西石门铁矿卷扬制动系统刹车盘的表面加工

西石门铁矿卷扬制动系统刹车盘的表面加工

为了消除不安全隐患，西蒙泰伦西铁路运输装置决定在南一矿区进行改造。在改造过程中,发现卷扬制动系统的刹车盘因为多年的使用磨损非常严重,使用面磨损达到2mm～7mm,并且存在变形现象,必须对其工作表面进行加工,使表面平整,才能保证电控改造的顺利进行。经过可行性论证,由我单位对2.5m卷扬制动系统的刹车盘表面进行加工。1改造实施中推动工业化生产的制约因素通过对2.5m卷扬制动系统的刹车盘进行实地勘验,得到了相关的技术数据:卷扬提升速度为(0～5)×103mm/s,卷扬滚筒直径为2.5×103mm,加工直径为3×103mm～3.3×103mm。加工材质为高硬材料锰钢,加工后表面粗糙度要求高于Ra12.5μm,才能保证后续电控改造的顺利进行。改造刹车盘存在的实际困难是:(1)现场加工场地狭小,正常加工设备无法进入。(2)加工材料属于高硬材料,并且卷扬转速由人工手动控制,无法达到正常切削所需要的稳定转速,普通YT15型车刀无法正常完成切削加工任务。(3)加工面积达5.94×106mm2,厚度达到2mm～7mm。按照正常工艺,需要5天～6天的加工时间,而为了保证电控改造的工期,加工时间仅有3天。为此,我们根据技术要求对刀坯进行了改进,并利用卷扬的旋转取得切削动力,采用工件旋转,刀具相对不动的形式进行加工,利用人工进给进行切削加工。2车辆维护技术数据的选择和设计2.1切割部分材料和车辆刀的选择2.1.1调整刀头类型由于存在加工材质为高硬材料锰钢,其加工硬化现象明显,并且卷扬转速由人工手动控制,无法达到正常切削所需要的稳定转速等不利因素,因此我们选取焊接式硬质合金车刀,并对刀具的几何角度进行修改刃磨。卷扬刹车盘的磨损造成加工工作制为带间断或冲击震动的切削,根据此情况选择车刀刀头部分牌号为YW1或YW2系列,其类型属于钨钛钽钴类。材料性能:硬度不低于HRA91.5,抗弯强度不低于(1180～1350)MPa,冲击韧性(0.0029～0.0068)MJ/m2,导热系数达到(20.9～62.8)W/(m·K),在不高于900℃的温度下仍然可以正常切削,切削速度的比值大致为4～4.8。从其力学性能上看,适用于耐热钢、高锰钢、不锈钢和高级合金钢等材料的加工,完全可以达到加工过程中的使用要求。2.1.2刀具几何角度的修改刀架等辅助切削设备采用铆焊结构件,加工简单,重量轻,原材料的利用较为充分,成本较低,加工周期短。但组焊件的系统刚性较差,所以对刀具及几何角度的选取非常重要。考虑采用主偏角为90°,副偏角为10°～15°,刃倾角选取-5°～0°,后角6°～8°,前角5°～10°的刀具,适宜的切削速度为(2～4)×105mm/min,只要速度不高于6×105mm/min都可以顺利完成切削。根据车刀的设计耐用度以及考虑现场的加工情况,加工刀具左、右90°偏刀各10把,考虑加工时个别硬点的问题,另外加工左、右45°刀具各两把。以上角度只是大概的范围,加工时应根据卷扬的转速和硬度条件对刀具的几何角度进行修改刃磨,以保证切削加工的顺利进行。现场对刀具的几何角度进行修改刃磨时,应该遵循以下原则:要使车刀切削部分强度增加时,把主偏角、副偏角变小,刃倾角由小变负,后角适当变小,刀尖圆弧半径或刀尖倒角长度增大。要使车刀锋利和切削轻快时,可以增大前角,增大刃倾角,适当增大后角,第一前面窄且不是负倒棱形式。考虑工件材料的力学性能时,如果加工硬脆材料,则减小主偏角和副偏角,刃倾角由小变负,前角变小或变负,后角略微变小;如果加工软韧材料则相反。通过调整刃倾角来控制切屑方向,刃倾角为负时,切屑流向加工表面,反之则反(为了增加刀具强度,我们选择的刀具不开卷屑槽,所以不考虑卷屑槽对切屑的影响)。如果刃倾角为0则可以获得C型切屑。2.2支持工具框架的设计和加工2.2.1范围表征当切削为自由切削时,作用在前刀面上的弹、塑性变形抗力Fnr和摩擦力Ffr,与作用在后刀面上的弹、塑性变形抗力Fna和摩擦力Ffa的合力Fr作用在前刀面上近切削刃处,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处变形抗力和摩擦力的影响,改变了合力Fr的作用方向。