夏華明 +尹玉龍 張新 張晨旭

摘要：

在對天輪襯墊使用特性及材料特性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行深入的切削工藝選擇研究，通過對比分析得出車銑加工工藝更優(yōu)的結(jié)論。制定了基于車銑復(fù)合加工技術(shù)，并以實現(xiàn)高精度加工為目標(biāo)的詳細(xì)加工工藝路線。經(jīng)過實際車銑加工實驗，實現(xiàn)了天輪襯墊的高精度加工。質(zhì)量檢測結(jié)果表明：車銑復(fù)合加工對天輪襯墊的加工完全達(dá)到了設(shè)計要求，并在質(zhì)量及加工過程的把握上完全優(yōu)于傳統(tǒng)的車削加工工藝。

關(guān)鍵詞：天輪襯墊；車銑復(fù)合；工藝分析

引言

天輪是礦井提升系統(tǒng)中主提升鋼絲繩導(dǎo)向的重要部件。在長期運(yùn)行中，天輪襯墊上的繩槽會產(chǎn)生磨損。更換新繩后，新繩由于與舊繩槽不吻合而產(chǎn)生劇烈磨損，壽命急劇降低，極大的增加了投入成本。因此在每次更換鋼絲繩時，必須對天輪繩槽進(jìn)行切削修整，使鋼絲繩與繩槽相吻合而提高其使用壽命。現(xiàn)行天輪襯墊的切削采用車削加工工藝，普遍存在著車削精度低，底徑一致性差的問題，并容易存在啃刀、震刀等缺點。本文結(jié)合現(xiàn)代車銑復(fù)合加工工藝的特點，對天輪襯墊的加工工藝進(jìn)行改良，得出較為優(yōu)異的天輪襯墊加工工藝。

1 傳統(tǒng)加工方法中，加工天輪繩槽的工藝缺陷

在切削加工領(lǐng)域，應(yīng)用最多的是車削和銑削加工。目前，市場上的繩槽切削裝置都是采用車削方式，且車槽裝置都是針對主提升機(jī)，尚沒有很好的針對天輪工況的車槽裝置。多繩摩擦式提升機(jī)車槽裝置過去基本都采用單刀進(jìn)給、分次手動車削的方式。這種車槽方式對于切削天輪繩槽存在著不足之處：傳統(tǒng)車床上的加工工件質(zhì)量較小，主軸轉(zhuǎn)速快，加工平穩(wěn)，加工精度較高。但天輪一般直徑在3米以上，質(zhì)量較大，慣量大，轉(zhuǎn)動速度也慢了許多。對其進(jìn)行車削時，由于天輪磨損半徑偏差相對較大，加工表面質(zhì)量差等，容易存在啃刀、震刀、切削精度低等缺點。且由于車削工藝的加工特性及天輪的基本特性無法改變，因而很難找到有效的解決辦法。

隨著礦井開采深度、煤礦產(chǎn)量及提升量的增加，天輪襯墊的磨損愈發(fā)劇烈，對天輪襯墊的切削質(zhì)量要求越來越高，傳統(tǒng)的車削工藝已不能滿足需求。在此背景下，車銑復(fù)合加工工藝以其諸多優(yōu)越性可被運(yùn)用在天輪襯墊繩槽的加工。

2 車銑復(fù)合加工天輪繩槽的工藝優(yōu)越性

車銑復(fù)合加工技術(shù)是二十世紀(jì)八十年代初發(fā)展起來的一種機(jī)械加工方法，它不是單純的將車削和銑削兩種加工手段合并到一臺機(jī)床上，而是利用銑刀旋轉(zhuǎn)和工件旋轉(zhuǎn)的合成運(yùn)動完成工件表面加工，使工件在形狀精度、位置精度、表面粗糙度及殘余應(yīng)力等多方面達(dá)到較高要求的一種先進(jìn)切削加工方法。車銑加工包括銑刀旋轉(zhuǎn)、工件旋轉(zhuǎn)、銑刀軸向進(jìn)給和徑向進(jìn)給四個基本運(yùn)動。銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是主切削運(yùn)動，切削速度由銑刀旋轉(zhuǎn)速度和工件旋轉(zhuǎn)速度共同決定。依據(jù)工件旋轉(zhuǎn)軸線與刀具旋轉(zhuǎn)軸線相對位置的不同，車銑復(fù)合加工可以分為軸向車銑、正交車銑和一般車銑。其中軸向車銑和正交車銑是應(yīng)用最為廣泛的兩類車銑加工方法，軸向車銑的銑刀軸線和工件的旋轉(zhuǎn)軸線平行，它不但可以加工外圓表面，也可以加工內(nèi)孔表面。正交車銑的銑刀軸線與工件的旋轉(zhuǎn)軸線垂直，它不能加工內(nèi)孔，但在加工外圓表面時銑刀的縱向行程不受限制，可以采用較大的縱向進(jìn)給，因此在加工外圓表面時，加工效率較高，也是目前應(yīng)用最為廣泛的加工方式。在本文中，也是采用正交車銑的方法。

