（机械电子工程专业论文）煤矿刮板运输机中部槽的钻削加工性研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本课题围绕煤矿刮板运输机中部槽的钻削加工展开的研究，中部槽是煤矿综采工作 的重要零件，其性能的优劣对整机的使用寿命有着直接的影响，要求有很高的耐磨性要 求，鸡西煤机厂由国产高耐磨材料w z b - n m 3 6 0 更换原1 6 m n 钢加工，提高零件耐磨性 的同时也需要确定新材料的加工工艺。 论文针对w z b - n m 3 6 0 材料的金相组织结构特点，通过对切削变形的测定和分析及 刀具破损和磨损机理的研究、对比钻削实验结果的讨论确立了合理的刀具参数和适合的 刀具材料；通过分析钻削力和扭矩的经验公式，得出钻削要素对钻削力的影响及刀具的 修磨方式；通过实验和理论优选钻削用量；形成了w z b - n m 3 6 0 高耐磨钢的中部槽钻削 理论基础。 通过本工作，不仅是刮板运输机中部槽的使用寿命提高，刮板机的过煤量提高到2 0 0 万吨以上，同时也为国产大运量运输机高耐磨材料的中部槽的中板与接口板的大批量生 产提供有关金属钻削加工方面的可靠性依据和技术指导数据。 关键词；刮板运输机；钻削能力；钻头 煤矿刮板运输机中部槽的钻削加工性研究 r e s e a r c ho f t h ed r i l l i n ga b i l i t yt om i d d l et r o u g ho fs c r a p e r c o n v e y o rf o r c o a l m i l l c 、b s t r a e t 1 1 ”p r o b l e mc u t st h er e s e a r c hp r o c e s s i n gd e v e l o p m e n t sa r o u a dc o a l1 1 1 i 1 1 ed r a v d n g s t r i e k l ew a m p o r tp l a n ec e n t r a ls e c t i o ns l o td r i l l ，t h ee e n l r a ls e c - - - t ：j o ns l o ti st h a tt h ec o a lm i l l e p u t st h ei m p o r t a n tp a r tg a t h e r i n gaj o bt o g e t h e r ，w h o s ef u n c t i o ns u p e r i o ro ri n f e r i o rr a n kh a s d i r e c te f f e c tt ot h ec o m p l e t em a c h i n el i f et i m e ，d e m a n d st oh a v ev e r yh i 曲a b r a s i o n r e s i s t a n c et od e m a n d , n ef a c t o r yp r o c e s s e sj ix ic i t yc o a lm a c h i n ef r o m1 6m _ no f d o m e s t i c h i 曲a n t i f r i c t i o nm a t e r i a lw z b - n m 3 6 0r e p l a c e m e n tp l a i ns t e e l ，s i m u l t a n e o u si m p r o v i n g p a r ta b r a s i o nr e s i s t a n c ea l s on e o d st oa s c c , l t a i nt h ei i i c wm a t e r i a l st r e a t i n gh a n d i c r a f t 1 1 他p a p e ri nv i e wo ft h ew z b - n m 3 6 0m a t e r i a lm i e r o s t r u e t u r eu n i q u ef e a t u r e t h r o u g h t oc u tt h ed i s t o r t i o nt h ed e t e r m i n a t i o na n dt h ea n a l y q i sa n dt h ec u t t i n gt o o ld a m a g e sw i t ht h e a t t r i t i o nm e c h a n i s mr e s e a r c h , t h ee o n l r a s td r i l l st r u n c a t e st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l tt h e d i s c u s s i o nt oe s t a b l i s l at h er e a s o n a b l ec u t