（机械工程专业论文）重型刮板输送机链轮材质与制造工艺研究.pdf

论文题目：重型刮板输送机链轮材质与制造工艺研究 专 业：机械工程 硕 士 生：王振华 (签名) 指导教师：魏 娟 (签名) 袁广峰 (签名) 摘 要 重型刮板输送机是煤矿井下的主要运输设备之一, 链轮是刮板输送机的重要驱动部 件。链轮链窝在和圆环链啮合过程中承受着巨大的交变载荷和附加的冲击载荷，本研究 课题针链轮在使用过程中频繁发生严重磨损造成链轮早期失效的问题，分析了其中的原 因，进而采取两种改进方案：其一是制造链轮材质选用 4 0 c r n i m o a钢来替代原有的 3 5 c r m o 和 4 2 c r m o ，由于这三种材质同属合金钢，具有相近的机械性能和工艺性，所以， 在其他机加工和热处理工艺都不改变的情况下，通过切片解剖的方式，对三种材质链轮 的化学成分和硬度梯度进行了测定， 结果表明, 材质 4 0 c r n i m o a 由于增加了合金元素 n i ， 提高了材质的淬透性，而且确保链轮齿面淬火硬度达到 h r c 4 8 - 5 8 。由此可见，采用该新 材质来制造链轮可以增加其耐磨性，从而提高链轮的使用寿命；其二是针对影响链轮与 链环啮合性能和传动效率的关键部位链窝，分析了影响其加工精度的原因，在此基 础上，设计了加工链窝用的可转位硬质合金成型铣刀代替原来的整体高速钢成型铣刀， 介绍了该刀具的结构、性能，又设计了合理的加工路线、加工程序、测量器具，经过反 复加工实验，确定了合理的加工参数，经实践证明该硬质合金成型铣刀设计合理，加工 质量稳定可靠，加工硬度高，便于安装维护，同时链窝加工方法合理可行，加工性能良 好，经济效益明显，具有一定的推广价值。 最后，通过工业应用实验情况验证，在两种制造工艺方案下加工的链轮极大地提高 了其耐磨性，进而提高了链轮的使用寿命，受到用户的好评，这充分说明该研究课题是 正确、可行的。 关 键 词：链轮材质；使用寿命；制造工艺；链窝；硬质合金成型铣刀 研究类型：应用研究 subject ：research on material and manufacturing technics of sprocket wheel used in heavy scraper conveyor specialty ：mechanical engineer name ：wang zhenhua （）（）signature instructor ：wei juan （）（）signature yuan guangfeng （）（）signature abstract heavy scraper conveyor is a coal mine transportation equipment, sprocket wheel is an important drive components. sprocket wheel chain socket and round-link chain in the process of meshing endure alternating enormous impact load and additional load, in view of this,aiming at the question of premature invalidation of sprocket wheel of my company that resulted in frequent bad abrasion in the process of being used, analyze this causation, and adopt two improved project, firstly, change the material of sprocket wheel being made from the steel of 35crmo and 42crmo to the steel of 40crnimoa, this three kinds of material have similar mechanical and technical capability, owing to together belong to alloy steel. under the circumstances of unchanging mechanical machining and heat treatment processes. by mensuring the chemistry component and rigidity grads of sprocket wheel made from three kinds of material by dissection way. as a result，we compared the steel of 40crnimoa with the steel of 35crmo and 42crmo, the steel of 40crnimoa still has a kind of