相比傳統(tǒng)車削加工，該加工工藝在加工時具有進(jìn)給量較小、進(jìn)給速度慢、銑削速度快等特點，有效地解決了老式切削設(shè)備切削繩槽時存在的啃刀、震刀、切削精度低等問題。且車銑復(fù)合加工更容易排屑，熱變形較小，幾乎不會產(chǎn)生由于離心力導(dǎo)致的工件變形。同時工件的超低轉(zhuǎn)速可以消除因工件偏心而產(chǎn)生的振動，使得切削過程更加平穩(wěn)。由于切削力小，使機(jī)床和刀具承受的負(fù)荷也變小，利于保證機(jī)床的剛度，進(jìn)而提高了機(jī)床的精度，加工平穩(wěn)。同時，采用車銑復(fù)合加工降低了天輪繩槽表面的彈性變形量，提高了加工表面精度及整體幾何精度。

3 車銑加工天輪襯墊工藝分析設(shè)計

如圖1和圖2所示，天輪襯墊是天輪上保護(hù)天輪繩槽磨損的重要部件，承擔(dān)著鋼絲繩的載貨重量及各種動載荷、沖擊載荷等。在長期的天輪運(yùn)行中，襯墊上的繩槽會逐漸磨損。當(dāng)磨損量超過天輪安全平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)所需要滿足的要求后，必須對天輪襯墊上的繩槽進(jìn)行切削修整。由于天輪襯墊是安裝在天輪外緣的襯墊槽內(nèi)并起摩擦拉動鋼絲繩的作用，所以天輪襯墊具有一定的耐腐蝕性及耐磨性等，常用的天輪襯墊材料有尼龍、塑料、聚氨酯等[1-2]。

圖1天輪襯墊圖2天輪安裝位置

（1）車銑類型選擇

當(dāng)今，車銑加工大致可分為兩大流派：歐式風(fēng)格和日式風(fēng)格。日式車銑復(fù)合加工是以高速度、小切深及大進(jìn)給為基礎(chǔ)來確定機(jī)床參數(shù)的，利用了刀具的上限切削速度，適合于模具圓角和材料較軟的被加工零件切削。歐式車銑復(fù)合加工是以重切削為條件，即大切深、大進(jìn)給及高線速度來確定機(jī)床參數(shù)的[3]。結(jié)合天輪襯墊的材質(zhì)相對較軟，所費成本較高及天輪對襯墊加工的高效要求特性，選擇日式車銑復(fù)合加工，即高速度、小切深為基礎(chǔ)來確定機(jī)床參數(shù)較為適合。同時由于每次天輪的切削進(jìn)給總量較小，因此無需進(jìn)行大進(jìn)給加工而采用小進(jìn)給加工，以進(jìn)一步減小襯墊的切后彈性變形量，提高襯墊的表面加工質(zhì)量。

目前，天輪襯墊的加工主要采用傳統(tǒng)的車削工藝加工，且車銑復(fù)合技術(shù)主要應(yīng)用于大型和常規(guī)零件的加工，在這里我們將這一技術(shù)與天輪襯墊的繩槽表面加工相結(jié)合，拓展了車銑技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，同時豐富了天輪的加工工藝方式。

（2）車銑加工階段的劃分

加工工序的劃分與加工路線的確定是加工的重要環(huán)節(jié)。它關(guān)系著加工工件的加工質(zhì)量、加工刀具的磨損情況以及機(jī)床的合理使用等。一套完全的加工工序中，要體現(xiàn)“粗加工→半精加工→精加工”的順序[4]。在本次加工工序中，采用粗車銑刀進(jìn)行粗加工，實現(xiàn)天輪繩槽的大幅度修正，以降低精加工刀具的磨損，待粗加工完成后，進(jìn)行半精加工，直至精加工。同時，利用半精加工與精加工的換刀時間間隔，使半精加工后零件的變形得到充分恢復(fù)，以提高零件的加工精度。endprint