t i n gt o o lp a r a m e t e ra n dt h es u i t a b l ec u t t i n gt o o l m a t e r i a l ；x i ub ya n a l y s i n gt h ee f f e c ta n dc u t t e rs t u d y i n gt h ee x p e r i e n c ef o r m u l ac u t t i n gt h e f o r c ea n dm o m e n to ft o r s i o ni n t e n s i v e l y r e a c h i n gd r i l lc u t t i n gak e ye l e m e n tc u taf o r c et o d r i l lg r i n d sw a y ；b yt h ee x p e r i m e n ta n dt h e o r y , e x c e l l e n ts e l e c t i o n sd r i l lc u t sd o s a g e s ；t h e d r i l lh a v i n gf o r m e dt h eh i g hw z b - n m 3 6 0s t e e la b l et oe n d u r ec e n t r a ls e c t i o ns l o tc u 招a r a t i o n a l e b yt h ef a c tt h a tw o r k i n g ，t h el i f et i m eb e i n gad r a w i n gs t r i c l d et r a n s p o r tp l a n ec e n t r a l s e c t i o ns l o tn o to n l yi m p r o v i n g , a b o v ed r a w i n gs t r i e l d em a c h i n ef a u l tc o a la m o u n t sb e i n g i m p r o v e dt o2m i l l i o nt s c e n t r a ls e c t i o nt h es l o tm e d i a np l a t e 锄di n t e r f a c eb o a r dm a s s p r o d u c t i o nb e i n gu n a b l et ob ea m o u n t sh i g hg r a n df o r t u n et r a n s p o r tp l a n ea n t i f r i c t i o n m a t e r i a ld o m e s t i ca tt h es a m et i m ep r o v i d et h er e l i a b i l i t yb a s i sa n dt e e l m i c a la d v i s e rd a t a c u t t i n gt r e a t i n ga s p e c ti nc o n n e c t i o nw i t hm e t a ld r i l l k e ，w o r d s ：s e m p e rc o n v e y o r ；d r i l l i n ga b i l i t y ；d r i l l i n g i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：1 蜀垦盏日期：竺! 盖垒旦 火连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理】：大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：卫自盘逸 导师签名： 垄邀一 兰2 盟年生月j l 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 刮板运输机是综采工作面配套设备的重要组成部分，是煤炭装运的第一个环节，在 很大程度上决定了采煤工作面的生产能力和效率。刮板运输机由机头，机身和机尾组成。 其中中部槽( u 型槽) 是运输机的机身部件( 如图1 1 ) 。在工作过程中，刮板运输机 两边链由电机牵引与刮板一起带着货载( 煤及矸石) 在中部槽中移动，造成很大的磨损。 中部槽是矿山因磨损破坏最为严重的设备之一，其磨损与腐蚀失效使中部槽出现跳链卡 死现象，导致断链和电机过载甚至烧毁电机，造成严重的经济损失。中部槽的磨损主要 分为货载( 煤及矸石1 、刮板和链对中板及槽帮的磨损；以及采煤机沿中部槽移动所造成 的槽帮上翼磨损。其中中部槽的中板磨损往往特别严重，本文在研究中外刮板运输机的 发展基础上，针对s g z - 7 6 4 2 6 4 型运输机串部槽的磨损失效情况进行分析，研究中部槽 的磨损特点，从提高耐磨的角度考虑，用材料w z b - n m 3 6 0 高强度耐磨中板替代原1 6 m n 钢作为中板材料，增加局部耐磨喷涂，使中板及封底板耐磨性超过原材料，但同时也出 现了相关的工艺问题，一是机械加工工艺艺问题，二是焊接工艺问题，因此本文对 w z b - n m 3 6 0 高强度耐磨中板的钻削加工性进行研究。 