alloy element of ni. this element of ni can improve quenching capability of material. and new material also can ensure the quenching rigidity of sprocket wheels tooth-face to attain hrc48-58. it shows that the new material can enhance the wearable capability of sprocket wheel thereby enhance using life-span of sprocket wheel.in addition.aiming at the pivotal part-chain socket,which affects the meshing capability and transmission efficiency of sprocket wheel and round-link chain.the text analyzed the reasons which affect the machining precision，on this condition,designed the indexable cemented carbide molding milling cutter instead of primary molding milling cutter of high-speed steel. which is used in the machining of sprocket wheel and the text introduced the structure and machining ability of this molding milling cutter.and designed logical machining route，machining programme and measuring implement,by machining repeatly and validating, finally made certain logical machining parameter. practice proved that this design of molding cutter of cemented carbide is reasonable. the quality of machining is stable and credible, machining rigidity is high, installing and maintenance are convenient, at the same time，the machining technique of sprocket wheel chain socket is logical and feasible, machining performance is very good, economic benefit is obvious, having the certain expansion value. in conclusion，by means of industry applications experiment validating, sprocket wheel manufactured by two manufacturing technics scheme improve greatly wearable capability of itself, farther enhance the using life-span of sprocket wheel, and make it reach international advanced level, this production is well admired by consumer, it fully show that this question of studying is right and feasible. key words : material of sprocket wheel using life-span manufacturing technics chain socket molding milling cutter of cemented carbide research type: applied research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景及研究意义 刮板输送机是煤矿井下运输设备，链轮是刮板输送机的重要驱动部件，当机头传动 部启动后，传动装置的旋转动力经链轮组件来驱动闭合的输送机刮板链在整个输送机溜 槽内运行，从而带动煤炭沿着溜槽移动，直到机尾部卸载，完成煤炭的输送。