深度和進(jìn)給量決定,它們的增加都可以使切削力變大。但是在實(shí)際切削過(guò)程中,采用大的進(jìn)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(jìn)給切削比較省力,可以提高工作效率,減小切削力。另外對(duì)于鋼類等塑性金屬進(jìn)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(huì)加大功率的消耗。所以我們采用的切削深度為(1～3)mm,進(jìn)給量(0.1～0.6)mm/r,切削速度應(yīng)該大于6×105mm/min。當(dāng)?shù)毒卟牧虾偷毒呓Y(jié)構(gòu)確定以后,合理選擇和改進(jìn)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(qiáng)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(guò)大的前角會(huì)因?yàn)榈毒邚?qiáng)度較低,熱傳導(dǎo)差從而降低刀具的耐用度。作為補(bǔ)償,我們?cè)诘毒叩娜锌谏夏コ龅估饷?由于倒棱面的寬度較小,角度選取為-10°～-25°之間,所以不會(huì)改變前角的作用,反而會(huì)提高刀具的強(qiáng)度和耐用度,減小了切削力,提高了切削效率。后角在選取時(shí),以確保刀具強(qiáng)度為主,盡量選取較小的后角。另外在刀具重新刃磨時(shí),刀具材料的損耗較小、磨制容易,但是過(guò)小的后角會(huì)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(shí)際工作中,應(yīng)根據(jù)選擇的進(jìn)給量進(jìn)行調(diào)整,當(dāng)進(jìn)給量小于0.3mm/r時(shí),選擇10°左右,當(dāng)進(jìn)給量大于0.3mm/r時(shí),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(qiáng)度和散熱性,從而降低了刀具的耐用度。為了補(bǔ)償,在刀具上磨出較小圓弧的過(guò)渡刃(亦稱修光刃),根據(jù)工件的強(qiáng)度和硬度、表面的加工要求以及現(xiàn)場(chǎng)切削時(shí)切削用量的大小,過(guò)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(chǎng)加工過(guò)程中,按照從小到大的規(guī)則調(diào)整進(jìn)行試車,以求達(dá)到最好效果。在切削工作制為帶間斷或沖擊震動(dòng)切削時(shí),為了提高刀頭的強(qiáng)度,保護(hù)刀尖,選用負(fù)的刃傾角,配合大的主偏角和負(fù)倒棱,使切削時(shí)輕快省力,并能提高刀具的耐用度。在剛開(kāi)始切削時(shí),采用-10°～-20°的刃傾角,在表面硬點(diǎn)和淬硬層去除以后,采用-5°～-10°的刃傾角進(jìn)行加工。當(dāng)然,刀具的各項(xiàng)參數(shù),不但要考慮單個(gè)參數(shù)的作用,還要注意到各個(gè)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(lái)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(wù)。3加工過(guò)程中的問(wèn)題進(jìn)入加工現(xiàn)場(chǎng)以后,首先將切削加工所用的輔助切削支架等進(jìn)行固定,然后根據(jù)目測(cè)調(diào)整卷?yè)P(yáng)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)計(jì)的切削速度2×105mm/min,進(jìn)行試切削。在進(jìn)行試切削中發(fā)現(xiàn):首先,由手工控制的卷?yè)P(yáng)速度,很難保證穩(wěn)定,難以保證加工質(zhì)量;其次,由于卷?yè)P(yáng)的使用時(shí)間較長(zhǎng),卷?yè)P(yáng)的軸承等受到磨損,主軸同時(shí)存在軸向和徑向的竄動(dòng),在切削過(guò)程中由于進(jìn)給突然加大造成扎刀,使刀具損壞,并且嚴(yán)重影響加工的表面質(zhì)量;另外,剎車盤的表面經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(jìn)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題,我們對(duì)工藝進(jìn)行了調(diào)整改進(jìn):①轉(zhuǎn)速不穩(wěn)。我們發(fā)現(xiàn)控制手柄在最高速時(shí)卷?yè)P(yáng)轉(zhuǎn)速較為穩(wěn)定,此時(shí)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(qiáng)度,進(jìn)給量保持不變。②主軸竄動(dòng)。由于長(zhǎng)期的使用,卷?yè)P(yáng)的軸承存在著部分框量,所以在重新啟動(dòng)、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(huì)進(jìn)行竄動(dòng),甚至在正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)經(jīng)過(guò)某一個(gè)不特定的點(diǎn)時(shí)也會(huì)造成主軸竄動(dòng)。而且剎車盤表面經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期磨損存在嚴(yán)重變形,這些情況都會(huì)造成扎刀,損毀刀具,無(wú)法進(jìn)行加工并且使已加工表面無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。針對(duì)這種情況,我們首先在機(jī)架側(cè)向焊接M24螺母,在加工過(guò)程中,利用螺栓把卷?yè)P(yáng)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