图1 1 煤矿用刮板运输机 f i g1 1s m p e r c , o n v c y o r f o r c o a l - m i n e 1 1 国外刮板输送机的发展概况 就世界范围而言，刮板运输机的发展大体经历了4 个阶段【l 】：第一阶段是在2 0 世纪 初，英国最先研制了刮板运输机，其特点是单链条，小功率；第二阶段是4 0 5 0 年代初， 随着刨煤机和深截式采煤机的出现，煤矿生产进入了机械化时代，为了适应这种情况， 刮板运输机也发展为沿水平方向和垂直方向可以弯曲，为采煤机提供运输轨道，双链牵 引，多电机驱动，并能随着采煤机的运行及时推移；第三阶段从5 0 年代初开始，英国 煤矿刮板运输机中部槽的钻削加工性研究 研制出浅截式滚筒采煤机和自移式液压支架，煤矿生产实现了综合机械化，与综采设备 相适应，要求采用高效重型可弯曲刮板输送机，其结构向着短机头大功率高链速高强度 的u 型槽和链条等方向发展，运量不断增大，可靠性不断提高。第四阶段是8 0 年代中 后期，英国的米柯，美国的长壁和德国的布朗等公司，纷纷推出全新的大功率工作面输 送机，即高产高效输送机，从而使该阶段的输送机具有如下特点：大功率、大运量、长 运距、高可靠性、长寿命，其功率和运量比第三阶段增大2 3 倍。 1 2 国内刮板输送机的发展概况 国产刮板输送机的研制及使用起步较晚。建国初期，当国外已经开始进入综采机械 化时，我国的煤矿机械刚刚走出仿制阶段，但它的发展非常迅速。多年来，我国自行研 制和仿制的刮板输送机品种多达几十种，就其发展的过程而言，也大体上经历了同世界 刮板输送机相同的前三个阶段【l 】：第一阶段的代表产品有s g b 2 b 型，s g w d 2 1 7 型， s g d 2 2 0 型；第二阶段的代表产品有s g w - 4 4 型，s g w - 8 0 t 型；第三阶段是综采机械化 阶段，7 0 年代初我国从国外引进了一批刮板输送机，主要机型有波兰萨姆逊，英国道梯 - 麦柯1 9 0 ，道梯麦柯2 5 0 ，西德潘瑟m i - 6 0 0 ，英国道梯m l - 7 2 2 ，日本s l 9 0 等产品。 这些设备的引进，对我国煤炭生产综采机械化的发展起到积极的推动作用，经消化吸收， 并加以改进，发展了我国的刮板输送机，目前，我国尚没有自己的第四阶段产品，高产 高效工作面的配套设备还只能依靠进口。近年来，我国的刮板输送机发展很快，已经由 普通的端卸式发展到了侧卸式；由只适应于中厚煤层发展到特厚和薄煤层的各种机型； 由单一的边双链发展到目前的既有边双链，中双链，又有介于两者之间的准边链，功率 档次越来越大，已经由最初的整机功率1 5 0 k r 发展到目前的5 删，中板厚度不断增 加和高耐磨材料的使用，链条直径不断加粗，从而使设备的寿命得到较大的提高。目前， 我国综采工作面的重型刮板输送机的主要生产厂家是张家口煤矿机械厂和西北煤矿机 械一厂其产品的主要型号有：s g b 7 6 4 2 6 4 型；s g z - 7 6 4 2 6 4 型；s g z - 7 3 0 2 6 4 型： s g z c 一7 6 4 3 2 0 型s g 二7 6 4 4 0 0 型；s g 7 _ , - 7 6 4 5 0 0 型等。 这些产品为我国的煤炭生产发挥了巨大作用，取得了显著的经济效益。但同时我们 也应当清醒认识到，我国目前的重型刮板输送机的技术水平只相当于8 0 年代初期的国 际水平，落后于国际先进水平1 0 1 5 年，其主要原因有： ( 1 ) 事故率高：开机率平均只有1 7 ，年产百万吨综采队平均开机率也只有3 5 而美国平均开机率为8 2 ，最高可达9 5 ；影响开机率的主要因素为综采设备的事故较 多，其中尤以刮板输送机的事故最多，可占总事故的5 0 * 以上。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 寿命短：我国目前中重型刮板输送机的中部槽中板厚度一般为2 0 - 2 5 m m ，材质 主要为1 6 m n ，强度等级为3 0 k g 级。过煤量一般在1 0 0 万吨以下，煤质较硬，煤矸石较 多时仅为6 0 万吨左右。国产刮板输送机寿命较短的主要原因是材质较差，制造工艺达 不到要求。 ( 3 ) 装机功率不足：由于功率较小，刮板输送机实际铺设长度普遍达不到设计长度， 一般在1 5 0 m 左右。如果铺设过长则会出现启动困难，断链事故增多，电机事故增多等 问题。工作面长度较短，直接影响了回采工作面的效率。 ( 4 ) 运量较低：目前国内生产的重型刮板输送机最大运输量只能达到1 0 0 0 t h ，而国 外重型设备的运量普遍在2 0 0 0 2 5 0 0 t h ，国产刮板输送机的主要闯题国外几家著名公司 现在生产的重型刮板输送机一般都可以整机无故障过煤6 0 0 万t 以上，有些可达1 2 0 0 万t ，面国产刮板输送机的过煤量是很低的，故提高国产设备的可靠度，是刮板输送机发 展的主要问题。 