刮板链始 终绕链轮作闭合循环运行，链轮链窝在和圆环链啮合过程中承受巨大的交变载荷和附加 的冲击载荷，同时它的工作环境非常恶劣，煤和水与之相伴运行，高强度的链环与链轮 链窝是一对运动副，每一次啮合都对链轮进行一次高强度的挤压，且会产生滑动磨擦以 及磨料磨损，链窝部位承受着巨大的交变载荷和附加的冲击载荷，同时链轮要比圆环链 磨损多几千倍。因此，链轮是刮板输送机的易损部件，链轮的耐用程度决定了刮板输送 机质量的好坏，想要延长刮板输送机的使用寿命就必须提高链轮的使用寿命，就要使链 轮具有强韧性、合理配合的综合性能。1不仅要具有高的强度和硬度，而且还要具有较 好的耐磨性。链轮在使用过程中频繁发生链窝处严重磨损，造成链轮早期失效，给整台 刮板输送机的产品形象造成不良影响。所以，对链轮的使用可靠性及寿命的研究就显的 迫在眉睫，因为它直接关系到整个输送机的工作可靠性和无故障运行时间的长短。 针对我公司链轮在使用过程中频繁发生严重磨损造成链轮早期失效的问题。公司将 “矿用链轮使用寿命及制造方法研究”项目列入 2008-2009 年度技术创新工艺科研计。 该项目通过对我公司磨损链轮的分析以及国外链轮的对比研究，找出我公司链轮不耐磨 的原因，针对存在的问题提出改进方案，进行链轮材质优选和制造工艺优化，通过工艺 验证，达到提高链轮的使用性能，满足刮板输送机高强度、高可靠性的要求，提升公司 产品使用性能，为实现公司“质量上水平”目标奠定了坚实的基础。 为此， 考虑到链轮在工作时基体必须有一定的强度和抗冲击能力， 齿面耐磨性要好， 材质的加工性能也要好，同时考虑要有较好的经济性，所以，我们采取部分大功率的重 型刮板输送机的链轮材质选用 40crnimoa 钢来替代原有的 35crmo 和 42crmo， 由于这 三种材质同属合金钢，具有相近的机械性能和工艺性。所以，在其他机加工和热处理工 艺都基本不改变的情况下，通过必要的实验验证，材质 40crnimoa 由于增加了合金元 素 ni，从理论上来分析，该元素可以提高了材质的淬透性，进而增加链轮的耐磨性，如 果确实从理论和实践上都一致，那么矿用链轮使用寿命就可以得以提高，达到了我们的 研究目标。 另外，链轮链窝的加工质量直接关系到链环与链轮的啮合性能和刮板输送机的传动 效率,进而影响生产效率。所以,链窝的加工方法非常重要，链轮齿形、节距等与链条相 西安科技大学硕士学位论文 2 关尺寸加工是否正确，将直接关系链轮的使用寿命和刮板输送机的传动效率，进而影响 生产效率。因此煤生产企业对刮板输送机的链轮质量提出了很高的要求。因此，对于选 择合适的链窝加工方法必须给于足够的重视， 链轮链窝加工质量对整台设备的使用性能 起着关键性作用。目前我们的链轮链窝都是用整体高速钢（w18cr4v）成型铣刀在加工 中心上来完成的，链窝质量的合格与否与成型铣刀的关键尺寸有着必然联系，链窝的宽 度就是铣刀的直径，窝底的圆弧半径就是铣刀的端部圆弧半径。一把整体高速钢成型铣 刀加工完二十多个链轮后，其切屑刃就钝的不能再加工了，必须停床刃磨刀具，这样既 耽误链轮的加工时间，又发生了磨削工时，而且磨工必须手工开后角，抱起这么重的刀 具很吃力，而且每次修磨都会造成刀具直径减小，修磨几次后就无法保证图纸要求。如 果这样的链轮装到设备上，链条就不能彻底平稳地下到链窝的底部，动力就不能彻底地 传输利用，进而有可能引起运转时发生跳链、加剧滑动磨擦以及磨料磨损的现象。为了 保证加工的产品质量，我们只能将该磨损的成型铣刀整体报废，同时用整体高速钢刀具 切削是在低速运转、 低进给率的情况下切削， 加工效率低， 加工出的链窝表面光洁度低 。 因此，为了减少浪费、节约加工成本、提高链窝加工质量、加工效率及使用可靠性，那 么对矿用链轮链窝制造方法研究也是势在必行。 1.2 国内外研究现状 当前输送机技术产品时代特征是： 高效综采， 国产与进口设备共存， 输送能力 2500 3500t/h，工作面长度 250350m，技术集成度高。特别是进入 21 世纪，随着国民经济 的的发展，我国的煤炭产量持续增长，带动了工作面开采装备的更新换代和技术进步， 使工作面输送机整体技术实现了跨越式发展。 我国的主流输送机企业具备了向煤矿提供 高性能输送设备的能力，与此同时，这一时期也是国外先进输送设备大量涌入的时期。 1.2.1 国外研究现状 目前，就我了解的国外的刮板输送机的生产厂家来说，以 dbt、joy 公司为代表 的输送设备，以其性能和先进性明显高于国内产品的优势占据了我国的部分煤机市场。 以德国德伯特（dbt）公司和美国久益（joy）公司为代表的输送机产品是当今国际先 进水平的标志，进口的输送设备多为这两家的产品。利用国外的输送设备及其它先进的 开采装备，神华神东煤炭公司创造了世界煤炭开采史上的一个又一个神话，打破了一个 又一个世界开采记录。这其中的关键所在就是，先进并可靠的采运装备是创造神话的必 备条件之一，先进的装备是先进生产力的推动力。进口的输送设备有很好的运行表现， 工作面刮板输送机实际使用寿命有的已超过 2000 万吨。 