为了便于分析切削力的作用和测量、计算切削力的大小,我们把合力Fr在按照主运动速度方向、切深方向和进给方向作的空间直角坐标轴z、y、x上分解成3个分力,分别是:主切削力Fz主运动切削速度方向的分力。切深抗力Fy切深方向上的分力。进给抗力Fx进给方向上的分力。合力与分力的关系是:Fr=(F2x+F2y+F2z)1/2Fr=(Fx2+Fy2+Fz2)1/2根据现场勘验数据,卷扬提升速度为(0～5)×103mm/s,加工直径为3×103mm～3.3×103mm,切削速度约为(0～3.6)×105mm/min,切削材料为高硬度合金结构钢,所以单位切削力为P=2453N/mm2,单位切削功率Ps=2453×10-6kw/(mm3·s-1)(摘自《金属切削原理与刀具》),设计切削用量ap=1mm～3mm,进给量为f=(0.1～0.6)mm/r,所以:最大主切削力FZ=PAC=4415.4N,(AC是刀具参与切削的面积,AC=apf。)最大切深抗力Fy=(Fy/FZ)Papf=0.4×2453×3×0.6=1766.16N进给抗力Fx=(Fx/FZ)Papf=0.55×2453×3×0.6=2428.47N故总合力F=k1(F2Z+F2y+F2x)1/2≈5340N(k1为修正系数,值为1.15)2.2.2车刀的固定和小拖板进给加工用刀架采用C620卧式车床的小拖板部分,取用转盘、方刀架和小拖板。根据现场被加工部分的测量,需要走刀行程(300～400)mm,而小拖板行程只能达到200mm,需要再次接刀。这样会造成切削面不平整,很难达到加工要求。经过设计计算,采用了小拖板的进给形式,利用小拖板的燕尾槽,再自行设计加工了与之配套的导向滑槽,自制了Tr22×5的梯形进给丝杠,然后把小拖板的Tr22×5传动螺母由中部改到小拖板尾部,将小拖板尾部的导向挡铁刨掉。这样,既可以延长切削行程达到400mm以上,又可以使小拖板进给的传动更为顺畅。车刀采用C620车床的方刀架进行固定。另外根据小拖板燕尾槽的尺寸,设计加工与之配套滑动的燕尾板,保证在切削行程内的正确导向并对进给部分以及刀架等进行有效固定。然后把燕尾板固定在一块700mm×20mm×20mm的钢板上,这样在调整吃刀量时,可以把进给部分整体移动,保证了加工面的平整度和平行度,最后在钢板上加工4个U形槽,便于刀架的固定部分联接。2.2.3拨加快进给车刀的进给系统设计采用凸轮间歇机构作为进给的动力。利用卷扬的自转运动,在转动面上固定一个拨爪,卷扬每转动一圈到位后,拨爪拨动进给驱动转轮旋转一个角度,通过传动机构带动进给丝杠完成一个进给动作,从而完成切削进给工作。这样的设计不但可以大大提高表面加工质量,还能提高加工速度,减轻了操作人员的劳动强度,提高生产效率。2.2.4刀架的受力分析刀架部分通过4条M16螺栓固定在一块900mm×900mm×30mm的钢板上,然后通过4根∅50mm圆钢与底座钢板700mm×600mm×30mm联结,然后通过卷扬刹车系统的地脚固定螺栓M42与地基固定,完成联结。刀架部分所受的力为三个方向,分别是与主运动切削速度方向相同,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;进给方向的分力FX,平行于加工面方向与进给运动相反。其中,FZ对刀架形成向下的压分力,并且形成一个翻转力矩。单个M16螺栓提供的螺栓预紧力大约≤18789.6N,已经远远大于FZ,故支架不会翻转,设计可靠。FY、FX对支架形成一个水平斜向后的推力,其大小约为:FXY=(F2X+F2Y)1/2≈3002.8NFXY=(FX2+FY2)1/2≈3002.8Ν而M16螺栓预紧力提供的摩擦力F总=(FZ+4F螺)μ=(4415.4+18789.6×4)×0.3=23872.14N>FXY,所以支架联结安全可靠。2.3大角度、大进给切削层面积我们的设计主要是根据切削加工时,切削材料的物理和化学性能、切削的工作环境包括卷扬转速(即切削转速)、被加工件工艺系统的稳定性,以及工作场地和被加工件的技术要求来确定车刀切削部分材质和刀具的结构,并且通过切削力的计算对切削工作的支撑结构、切削进给的工艺和相关的固定联接进行设计和加工。切削部分材质的选取主要考虑了被加工部分的材质、待加工平面的技术要求和加工时工件的切削速度等特性,另外还考虑了加工硬化以及工作制式、刀架等辅助切削设备的稳定性等。