一直困扰国产刮板输送机的大问题由于磨损影响中部槽的可靠性和寿命。 1 3 刮板运输机的1 6 m n 钢中部槽中板的磨损分析 s g z 一7 6 4 2 6 4 型刮板运输机的中部槽一直使用的材科是1 6 m n 钢，其元素成分为 0 1 5 c 、1 2 m n 、0 4 s i ，一般情况下的过煤量在1 0 0 万吨以下，工作面铺设长度为1 5 0 i 左右，零件因磨损失效更换的周期是三个月左右，其中部槽的磨损尤其严重，磨损的形 式有以下四种。 ( 1 ) 磨料磨损 刮板链表面沿中刮板运行时，链表面凸体，链与中板间硬颗粒对中板的磨损都属于 磨料磨损，硬度较高的链环和较软的中板作相对滑动时，微观上表现为很多微凸体接触， 其间的磨料是煤、矸石及金属颗粒和腐蚀产物，做为主要磨粒还是煤和矸石中较硬矿物 2 1 。经扫描电镜对中板链道形貌的观察，初步认为；除磨料造成中板以切屑形式剥落外， 主要机理为犁沟产生的塑性变形，夹在链环与中板间的煤和矸石，也会对中板产生微切 剥。如图1 2 煤矿刮板运输机中部槽的钻削加工性研究 图1 2 磨料磨损黎沟和切屑形貌，1 6 m n 钢中部槽x 4 0 0 f i 9 1 2 m o r p h o l o g y o f g r o o v ea n ds c r a p b y a b r a b i v e w e a r i n gs t e e l1 6 m n m i d d l e 姗曲4 0 0 ( 2 ) 塑性变形( 疲劳剥落) 三体磨损的磨粒只有约1 0 的时间是滑动，对表面产生磨损【3 】。煤和矸石夹在中板 和链环之间相对运动，属三体磨损。磨粒把受挤金属挤在沟两侧和前面，当链环和磨粒 每通过中板表面一次，剪切应变就累积一次，故磨损表面下发生了严重的塑性变形。塑 性变形受断裂的限制，即当满足断裂准则时材料由表面剥离，中板端头链道塑性变形层 晶粒滑动方向发生歪扭，其歪扭层硬度随距磨损表面的深度大小而变化。 ( 3 ) 粘着磨损 刮板链与中板的接触，从微观上看只是微凸体接触，故链环承载后作用在微凸体上 的压力很高，若超过其屈服极限应力，则发生塑性变形，直到实际接触面积增加到以随 外载荷为止，尽管链环与中板表面有沾染物，如煤粉、氧化膜等，但界面上的相对运动 足以使接触点上沾染膜消失，使接触点上的微凸体发生冷焊现象，而链环继续运动使链 道接点产生剪断并形成新的接点，这就形成链道的粘着磨损。 ( 4 ) 腐蚀磨损 由于井下矿的水中含有氧、四氧化硫离子和溶解氧及游离二氧化碳等，与摩擦副表 面产生化学反应，造成腐蚀。扫描观察证实腐蚀坑是由于链条与中板粘着磨损后而产生 腐蚀的，腐蚀层或腐蚀坑造成腐蚀的晶界裂纹在摩擦的情况下导致片状剥落口l 。 1 6 m n 钢热轧板制成的刮板运输机中部槽主要磨损有磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨 损和腐蚀磨损。1 6 m n 钢不能满足大运煤量的要求，据不完全统计，我国每年因磨损而 失效的中部槽达5 0 万节，耗资数亿元人民币，使生产成本大幅度上升。同时，由于摩 擦磨损的存在，给电机带来了附加的负载，即便是空载功率也达到了3 0 - 4 0 ，目前， 为提高刮板输送机中部槽使用寿命而广泛采用的方法是耐磨焊条堆焊和增加中板的厚 度。耐磨焊条堆焊法对提高中部槽使用寿命有定的成效，但耐磨焊条成本较高( 约6 0 元k g ) ，且对堆焊工艺要求较高，不易掌握。若焊接不均匀，焊缝水平相差太大，反而 大连理工大学硕士学位论文 增加了刮板、货载在中板上的运行阻力，给电机带来了额外功耗，甚至超过了电机的负 荷。采用增加中板厚度法只是种治标不治本的方法，带来的只是钢铁材料的浪费，对 提高甜扳输送机静使用寿命并不是很显著，一般中板厚度增加到3 0 一3 5 m m 才能保证t 0 0 万吨的过煤量。在兖矿集团兴隆庄煤矿使用的s g z - 1 0 0 0 1 4 0 0 型刮板输送机其中板采用 厚度为5 0 m m 的进口材料，过煤量也只是在3 0 0 万吨左右，两这些都导致了煤炭生产成 本的大幅提高。从中部槽的恶劣工作条件考虑，用增加厚度的办法可以换为耐磨耐腐蚀 性更强的材料加工部件更为经济合理，尤其现在各种高耐磨材料的研究水平的提高也为 加工中部槽提供了保障。用耐磨钢w z b - n m 3 6 0 冷轧板制作的刮板运输机中部槽没有粘 着磨损，磨料磨损小，耐磨性明显提高，与1 6 m n 钢中部槽的中板在相同工作时间及工 况下的磨损情况对比，可提高该部件耐磨性的要求。如图1 3 图1 3w z b - n m 3 6 0 钢中部槽磨损形貌8 0 0 隐1 3s t e dw z b - n m 3 6 0m i d d l et r o u g hm o r p h o l o g yo f w e a r i n g x8 0 0 中部槽制作的主要技术保证中部槽要能够满足综采工作面要求，可靠地达到设计输 煤量，保证与相关设备配套适应性【4 】。