我们对美国久益（joy）公司输送机中驱动的关键部件链轮进行了解剖分析后，久 益（joy）的链轮材质为标准合金结构钢 bs en10083-1（1991）标准中 34crnimo6 钢， 1 绪论 3 齿面硬度为 hrc46，久益（joy）链轮的淬硬层达到 25mm，链窝加工方法是先用三维 造型软件 solidworks 对链轮进行精确三维造型,再利用 camwork 结合加工中心最终实 现产品的数控加工。该公司的重型刮板输送机在矿上的使用效果看，相对于我们同行业 的国产设备来说，故障停机率低，产煤量高，使用寿命高（比国产的高 2-3 倍） 。这充 分说明该公司的刮板输送机上关键件链轮的使用可靠性和寿命比我们国产的高。国内的 大型矿区如神东矿大部分设备都采用进口设备，我们的设备很少能够进入该市场。 1.2.2 国内研究现状 我国拥有世界上最多的煤矿输送设备制造企业。这些企业中既有引导中国刮板输送 机发展方向的专业化骨干企业，也有为区域性煤矿提供产品的中小煤机企业或煤矿自备 机修总厂。这些企业的生产纲领不尽一致，产品品种各不相同，服务对象各异，但这些 企业的产品集成使我国成为世界上少有的煤矿输送设备产品品种最为齐全的国家。骨干 企业具有输送设备自行设计和独立研发能力。 国产输送设备不仅可以满足大中型煤矿的 设备配套选型需要，还可以满足小型煤矿的设备选型需要。中国的煤机企业可以向煤矿 提供价廉物美的系列输送机产品，这是中国煤机企业与国外煤机企业的最大不同点。 进入 21 世纪，随着国民经济的的发展，我国的煤炭产量持续增长，带动了工作面 开采装备的更新换代和技术进步，使工作面输送机整体技术实现了跨越式发展。我国的 主流输送机企业具备了向煤矿提供高性能输送设备的能力。目前，中国的工作面刮板输 送机市场，中小型输送设备国产占有率几乎百分之百，大型输送设备（机装机功率 1400kw）中国产设备占有相当大的比率，进口设备比率较少。特别是国内的重型刮板 输送机的使用寿命也有了很大的提高，但是相对国外一些很成熟的厂家来说还有一定的 差距。 目前，国内厂家链轮使用的材质有两种：35crmo 和 42crmo，为特钢厂提供热轧锻 材，进厂后经过下料、锻造、热处理调质、机械加工成型、齿型表面火焰淬火等工序。 原链轮技术要求为基体调质 hb255285，齿面火焰淬火 hrc4555，淬硬层深不低于 5mm。2008 年我们对矿上返厂的的材质为 42crmo 的 100/07ll 磨损失效链轮进行了解 剖分析，该链轮在神华万利公司长安沟矿使用一年多后，过煤量达 330 万吨时，磨损量 已达 25-30mm，不能继续使用。通过对我公司磨损链轮的研究与国外链轮的对比分析， 发现我公司链轮不耐磨的主要原因是链轮链窝部位的淬硬层深度浅和加工质量不稳定， 不能满足输送机正常使用要求。我公司链轮齿面硬度 hrc53，其淬硬层深度只有 10 15mm。通过对比可以看出，我公司链轮的齿面硬度与美国久益（joy）的相比不低， 但淬硬层深度却比joy的低1015mm， 这可能就是导致我公司链轮不耐磨的原因之一。 另外，就我目前了解的关于链轮链窝加工方法的情况，大都是利用整体成型铣刀在 数控机床上加工而成，或先利用三维造型型软件对链轮进行精确三维造型,再利用 西安科技大学硕士学位论文 4 camwork 结合加工中心最终实现产品的数控加工而成，也有的是在专用机床上加工而 成，还有的是在普通机床或电火花机床上加工制造而成。其中在电火花加工过程中电极 损耗较大，每加工 23 个链轮就要修磨一次电极，钳工劳动强度大，工作环境比较差； 而在其他机加工方法中，由于刀具磨损和加工误差的存在，加工后的链窝质量不稳定， 同时加工的刀具成本也相对高，表面光洁度差，而且加工效率低，工人劳动强度大。 1.3 论文的研究方法和主要研究内容 本文通过介绍论文研究的目的、意义、国内外研究现状，从链轮在刮板输送机中的 作用以及结构特点引出对链轮材质及加工工艺研究的必要性和涉及的关键技术问题， 通 过理论分析、实验验证叙述了链轮材质对链轮机械性能的影响，并选出了适合的材质， 同时介绍了链轮的加工工艺过程，从中提出其加工工艺的关键技术问题，介绍了链轮加 工的夹具、刀具及链窝规的设计，重点介绍了链窝的数控加工方法、关键程序，最后， 做出了主要结论、创新点及研究的可行性。 2 链轮结构及设计特点 5 2 链轮结构及设计特点 本章主要依据链轮在刮板输送机中的作用来说明和分析链轮的结构设计特点，从而 引出对链轮材质及加工工艺研究的必要性和涉及的关键技术问题。 2.1 链轮的工作原理 链轮是刮板输送机中的动力驱动的关键部件， 电动机的动力经过链轮轴带动链轮来 传递动力， 链轮又带动链条将动力传递给刮板,这样中部槽中的刮板就可以带动煤炭的运 输。如图 2.1 所示，链轮 3 在工作过程中，链条与其相啮合，每根链条有平链环 1（简 称平环）和立链环 2（简称立环）两种组成。其中，平环与链轮的链窝互相啮合、立环 在链轮的齿槽内；平环与链窝的接触带动链轮进行转动，链轮带动整个链条转动，从而 完成刮板输送机的工作；因此链轮工作性能的好坏主要取决于使用过程中链条与链轮链 窝之间的接触吻合程度。吻合程度高运转性能就好，链轮的整体使用寿命也就长2。 