（3）加工路線的確定應(yīng)考慮零件加工后變形最小的原則

這是加工小型高質(zhì)量要求零件的必須注意事項。除了必要的車銑加工階段的劃分外，一般采用逐次減小切深和進(jìn)給量，提高切削速度的方式實現(xiàn)加工天輪襯墊的小應(yīng)變變形。同時，配合分多次走刀加工，實現(xiàn)天輪襯墊的小變形恢復(fù)部分的切除，達(dá)到零件的最終尺寸。精加工時采用日式車銑的高轉(zhuǎn)速、小切深以及小進(jìn)刀量實現(xiàn)襯墊表面繩槽的高精度加工。

（4）切削用量選擇

車銑加工凸輪切削用量通常包括進(jìn)給速度、切削速度和切削深度等。進(jìn)給速度的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要根據(jù)工件精度、表面粗糙度、材料性質(zhì)以及刀具等要求共同確定，并且進(jìn)給速度在粗精加工將近完成時應(yīng)適當(dāng)放緩。其原則主要包括：基于質(zhì)量保證的高進(jìn)給速度，通常為10～15mm/min；適當(dāng)減緩進(jìn)給速度以確保加工精度與表面粗糙度，通常為5～10mm/min；當(dāng)?shù)毒呋卦c或空行程時，則選擇最大進(jìn)給速度即可[5]。切削深度的選擇與機(jī)床、工件、刀具的剛度緊密相關(guān)，剛度允許情況下，盡量使切削深度等于工件加工余量，這樣能夠減少走刀次數(shù)，提高生產(chǎn)率。切削用量的選擇是多樣靈活的，需要根據(jù)工件加工的實際情況和要求來確定適當(dāng)?shù)那邢饔昧?。本論文中車銑刀主要使用的是圓角立銑刀，其刀片材料為硬質(zhì)合金：銑刀的直徑為D=40mm，銑刀齒數(shù)值Z=2刀具的使用費用為一個2000元。進(jìn)刀速度為粗加工2mm/min，當(dāng)

圖3車銑復(fù)合加工天輪實驗

粗加工的加工余量接近4mm時改為半精加工，

進(jìn)刀速度為1mm/min直至加工至2mm余量。換為精加工車銑刀頭，精加工速度為0.5mm/min，當(dāng)精加工余量接近結(jié)束時，再逐次減小切深和進(jìn)給量，提高切削速度。配合分多次走刀加工，實現(xiàn)天輪襯墊的小變形恢復(fù)部分的切除，達(dá)到零件的最終尺寸。經(jīng)試驗結(jié)果證明：繩槽的車銑加工過程平穩(wěn)，繩槽表面加工變形量小，加工精度高，最高可達(dá)到0.1mm完全滿足天輪的加工要求，如圖3所示。

4 結(jié)論

（1）車銑復(fù)合加工避免了傳統(tǒng)車削加工中的啃刀、震刀、車削精度低等缺點，提高了加工效率，同時也保證了加工的高精度及可靠性等。

（2）車銑復(fù)合加工技術(shù)是加工天輪襯墊的有效方法。由于采用銑削電機(jī)的高轉(zhuǎn)速運(yùn)動，在天輪襯墊的繩槽修正上更具特色。通過特制半弧形刀具，完成了繩槽幾何外形的高精度修整。同時，依靠天輪的低速轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)天輪繩槽表面高質(zhì)量的完整加工。

[參考文獻(xiàn)]

[1]楊帆，孟國營，吳炳勝. 多繩摩擦提升機(jī)天輪襯墊的有限元分析[J]. 煤炭工程，2011，（03）：99-101.

[2]鄧宇翔，彭永朝. 多繩摩擦提升機(jī)天輪襯墊材料的改進(jìn)[J]. 起重運(yùn)輸機(jī)械，2015，（12）：124-125.

[3]王華僑，張穎，鐘志勝. 數(shù)控車銑復(fù)合加工中心典型設(shè)備選型對比應(yīng)用（下）[J]. 金屬加工（冷加工），2012，（23）：34-36.

[4]劉克非，劉海生，李春平，張之敬. 微小型座體零件的車銑加工技術(shù)[J]. 機(jī)械工程師，2007，（07）：16-18.

[5]陳艷芬. 車銑加工凸輪軸工藝優(yōu)化設(shè)計研究[J]. 科技與企業(yè)，2015，（05）：188.

（作者單位：1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.淮南礦業(yè)集團(tuán)，安徽 淮南 232001）endprint