首先，主要几何尺寸，形状位置公差严格按图纸 要求控制；中部槽强度必须达到和超过设计图纸技术要求；因此，要求高质量的材料、 铸钢件和高强度耐磨中板，同时，焊接设备、材科、工艺手段等都必须有保证措施。中 部槽与机身、机尾的联结中通过螺栓连接实现，中部槽由1 6 m n 更换为w z b - n m 3 6 0 后， 需要建立新材料的切削性研究，为w z b - n m 3 6 0 中部槽的大量使用提供保障。有必要针 对新材料的中部槽钻削加工进行研究。 煤矿刮板运输机中部槽的钻削加工性研究 1 4 刮板运输机中部槽钻削加工现状 国产刮板运输机上的孔加工是直径为2 0 3 0 m m ，一直采用的是高速钢标准麻花 钻加工1 6 m n 钢，由于刮板运输机中部槽的高耐磨要求，很多国内的煤机厂家改用高强 度耐磨材料加工中部槽，张家口煤机厂采用日本进口材料n k - e h 3 6 0 和n k - e h 4 0 0 加工中 部槽，并由黑龙江矿业学院完成材料的钻削加工、刨削加工、焊接工艺方面研究。但本 文针对的刮板运输机中部槽材料是高耐磨钢w z b - n m 3 6 0 ，是国内生产厂家舞钢研发的高 耐磨合金材料，性能接近进口材料，但价格要低廉，所以从性价比考虑鸡西煤机厂为了 降低刮板运输机的价格采用国产材料替代进口材料加工中部槽。虽然国产材料与进口材 料性能接近，但在合金元素成分上还有些差异，而针对国产耐磨钢中部槽的加工经验很 少，因此加工高耐磨钢w z b - n m 3 6 0 需要解决的问题是： ( 1 ) 合理的切削用量选择。 ( 2 ) 针对标准麻花钻的改进。 1 5 本课题的意义与主要工作 鸡西煤机厂采用高强度耐磨钢板w z b - n m 3 6 0 替代原1 6 m n 钢板来制造中部槽，使刮 板运输机的使用寿命得到显著提高，过煤量由不足1 0 0 万吨提高到2 0 0 万吨以上，在机 械加工方面，该厂在近年用原有的加工切削方法共消耗各种刀具费用近4 0 万元，造成 了很大浪费，所以为了提高刀具的使用寿命，降低生产成本，改善高强度耐磨材料的切 削加工状况势在必行，本文从w z b - n m 3 6 0 钢样品的金相组织结构入手，通过对切削变 形系数的测定和分析，针对刀具磨损和破损机理的研究，基本上形成了w z b - n m 3 6 0 钢 中部槽的切削加工理论基础。 本课题主要进行以下几方面工作： ( 1 ) 分析切削加工特点和切屑的形成机理。 ( 2 ) 进行对比钻削实验找出相对合适的钻头材料。 ( 3 ) 通过钻削力和扭矩的经验公式，分析钻削要素对钻削力的影响。 ( 4 ) 通过实验和理论优选钻削用量。 ( 5 ) 研究钻头磨损和破损形态，选择刀具合理的几何参数。 本课题针对刮板机中部槽的钻削加工性进行研究，为大运量运输机中板与接口板的 大批量生产提供有关金属切削加工方面的可靠依据和技术指导数据。 大连理工大学硕士学位论文 2 钻削加工性的特点与w z b - n m 3 6 0 的材料特性 2 1 钻削加工性的现状 2 1 1 钻削加工的发展 近几十年来，人们关于钻头和钻削的研究除了钻头制作材料的改进以外，主要集中 在以下四个方面”。： ( 1 ) 钻头数学模型和几何设计研究：包括螺旋沟槽、后刀面、主刃和横刃数学模型的 建立，横向截形与钻尖结构参数的优化，切削角度( 分布) 的计算与控制，钻头结构的 静态和动态特性分析，钻尖几何形状与切削和排屑性能关系的研究。 ( 2 ) 钻头制造方法研究：包括钻头几何参数与后刀面刃磨参数之间关系的建立与优 化，钻头制造精度和刃磨质量的评价与制造误差的测控，钻头螺旋沟槽加工工具截形的 设计计算，钻头加工设备特别是数控磨床与加工软件的开发等。 ( 3 ) 钻削机理与各种高性能钻头( 如群钻、枪钻、干切削钻头、微孔、深孔钻头、长 钻头、可转位钻头、合成材料加工用钻头、木工钻头、多螺旋槽钻头等) 的研究。 ( 4 ) 钻削过程模型验证和钻头性能评估过程的自动化，切削条件及钻头形状选用数据 库和知识库的建立等。 目前，最具活力的研究领域是钻头数学模型、几何设计和制造方法( 设备) 的研究， 钻削过程建模与钻削质量的研究等。 2 1 2 钻削刀具材料的发展 刀具的磨损严重地影响着切削加工效率，产品质量和成本及刀具寿命等。因此研究钻 削加工刀具的磨损和破损机理对于材料的钻削加工工具有十分重要的意义，在金属切削 刀具中，麻花钻是耗损量较大的刀具，由于半封闭的切削环境和特殊的钻头几何结构使 麻花钻的钻削温度高于相同切削用量条件的其他加工，由于缺乏对钻刃磨损规律全面的 理论阐述与试验依据，所以难以在实际加工中合理选择钻削用量来发挥钻头整体的切削 作用。对于难切削材料的切削，所用刀具材料的有关资料如下”： ( 1 ) 硬质合金 硬质合金是于1 9 1 3 年在德国研制成功的，1 9 1 6 年在世界范围内进入实用化阶段， 很快就得到推广以后相继改良，出现了多种多样的硬质刀具。 ( 2 ) 超微粒硬质合金 煤矿刮板运输机中部槽的钻削加工性研究 硬质合金与高速钢相比，可实现高速切削，加工效率也有较大提高，但也存在比高 速钢脆而易崩刃的缺点。超微粒硬质合金就是为改善上述硬质合金缺点而研制的。这种 刀具材料既能保持与硬质合金相同的硬度，同时韧性也得到大幅度提高。 ( 3 ) 涂层硬质合金 涂层硬质合金按制造方法分为化学气相沉积法( c 、，d 法) 和物理气相沉积层( p v d 法) 。涂层硬质合金显著地改善了基体材料的切削性能，同时也有助于提高切削效率和 降低加工成本，已成为主要刀具材料之一。 ( 4 ) 金属陶瓷 金属陶瓷就是将各种碳化物、氧化物、氮化物和硅化物用金属作为基体材料结合而 成的一种刀具材料。金属陶瓷是于1 9 5 5 年美国开始研制的。现在，t i n 基金属陶瓷是作 为主要刀具材料而发展的。金属陶瓷的应用范围已扩大到端面铣削和切削加工。 ( 5 ) 陶瓷 陶瓷类的切削刀具材料在高温下硬度高，化学稳定性好，而且还具有优良的对塑性 变形的抗力，所以不易与被切削材料产生氧化磨损和扩散磨损。具备了适合高速切削刀 具材料的各种特性。 ( 6 ) c b n 烧结体 c b n 烧结体自1 9 7 4 年由美国g e 公司出售以来，很快就成为适合于难切削材料加工的 刀具材料，其需求量在稳步增长。 2 1 3 钻削刀具的损伤 从刀具的磨损过程看，切削作用是刀具材料和工件材料在高温高压下的一种摩擦现 象，钻削加工是一种连续切削，切削刃从切削开始到终止一直被陷入切削材料并处于连 续排出切屑的稳定切削中。刀具的切削刃处于摩擦磨损、热反应及塑性变形等形式的磨 损状态下。因此，切削刀具首先要具备高硬度，无论哪种材料的刀具，在难切削材料的 切削中，出现较多的故障是切削刃的异常损伤，刀具寿命短而且不稳定。由于工件材料 的特性、加工方法、刀具材料、切削条件等的差异，因而刀具磨损和破损的形态也比较 复杂。刀具磨损和破损的分类如图”1 2 1 所示： 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 刀具磨损、破损 后刀面磨损 月牙洼磨损 副切削刃界面磨损 主切削刃界面磨损 副切削刃氧化磨损 热疲劳磨损 崩刃 缺损 断裂 表面剥落 塑性变形 胶合 胶合崩刃 主切削刃界面异常损伤 异常裂纹 崩刃与磨损 热疲劳裂纹与磨损 表面剥落与磨损 塑性变形与磨损 胶合与磨损 图2 1 刀具磨损和破损分类 f i g 2 1t h ec a t t i n gt o o lw e a r sa n dd a m a g e s t h ec l a s s i f i c a t i o n 切削加工技术中的硬设备主要由机床、切削刀具、夹具等部分构成。 1 9 5 0 年以后，切削加工技术取得了显著的进步。在其发展过程中，机床在切削加工 技术中所起的作用是很显著的，然而切削加工技术的进步，在很大程度上还是取决于切 削刀具的发展。无论机床怎样发展，切削功能主要由刀具的切削刃实现。切削刀具是否 具有良好的切削性能，直接影响整个切削加工系统。特别是对于难切削材料的切削加工 技术，切削刀具的贡献更大。用作难切削材料加工的刀具材料有金属陶瓷、立方氮化硼 和金刚石烧结体等。 煤矿刮板运输机中部槽的钻削加工性研究 2 2w z b - n m 3 6 0 材料性质 材料力学性能对材料的切削加工影响很大。而工件材料的物理力学性能在很大程度 上取决于其化学成分。 各种元素对结构钢切削加工性的影响如图2 1 所示“1 。 + 售 碘 g 趔0 h 曩 窖 器 靛一 s p ， ，、c 、 p s 1 、 | 靛土 迤 c r 鼍遵 毗 口o 40 ，8 1 21 62 0 元素含量 图2 1 各种元素对结构钢切削加工性的影响 f 嘻2 1e a c hk i n do f e l e m e n t j u s tc u tt h ew o r k a b l et ot h es t r u c n 聪i n f l u e n c e 本课题研究的w z b - m 3 6 0 是高强度耐磨耗钢板。它的含碳量低，合金元素种类较 多，其成分与力学性能如表2 1 所示。 表2 1w z b - n m 3 6 0 的化学成分与力学性能 表2 1w z b - n m 3 6 0 c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e 材料化学成分( ) w z b 小n 1 3 6 0c s ig n lp sc rt ib 0 2 0l 0 5 5l 1 6 0l o 0 3l o 0 3i 0 4 0 0 0 2f 0 0 0 4 力学性能 吒m p ai g p al 喀 i 职c 1 1 3 0 l 1 3 8j 4 4 5 通过样品化学成分分析，进行耐磨钢w z b - n m 3 6 0 的钻削加工性研究有必要先从研 究材料的切削性质入手。 大连理工大学硕士学位论文 3 钻削过程分析 由于切削变形是切削过程的本质现象，是研究切削过程中切削力、切削温度、刀具 磨损、振动等其他一些物理现象的基础，所以在刮板运输机中部槽的切削加工性之前， 对其切削变形的形成过程进行必要研究。分析从以下四方面进行。 3 1 切削加工时应分析的问题 由于零件设计的要求，高强度耐磨钢经常需要在调质状态下进行( w z & n m 3 5 0 即如 此) 加工。调质后它的金相组织一般为索氏体或马氏体，其硬度为h r c 4 0 5 8 ，抗拉强度 瓯1 1 8 g p a 。