图 2.1 链轮与链环传动关系简图 2.2 链轮的设计结构图 根据链轮在输送机机头尾传动部分的功能特点和结构工艺性，链轮的设计结构如图 2.2 所示。 西安科技大学硕士学位论文 6 (a) (b) 图 2.2 链轮结构 2.3 链轮链窝部位关键尺寸 根据链轮的工作原理，链轮在使用过程中，与链条相啮合的各部位便是链轮的关键 部位， 链轮链窝尺寸设计均是根据煤炭行业标准 mt23191 矿用刮板输送机驱动链轮 设计的，其主要尺寸如下图 2.3 所示。 2 链轮结构及设计特点 7 图 2.3 链窝关键尺寸示意图 （1）链窝底平面到链轮中心尺寸 h 该尺寸为安装尺寸，要求非常严格，加工时必须按图纸要求。它关系到链轮在使用 过程中链条与之相啮合性能的好坏，而且对链轮的寿命长短有直接影响。同时直接影响 到链轮和链条啮合性能，太大会造成深度尺寸 h 减小，使链条出现打滑现象；太小会造 成 h 尺寸增大，使链条出现卡链现象。 （2）链窝的圆弧半径 r 链窝圆弧半径为一个空间的尺寸，最高点在两排齿槽的中心线上。圆弧为一个球面 形状，用卡尺不能直接测量。圆弧半径 r 的大小即为相应规格链环的半径，如48 圆 环链对应的链窝圆弧半径为 r24。工作过程中，链环与该部位相接触，所以在加工时， 要求保证该部位的表面质量，以达到链环与该部位吻合性良好。 （3）链窝的长度 l l1 为相邻两齿链窝底部圆弧与节圆相交点之间的距离，即为链窝的最大长度，l2 为链窝的中心有效长度。当将一个圆环链放于成形的链窝中时，链环在链窝中左右可以 适当灵活移动，移动范围即在 l1 之内，移动量一般为 8mm 大小。一般情况，该移动量 加上链环的外径最长尺寸即等于链窝的最大长度 l1，l1 的大小用卡尺不能直接测量。 但可以间接测量，8d 21 +=ll，d为链环直径。 （4）链窝的深度 h 链窝的深度即为圆环链中心到链窝底平面的距离，加工中主要保证链轮中心到链窝 底面尺寸 h，同时兼顾链窝深度尺寸 h，链窝深度尺寸 h 由成型铣刀直接保证。3 2.4 链轮的基本技术要求 论文研究的链轮全部符合 mt231-91 的技术要求，相邻两链窝槽的中心线角度偏差 不大于30，链窝平环底面的平面度不大于 1，链轮调质硬度为 hb255-285,链轮齿面 淬火硬度 hrc48-58.淬硬层深度不低于 10mm，且渐开线花键齿廓中心线 j 与链轮基准 西安科技大学硕士学位论文 8 m 的中心线偏移量不大于 15，基准齿 m 两侧于图示位置打标记“”等边三角形边 长 8 mm。 2.5 本章小结 本章主要从链轮在刮板输送机中的作用和工作原理来说明和分析链轮的结构设计 特点和基本技术要求。这样，可以为下一步对链轮在选材及加工工艺研究的必要性和涉 及的关键技术问题提供一定的理论依据。 3 链轮材质对链轮性能的影响 9 3 链轮材质对链轮性能的影响 本章通过理论分析、实验验证叙述链轮材质对链轮机械性能的影响，并选出适合的 材质。 3.1 链轮材质的确定 通过对我公司磨损链轮的研究与国外链轮的对比分析，发现我公司链轮不耐磨的主 要原因是链轮齿窝部位的淬硬层深度浅。为了增加链轮齿面的淬硬层厚度，从而提高链 轮轮齿的耐磨性目的， 那么必须考虑在新材质中增加合金元素 ni， 因为它是提高链轮链 窝淬透性的有效途径。新方案采用 40crnimoa 钢，由营口特殊钢锻造有限责任公司经 电渣重熔精炼并锻造毛坯后向我公司交货，在我公司通过机械加工成型并与热处理工艺 相结合，使链轮齿面淬火达到 hrc4858，淬硬层深不低于 10mm，同时，通过电渣重 熔可去除非金属夹杂物，使组织更加均匀致密，s、p 含量更低，综合性能更高。2008 年 3 月， 我们从营口特殊钢锻造有限责任公司定购了 13 件新材质 40crnimoa 链轮锻造 毛坯， 1 件用于工艺研究分析，其余 12 件用于井下实验。 3.2 热处理工艺分析 由于新材质 40crnimoa 与原来的材质 35crmo 和 42crmo 同属合金调质钢，具有 相近的机械性能和工艺性，所以对这三种材质所加工的链轮所采取的热处理工艺是相同 的。链轮热处理要求：调质硬度 hb255-285，齿面淬火 hrc48-56，淬硬层深度不低于 10mm。针对该技术要求，加工工艺所采取的具体热处理工艺为正火、调制和淬火。 3.2.1 正火 （1）目的 降低链轮锻造后的加工硬度，提高塑性，改善切削加工性能；还可以细化晶粒，调 整组织结构， 改善机械性能， 为下一步工序作准备； 同时可以消除锻造所产生的内应力。 （2）工艺数据 在我公司热处理设备 rt-180-9 上加热到 860，保温 270min,然后空冷（空温 15-30 ） 。 3.2.2 调质 淬火+高温回火称为调质处理 （1）目的 西安科技大学硕士学位论文 10 为了降低脆性，消除内应力，减少工件的变形和开裂；还可以调整硬度，提高塑性 和韧性，获得工件所要求的机械性能；同时稳定工件尺寸。 （2）工艺数据 在我公司热处理设备 rt-180-9 上淬火， 即加热到 860， 保温 270min,随即油冷 （油 温 20-60） ，然后在该设备上进行高温回火，即加热到 630-650，保温 300min,随即水 冷（水温 15-30） ，水冷至 300时出水空冷，检验的手段是采用锤击式硬度计检验合 格为止。 3.2.3 淬火 （1）目的 提高硬度和耐磨性，获得良好的综合机械性能。 （2）工艺数据 齿面链窝淬火：在我公司热处理设备 687 上先加热到 860-880，保温 3min,随即在 6-8%aq364 介质中冷却（介质温度 20-50） ；然后再在热处理设备 rjj-75-6 上进行低 温回火，即加热到 200，保温 240 min, 随即空冷（温度 15-30） ；检验的手段是采用 里氏硬度计，如果检验值达到图纸技术要求 hrc48-58，即可判断为合格。 3.3 新旧材质对比分析 在经过正火、调质和淬火三种热处理和最终的机加工工艺处理后，我们对目前使用 的 35crmo、42crmo 和新材质 40crnimoa 三种材质链轮取样。采用切片解剖方式，对 其化学成分、硬度梯度等进行了测定，三种材质链轮按工艺加工完后，每个链轮气割切 下一个齿，再将轮齿进行切片，切割是沿齿厚方向进行，第一片厚 5mm，以后每 8mm 切一片，每种链轮切 9 片。在齿形顶面和链窝表面垂直方向测定硬度值，共计硬度打点 2400 多个，硬度梯度测量值见附表，在打硬度面的背面抛光后进行了酸蚀。通过对硬度 梯度的检测和酸蚀，我们获得了三种链轮材质的硬度分布和淬硬层深度值。 3.3.1 化学分析 三种材质成分检测结果如下表 3.1 所示。 从成分检测结果可以看出，新材质 40crnimoa 与 35crmo 和 42crmo 相比，最大 的特点是增加了 ni，其它元素的成分基本上相当，同时 s、p 含量更低。金属工艺学研 究表明，合金元素 cr,ni,mo,mn 等的增加都可以提高材质的淬透性，新材质增加了 ni 元素，使它的淬透性有了提高。通过下面硬度梯度的检测可以看出 3 种材质淬硬层深度 的差别。 3 链轮材质对链轮性能的影响 11 表 3 . 1 三种材质化学成分检查表 3.3.2 硬度梯度切片样: 图 3.1 是链轮齿面火焰淬火后，通过线切割制作的实验切片。在链轮上的每个齿切 9 片，在每片上沿齿面向心部打硬度，在图片上可以看出，从前向后分别编号 1-9。 图 3.1 解剖样件示意照片 （1）硬度打点实验 西安科技大学硕士学位论文 12 图 3.2 是材质分别为 40crnimoa、42crmo、35crmo 样件的硬度打点切片样图，编 号为 1-9 号，在每个切片上从边缘到心部打点，具体分布是以心部成 7 条射线的形式布 置，且在每条线上以每 3mm 的距离打点，以备测量其硬度分布情况。 (a) (b) (c) 图 3.2 硬度打点分布照片 (2) 酸浸实验 图 3.3 是材质分别为 40crnimoa、42crmo、35crmo 样件在硬度打点的背面进行酸 浸实验,通过实验图片中淬硬层大小的分布变化可以看出链轮齿面淬火后,从表面到心部 其硬度的分布变化是越来越小,齿表面已经淬硬,但是心部还保持原有的调质状态。 (1) (2) (3) 3 链轮材质对链轮性能的影响 13 (4) (5) (6) (7) (8) (9) 42crmo 40crnimoa 西安科技大学硕士学位论文 14 35crmo 图 3.3 酸浸照片 3.3.3 硬度梯度分析 为比较三种材质淬硬层深度差别，我们对 3 种材质的链轮齿相同部位的硬度值进行 了对比，图 3.4 是三种材质取每片 1 号线上 hrc48 的点距表面距离的值，从图中可以 看出淬火硬度达到 hrc48 时， 新材质 40crnimoa 的淬硬层深度在第二片上即图中齿厚 方向齿面到齿背距离为 13mm 时，淬硬层深度为 59mm，高于 42crmo 淬硬层的深度值 39 和 35crmo 的 12，在第五片即齿厚中部的淬硬层深度为 30mm，相同的位置 42crmo 为 15，35crmo 已为基体硬度没有淬硬。 3 链轮材质对链轮性能的影响 15 图 3.4 三种材质对应 hrc48 每片 1 号线淬硬层深度值 其次我们对三种材质链轮距表面相同距离处所达到的硬度值比较如下，从图 3.5 可 以看出在同样的深度，在齿表面新材质 40crnimoa 和 42crmo 硬度值差别不大，但随 着齿厚的增加， 40crnimoa 与 42crmo 的差别也在增大， 第二片上即图中齿厚方向齿面 到齿背距离为 13mm 时 40crnimoa 硬度值为 hrc52，相同位置 42crmo 为 hrc51， 35crmo 为 hrc39， 随着齿厚的增加， 到第六片即齿厚方向齿面到齿背距离为 45mm 时， 40crnimoa 硬度值为 hrc47，42crmo 为 hrc40，35crmo 为 hrc26，再向后到第七 片时，40crnimoa 硬度值为 hrc45，42crmo 仅为 hrc20。 