根据加工特性选取了车刀切削部分采用YW1或YW2系列牌号的刀头,并且确定了加工时切削速度和进给量的范围以及刀具的几何角度等加工要素。切削力的计算主要考虑了3个方面的因素:工件材料、切削层面积和刀具的几何角度。当工件的强度和硬度越高,剪切屈服强度越高,切削力越大,反之则反。切削层面积由切削深度和进给量决定,它们的增加都可以使切削力变大。但是在实际切削过程中,采用大的进给切削与大的切削深度相比,切削面积虽然相同,但是切削变形的程度不同,采用大的进给切削比较省力,可以提高工作效率,减小切削力。另外对于钢类等塑性金属进行切削,采用较高的切削速度可以降低切削力,提高生产效率,但是会加大功率的消耗。所以我们采用的切削深度为(1～3)mm,进给量(0.1～0.6)mm/r,切削速度应该大于6×105mm/min。当刀具材料和刀具结构确定以后,合理选择和改进刀具的几何参数是保证加工质量、提高效率、降低成本的最有效途径,而刀具的几何角度是确定刀头的几何形状与切削性能的重要参数。在刀具强度允许的情况下,我们选用尽量大的前角,使切削变形和摩擦减小,可以减小切削力,减小切削热,提高表面的加工质量。但是过大的前角会因为刀具强度较低,热传导差从而降低刀具的耐用度。作为补偿,我们在刀具的刃口上磨出倒棱面,由于倒棱面的宽度较小,角度选取为-10°～-25°之间,所以不会改变前角的作用,反而会提高刀具的强度和耐用度,减小了切削力,提高了切削效率。后角在选取时,以确保刀具强度为主,尽量选取较小的后角。另外在刀具重新刃磨时,刀具材料的损耗较小、磨制容易,但是过小的后角会使刀具的磨损加大,冷硬程度增加,加工后的表面质量差。在实际工作中,应根据选择的进给量进行调整,当进给量小于0.3mm/r时,选择10°左右,当进给量大于0.3mm/r时,选择6°左右。主偏角和副偏角在工艺系统刚性不足的情况下,为了减小切削力,采用90°的主偏角,但是降低了刀具的强度和散热性,从而降低了刀具的耐用度。为了补偿,在刀具上磨出较小圆弧的过渡刃(亦称修光刃),根据工件的强度和硬度、表面的加工要求以及现场切削时切削用量的大小,过渡刃一般选择切削量的1.2～1.5倍,副偏角选择为6°～10°。现场加工过程中,按照从小到大的规则调整进行试车,以求达到最好效果。在切削工作制为带间断或冲击震动切削时,为了提高刀头的强度,保护刀尖,选用负的刃倾角,配合大的主偏角和负倒棱,使切削时轻快省力,并能提高刀具的耐用度。在刚开始切削时,采用-10°～-20°的刃倾角,在表面硬点和淬硬层去除以后,采用-5°～-10°的刃倾角进行加工。当然,刀具的各项参数,不但要考虑单个参数的作用,还要注意到各个参数之间的相互配合,要根据具体的加工条件和加工要求来确定,才能保证加工质量,提高效率、降低成本,顺利完成加工任务。3加工过程中的问题进入加工现场以后,首先将切削加工所用的辅助切削支架等进行固定,然后根据目测调整卷扬转速达到设计的切削速度2×105mm/min,进行试切削。在进行试切削中发现:首先,由手工控制的卷扬速度,很难保证稳定,难以保证加工质量;其次,由于卷扬的使用时间较长,卷扬的轴承等受到磨损,主轴同时存在轴向和径向的窜动,在切削过程中由于进给突然加大造成扎刀,使刀具损坏,并且严重影响加工的表面质量;另外,刹车盘的表面经过长期的磨损,使加工表面存在变形,造成吃刀量不均匀,损毁刀具;随着加工的进行,工件的加工硬化现象加重,给后续加工工作造成困难。针对现场加工过程中发现的问题,我们对工艺进行了调整改进:①转速不稳。我们发现控制手柄在最高速时卷扬转速较为稳定,此时切削速度为(3×105～3.6×105mm/min,在刀头材料允许切削的速度范围之内。所以把切削速度调整为(3×105～3.6×105)mm/min,并且根据此切削速度把吃刀量略微调小,以保证车刀的强度,进给量保持不变。②主轴窜动。由于长期的使用,卷扬的轴承存在着部分框量,所以在重新启动、使用刹车或者调整转速以及吃刀量变化等情况下,主轴就会进行窜动,甚至在正常转动时经过某一个不特定的点时也会造成主轴窜动。而且刹车盘表面经过长期磨损存在严重变形,这些情况都会造成扎刀,损毁刀具,无法进行加工并且使已加工表面无法达到设计要求。针对这种情况,我们首先在机架侧向焊接M24螺母,在加工过程中,利用螺栓把卷扬使用的刹车片紧紧压在待加工面的背面,有效减小了主轴窜