高硬度的马氏体在切削时的剪切应力大；同时，切屑与前刀面接触长度 极短，切削温度高，应力集中在刀尖处，因而使刀具磨损严重。 高强度耐磨钢在退火状态下比较容易加工，但经调质后的高强度钢，获得了较高 的室温和高温的强度和硬度。同时，由于c r 、n i 、m o 、v 和m n 等元素的加入，能增加 淬硬层深度等原因，所以切削加工性较差。虽然大部分高强度钢调质后的塑性和韧性有 所降低，但与加工正火状态下的4 5 钢相比，高强度钢加工时的切削力约提高2 0 3 0 ， 切削温度也相应提高，所以刀具磨损快、刀具耐用度低，切削高强度钢所用的切削速度， 一般与其抗拉强度平方成反比。 根据高强度耐磨钢的性能和切削过程的特点，切削加工时应考虑的共同问题是” ( 1 ) 要求工艺系统具有足够的刚性，刀具悬伸量应尽量小，以免引起振动。 ( 2 ) 选择合理的刀具材料，必须采用耐磨性良好的刀具材料来切削高强度钢，高 强度钢是铁基金属，不能用金刚石刀具进行切削。 ( 3 ) 选用合理的刀具几何参数，为了防止崩刃、增强刀刃，刀刃的粗糙度应该很 小，刀刃刃形上不应有尖角，尖角必须用圆弧代替，刀尖圆弧半径应在0 8 m 以上。 ( 4 ) 选用合理的切削用量，切削用量的制订原则与加工一般钢材时基本相同。唯 切削速度必须降低，才能保证必要的刀具耐用度。 ( 5 ) 应充分冷却，使用硬质合金刀具时不宜使用水溶性切削液，以免刀刃承受较 大的热冲击，引起崩刃。 3 2 钻削力学模型的发展 在过去的几十年中，人们报道了许多预报钻削力的方法，其中绝大部分是用于标准 麻花钻的。由于缺乏先进的计算机和测量设备，早期的研究主要集中在建立简单的经验 性扭矩和轴向力模型上，模型参数就是钻头的几何参数( 如钻头直径) 和切削用星，建 煤矿刮板运输机中部槽的钻削加工性研究 模方法是通过大量的切削实验，用统计方法拟合出钻削力的经验公式。用分析方法建立 的钻削力模型是随着人们对切削过程认识的深入而逐步出现的。1 9 5 5 年，o x f o r d 用显 微照片记录下钻头主刃和横刃的切屑变形过程，并通过实验发现：钻削过程中，在钻尖 上存在三个主要的切削区域，即主刃切削区、第二切削刃( 横刃) 切削区和钻芯附近的 刻划区。稍后，s h a w m c 和o x f o r d c j j r 证明了横刃在钻削加工中的重要性，因为它 产生了5 0 9 6 6 0 9 6 的轴向力。1 9 6 6 年，c o o k n n 提出了一个用半分析法推导钻削力公式 的方法。s h a w m c ( 1 9 6 2 、1 9 8 4 年) 在对切屑变形机理进行深入研究的基础上，提出了钻 头主刃的切屑变形模型。w i l l i a m s a r ( 1 9 7 4 年) 提出了一个基于单点刀具二维切削模型 的钻头主刃切削力模型，并确定了钻头刻划区的直径。a r m a r e g o e j a ( 1 9 7 2 年) 应用斜 角切削理论，提出了平面钻尖切削力预报模型。w i r i y a c o s 0 1 s ( 1 9 7 9 年) 等人根据切屑 变形的薄剪切区( 剪切平面) 理论，将钻头主刃和横刃看作一系列与切削条件有关的单 元斜角或直角切削刀具的组合，通过累加这些单元刀具的切削力来预报钻削力，即单元 刀具线性综合法。在剪切平面理论的基础上，o x l e y c j j r ( 1 9 5 9 、1 9 6 2 年) 、a r m a r e g o e j a ( 1 9 7 2 、1 9 7 9 年) 和w a s t o n a r ( 1 9 8 5 年) 分别建立了不同的钻削力模型”1 。 随着科技的进步，建立预报钻削力模型的方法也在不断发展。1 9 9 7 年，i s l a m a u 和l i u m c 提出了用人工神经网络预报群钻轴向力和扭矩的方法，其训练用数据直接从 文献资料中提取。2 0 0 1 年k a w a j i s 等人也提出了一种用神经网络模型估计和控制钻削 轴向力的方法：离线构建一个轴向力神经网络模型；以该模型为基础，通过在线最 4 , - 乘法训练，建立一个模拟神经控制器；将经过训练的神经控制器应用于钻削系统， 得到轴向力。1 9 9 9 年，c h e n y 应用有限元方法分析具有刃口圆弧半径刀具的斜角切削 过程，建立了一个用有限次任意刃形钻头标定的任意刃形钻头钻削力模型。2 0 0 4 年， s t r e n k o w s k i j s 等人用一个欧拉有限单元模型模拟组成切削刃的单元刀具的切削力， 提出了用有限元技术预报麻花钻轴向力和扭矩的方法。2 0 0 2 年，y a n g j a 等人提出了 一种用i d e a sc a e 软件系统实现的钻削过程仿真模型，可以预报动态钻削力嘲。使用适 合的建模方法对分析切削力有着重要意义。本文认为作用在切屑剪切面上的力与前刀面 上作用于切屑的力，二者大小相等，相互平衡，但不一定共线，这就产生了一个弯矩， 使切屑自然卷曲m 。 图3 1 为切屑的形成过程。 