图 3.5 三种材质每片 1 号线上距表面 27mm处达到的硬度值 最后我们对三种材质的链轮从链窝表面到硬度值达到 h r c 4 5 时的距离比较如下， 图 3.6 是从链窝表面到硬度达到 hrc45 时的距离， 从图中可以看出在齿面表面下 5mm 深， 40crnimoa 的材质的链轮淬硬层深度达到 53mm，42crmo 材质的链轮达到 48 mm， 35crmo 材质的链轮只达到 18 mm。 随着距离的增大， 淬火硬度也在下降， 但 40crnimoa 的淬硬层深度始终高于 42crmo 和 35crmo。 西安科技大学硕士学位论文 16 图 3.6 由齿面到齿背链窝上硬度 hrc45 距表面的距离 3.3.4 实验分析 综合以上几个方面所做的分析可以看出，40crnimoa 的淬透性明显高于其他两种 材质。对于某种材质来说，其淬透性是确定的，但对于具体的零件，它的实际淬硬层深 度还与加热温度、冷却条件、零件尺寸形状等因素有关。从硬度值分布情况看出，在火 焰直接加热的部位都已淬硬了，达到了齿面表面淬火的目的。从每个齿的淬硬分布情况 看，横向即齿厚方向从 1 片到 9 片，每个齿的各片的硬度随着距火焰距离的增加硬度在 下降，切片的 1 片已接近于表面淬火，8、9 片已经接近于基体硬度，基本上没有淬火。 再从纵向即从齿顶到齿根看，每片齿顶到齿根的硬度也在逐渐降低，到齿根达到基体硬 度。 从链窝部位看， 链窝表层硬度 42crmo 和 40crnimoa 硬度值差别不大， 40crnimoa 平均为 hrc51，42crmo 平均硬度为 hrc50，35crmo 由于含碳量低，硬度值也低于其 它两种材质，平均为 hrc46.5。这些点都受到火焰的直接加热，这可以从加热方式上解 释，喷嘴的位置是不动的，火焰每次加热的都是链轮的前部，后半部的热量是通过热传 导加热的，每个齿都是 1、2 片和链窝受到火焰的加热，达到表面淬火，而后半部的 8、 9 片几乎都没淬火。再有链轮心部也是通过热传导加热的，它的实际温度不得而知，通 过硬度测量值可以看出，它接近于基体硬度。从目前设备的使用情况看，火焰淬火机床 温度的测量点是齿顶，存在着链轮齿面加热温度不均的问题，离火焰近的地方温度高。 纵观整个链轮的硬度分布，链轮在加热过程中链轮的齿顶和链窝始终与火焰距离最近， 这些部位都被淬硬了，而齿背始终背对火焰得不到加热，只能靠热传导来加热。但对于 同样的淬硬部位来说，在相同的工艺条件下，40crnimoa 的淬硬层深度高于 42crmo 和 35crmo，而且达到了国外链轮的水平。 3 链轮材质对链轮性能的影响 17 3.4 本章小结 通过以上实验结果表明，新材质 40crnimoa 与原来的材质 35crmo 和 42crmo 同 属合金调质钢，具有相近的机械性能和工艺性。所以，在其他加工和热处理工艺都不改 变的情况下，经电渣重熔精炼并锻造毛坯后通过机械加工成型并与热处理工艺相结合， 完全可以使链轮齿面淬火达到 hrc4858，而且通过电渣重熔可去除非金属夹杂物， 使其组织更加均匀致密，s、p 含量更低，综合性能更高。新材质 40crnimoa 与 35crmo 和 42crmo 相比，最大的特点是增加了 ni，其它元素的成分基本上相当，而合金元素 ni 的增加使它的淬透性有了很大的提高，那么在相同的工艺条件下，40crnimoa 的淬 硬层深度高于 42crmo 和 35crmo，这样，采用新材质来制造链轮就可以大大提高其耐 磨性，从而提高链轮的使用寿命。 西安科技大学硕士学位论文 18 4 链轮加工工艺分析 本章简介链轮的加工工艺过程，从中提出其加工工艺的关键技术问题，重点介绍链 窝的数控加工方法、关键程序。 4.1 链轮加工工艺流程 下料锻造热处理（正火）粗加工热处理（调质）半精加工（车左右端） 插花键划线钳加工铣端面槽粗铣齿形精铣齿形及链窝钻孔热处理(齿 面淬火，花键淬火)精加工（磨左右端面，精车左右端，程序车浮封腔）钳加工 组装 4.2 链轮数控加工关键技术 链轮的传动主要靠链窝与链环的磨擦带动刮板进行传动，链窝是链轮和圆环链啮合 的关键部位，动力传递是否能够实现平稳和可靠关键在于链轮加工质量的好坏，其失效 形式主要是链窝的磨损，链窝加工质量的好坏关系到跳链现象的发生与否，关系到整台 重型刮板运输机的使用寿命，所以说链窝的数控加工是链轮加工的关键技术。 4.2.1 链窝数控加工方法 为了加工出合格的链窝，就必须从链轮的设计和使用角度进行理性的分析和研究。 因链轮的动力源来自链轮轴，链轮和链轮轴的连接方式采用渐开线花键联接，所以，在 加工链轮齿形和链轮窝的时候必须按照链轮的基本技术要求进行加工，这样才能保证该 平稳可靠的动力依靠链轮得以传递。为此，我们在加工链轮的划线工序中在花键的另一 端面划齿形铣用线时，要以一个花键齿作为基准，且在花键齿基准端面作“j”标记， 在右端面以基准齿 m 两侧于图示位置打标记“”等边三角形边长 8 mm，这样，在后 续的半精加工中，精铣齿形和链窝的工序必须精确保证齿形的基准和渐开线花键的基准 一一对应，同时也必须保齿形的均匀精确等分，这样才能为链窝的精确加工打下良好基 础。 （1）链窝加工概述 加工时由于链轮齿形较窄，铣削时容易引起振动，所以工件应尽量装夹牢固，采用 装芯轴后，顶部压紧的方法来装夹。