大连理工大学硕士学位论文 wl 7 f a m 图3 1 切屑形成过程 f i g 3 1 “v a r f f o r m i n g p r o e e 如图3 1 ( a ) 所示，切削层受到正压力f n 和磨擦力f s 组成的合力f r 的作用。使接近 切削刃处的金属产生弹性变形、塑性变形，同时金属晶格产生滑移。如金属内部的点， 当它移到1 点时，产生塑性变形，点在1 处继续移动到1 处的过程中并沿最大剪应力 方向的剪切面上滑移到2 处，之后，同理继续滑移到3 、4 处，离开4 处后，就沿前刀 面流出而形成切屑上的一个质点。在切削层钆上其余各点均如此。再如图3 1 ( b ) 所示， 对于切削层上m n 线来说，m n 面移到剪切面a b 时，产生滑移后形成切屑上的m 。n 线。 这个过程连续进行，切削层便连续地通过前刀面转变为切屑。 3 3 切屑变形程度衡量指标的测试 为了深入了解w z b - n m 3 6 0 中部槽的切削变形实质，掌握其切削变形规律，衡量切 削变形的大小，我们要对材料的以下参数进行测试，进丽分析和了解的切削变形规律。 3 3 1 理论分析 ( 1 ) 变形系数a 如图3 2 ( a ) ，厚度变形系数 。= 长度变形系数= 之 在一般切削条件下，切削宽度远大于切削厚度，这时被切削层变成切屑后。宽度方 向的变化很小，可忽略不计。根据体积不变原理，变形系数为： k = a 材2 a a ( 3 1 ) 由图中几何关系有： ( 3 2 ) 煤矿刮板运输机中部槽的钻削加工性研究 相对滑移反映了切屑基本变形区的最大剪应变：如图3 2 ( a ) 所示 占。万a s = c t g ( b + 培( 妒一) 2 面而c o s g o ( 3 3 ) ( 3 ) 剪切角 剪切角是指剪切方向与切削速度方向的夹角。它是影响切削变形的一个重要因素， 为此，许多科学家理行了大量研究，并推荐了若干剪切角的公式“”，例如： 按切削过程能量消耗最少原则，剪切角矽应为 妒：4 5 * 譬一譬 ( 3 4 ) 按最大剪切理论，剪切角应为 矿= 4 5 。+ 一 ( 3 5 ) 由公式( 3 2 ) 得出痧 = t g 一1 ! 婪 ( 3 6 ) o h s i l l 将( 3 6 ) 式代入( 3 3 ) 式有 ， 占：垒i 二! 垒墅丝!( 3 7 ) 八k + c o s y q y8 、。 、 扩衫t+ j 、 ! ! 一 丝。 心 仲一1 5 0 一缓w 飞 o f 日一 一 生形赢i 虹 ( a ) 切屑变形衡量指标计算示意图 ( b ) 一f 的关系 图3 2 切屑变形衡量指标及人 一占的关系 f i g 3 2 s w a r f d i s t o r t i o nw e i g h tt a r g e ta h - - 6r e l a t i o n s 从以上几个关系式可看出，、e 、矿三者之间有一定的数量关系，在刀具前角 已定的情况下，知其一而可求其他。a h 一占的关系如图3 2 ( b ) 所示。从图中可看出：当 大连理工大学硕士学位论文 a 。1 5 时，对于某一固定的前角，占和近似成正比，这说明的大小也可在一定 程度上反映出相对滑移变形的强弱：但当a 。= 1 时，h d - k ，似乎切屑没有变形，而这时占 o ，说明切屑还是有变形的，只不过没有反映在切屑长度和厚度的变化上，而是以剪 切滑移的形式进行的，事实上，当 1 2 时，由于和物理意义上差别，已不可再 用来反映对用滑移的大小，因为这时f 随 。变化不大( 当1 a 。 1 2 ) 甚至随减 小而增大( 当a 。 o 3 时，容易形成掰凸，硬质点，硬质点对刀具有擦伤作用，另外，工件材料 晶界处微细硬质点能使利料强度和硬度提高，这使切削时剪切变形的抗力增大，使材料 的切削加工性降低，b 元素的加入，能提高材料的淬透性，使其具有较高的硬度和耐磨 性；其热处理状态为调质状态；该材料的变形系数大剪切角小说明切屑变形程度大，硬 化严重，与刀具表面的粘着现象也较强，不易断屑，不易获得好的已加工表面质量。 图3 6w z b - n m 3 6 0 的金相织图 f i g 3 6w z b - n m 3 6 0c r y s t a ld m e , e dp a t t e r n 大连理工大学硕士学位论文 4 刀具分析 麻花钻是一种形状复杂的孔加工刀具，它的结构及几何参数较复杂。制作材料不断 更新。麻花钻表面看来似乎很简单，但从数学意义上来说，却是一种极为复杂的刀具。 以致难于为人们深入了解和掌握。很长一段时期内，麻花钻的刃磨只能依靠经验来调查 机床，无法达到预定的几何角度。由于缺乏必要的理论指导，只能靠经验对刃磨机床进 行设计，因而无法正确给出所需要的调查范围“”。由于本课题是刮板机中部槽的钻削加 工性进行研究，主要切削刀具就是麻花钻。 随着计算机的广泛应用，数学模型的研究也随之成熟起来，最早的有关普通麻花钻 钻尖数学模型研究的论文是g a l l o w a y d f 于1 9 5 7 年发表的，以后，又有很多研究者在 此基础上进行了深入的研究，发表了这方面的文章“”。麻花钻后刀面的成形，对于刀具 的重磨是很重要的。所以对麻花钻后刀面数学模型的研究也相对较多，有的将钻尖三维 空间曲面后刀面的方程化为二