以张家口煤机公司的 100/06ll-5/6、左右链轮为例： 100/06ll-5 左链轮与 100/06ll-6 右链轮在工作中是成对使用的，安装时必须保证两链 轮的轮齿在相同的相位角上。所以，铣齿时必须以内花键为基准，且要保证左右链轮同 时装在花键轴上，使用时两链轮窝一一对正，为此，我们设计了与链轮内花键孔相匹配 4 链轮加工工艺分析 19 的高精度定位芯轴，以及与机床工作台相联接的定位台，在其中一个链轮上做定位基准 孔和定位基准槽，以便于与定位台相联接，然后对准基准标记的花键齿，装入花键定位 芯轴，再装入另一件链轮，要求三件基准齿必须对正，并在两链轮上做配对标记，这样， 由于两件链轮一次装夹加工成活，既保证了两链轮的链窝尺寸、精度的一致性，又保证 了装配的一致性，更重要的是，大大提高了劳动效率。加工时先将母台清扫干净，铣齿 定位台装在母台上（利用定位销周向定位） ，然后将左链轮左面安装在铣齿定位台上， 再将花键芯轴装在左链轮花键孔中，对正基准齿，右链轮右端面与花键芯轴组装，并与 左链轮右端面扣合（三件基准花键齿必须对正，见图 4.1） ，铣齿落活后分别在左右链轮 右端面做永久配对标记 aa、bb、cc。这样,左右链轮是链轮组件中相互联结的同轴偶 件，该两零件借助轴上两端圆柱表面上的渐开线花键相互联结，传递扭矩和运动。所以 加工链轮齿形和链窝时必须用花键芯轴将两链轮连接在一起一同时加工，这样加工出的 产品才能保证使用时的一致性。 图 4.1 加工装夹示意图 （2）链窝加工流程 当链轮装夹好以后，在加工链窝之前，必须先加工链轮的其他部分，按照铣齿形 开直槽铣圆弧粗铣链窝精铣链窝的顺序加工。 所有这些工序的加工都是在数控机床上一次整体编程完成的，链窝的结构分为三部 分(见图 2.3)：下面的平底部分（尺寸 h 上端） ；半径为 r 的环形槽；链环展开时 的渐开线环形链窝，在实际工程上这部分由于不是真正的啮合区域。数控加工的工艺同 样需要设置工件坐标系，与齿形加工不同的是链窝的加工有三部分结构，需要三部分的 加工设置，三部分之间还有先后顺序，对于孔槽类应遵循“先内后外”的原则，即先加 工内部平底部分，再加工尺环形槽部分，最后加工曲面部分，一次走刀即可连续完成三 部的加工。加工时操作者可以根据实际情况，需要通过对刀和主轴转速、进给速度、刀 西安科技大学硕士学位论文 20 具半径补偿作适当的调整就可以。这样加工的工艺特点是定位准确和尺寸精度高，对于 齿形和链窝的加工只需一次装夹可全部完成，而且形状尺寸准确，曲线规则；链窝加工 是数控加工的关键，加工过程分为粗铣和精铣，粗铣可采用加长的立铣刀加工，该过程 铣去大部分加工量，精铣采用成型铣刀一次走刀完成。 4.2.2 数控加工总体程序设计 （1）在计算机上进行仿真加工同时采集编程尺寸设定值 链轮是以端面和内孔为基准安装在数控回转工作台上，和回转工作台一起做旋转进 给运动，同时，十字滑台沿着 x 方向,刀具主轴沿 y、z 方向做让刀运动，以保证齿面 圆弧上所有的点的法剖面圆弧半径 r 不变。基本原理:刀具与齿面圆弧圆心同步移动。 在计算机上测点如图 4.2 所示。 图 4.2 仿真加工采点图 （2）加工链窝的数控程序设计 数控编程就是把零件的工艺过程、工艺参数及其他辅助动作，按动作顺序和数控机 床规定的指令、格式，编成加工程序，输入数控装置，从而指挥机床加工并根据加工结 果加以修正的过程。数控加工工艺分析与处理是数控编程的前提和依据，没有符合实际 的、科学合理的数控加工工艺，就不可能有真正可行的数控加工程序，而数控编程就是 将制订的数控加工工艺内容程序化。 （3）数控编程关键知识点 零件加工程序的构成：一个完整的零件加工程序由程序号（名） 、程序体和程序结 束三部分组成，程序体由若干个程序段组成，每个程序段由若干个指令字组成，每个指 令字又由字母、数字、符号组成。每一个独立的程序都应有程序号，它可以作为识别、 调用该程序的标志。 程序号的格式为： %-400（注：%表示程序的地址，400 表示程序的编号） 4 链轮加工工艺分析 21 不同的数控系统， 程序号地址码所用的字符可不相同。 如 fanuc 系统用 o， ab8400 系统用 p，而 sinumerik8m 系统则用%作为程序号的地址码。 每个程序段以程序号“n ”开头，用“； ”表示结束， （还有的系统用 lf、cr、eob 等符号） ，每个程序段中有若干个指令字，每个指令字表示一种功能，一 个程序段表示一个完整的加工工步或动作；同时每个程序段都有一定的规定格式，即程 序段中字的排列顺序和表达方式，不同的数控系统往往有不同的程序段格式，程序段格 式不符合要求， 数控系统就不能接受。 目前， 数控系统广泛采用的是字地址程序段格式， 也叫地址符可变程序段格式。这种格式的程序段的长短、字数和字长都是可变的，字的 排列顺序没有严格要求，不需要的字以及与上一程序段相同的程序字可以不写。这种格 式的优点是程序简短，直观，可读性强，易于检验、修改。因此，现代数控机床广泛采 用这种系统。国际标准 iso6983-i-1982 和中国的 gb8870-88 标准都推荐