龐 靜

(汾西礦業(yè)集團(tuán)設(shè)備修造廠，山西 介休 032000)

摩擦磨損問題在煤礦機(jī)械領(lǐng)域非常普遍，它會降低煤礦的開采效率，甚至導(dǎo)致一系列重大事故的發(fā)生。刮板輸送機(jī)是煤炭運輸最重要的設(shè)備，在煤炭開采過程中，刮板輸送機(jī)各部件會受到嚴(yán)重的摩擦，特別是中間溜槽，見圖1[1-3]。而且，中溜槽局部區(qū)域的失效不會觸發(fā)整個刮板輸送機(jī)的故障，反而會威脅到煤礦工人的安全。這就是說，中間溜槽的耐久性是刮板輸送機(jī)使用壽命的決定性因素。因此，為了延長中溜槽的壽命、提高采煤效率，減少物料的過度消耗是眾多研究領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。

圖1 刮板輸送機(jī)中間溜槽磨損外觀照片

BTW 是一種新型耐磨鋼，它能承受較大的沖擊載荷而不斷裂，抗剝落及抗破碎性能是其它耐磨合金鋼的2倍以上，其焊接性能良好，焊前無需預(yù)熱，焊后無需熱處理，有目前國內(nèi)外其它耐磨板均不具備的優(yōu)點。

刮板輸送機(jī)的中板材料是BTW 耐磨鋼，它的硬度高達(dá)330 HBW左右。以往，采用銑床切削工藝加工中板。BTW耐磨鋼具有“越磨越硬”的特性，加工時，由于刀具切削沖擊力的作用，材料硬度增高，刀具磨損快、消耗量大，工作效率低，且超強(qiáng)的切削力還會直接影響到機(jī)床精度[4-5]。BTW耐磨板的加工成為刮板輸送機(jī)制造過程中的“瓶頸”。等離子刨是近年來發(fā)展起來的用于制造機(jī)械零件專用的加工技術(shù)，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[6-8]。本文探索了一種機(jī)器人結(jié)合等離子刨加工高硬度耐磨BWT鋼技術(shù)。

1 加工原理和過程

1.1 機(jī)器人技術(shù)

機(jī)器人部分采用現(xiàn)有的焊接機(jī)器人手臂，分析其等離子刨的平面運動軌跡，確定PLC驅(qū)動編程方式。

圖2為PLC驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意。由PLC產(chǎn)生頻率可變的脈沖信號，經(jīng)脈沖分配器把脈沖輸入按一定規(guī)律分配給步進(jìn)電機(jī)功率放大器的各相輸入端，從而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運行。

圖2 PLC驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)機(jī)構(gòu)示意

利用機(jī)器人的運行軌跡可以在一定范圍內(nèi)任意精準(zhǔn)定位的特點，通過機(jī)器人PLC編程操作，在中板待加工位置上方建立起一個三維空間。

1.2 等離子刨技術(shù)

等離子體是一種電離氣體，含有高活性物質(zhì)(如電子、離子、自由基和激發(fā)態(tài)物質(zhì))，已被用于等離子焊接等領(lǐng)域。電弧等離子體被用于輔助燃燒，降低NOx排放，提高火焰的穩(wěn)定性，降低燃料消耗；熱等離子體噴槍可以提供比傳統(tǒng)燃燒過程更高的溫度。

自2005年復(fù)合等離子弧焊(HPAW)首次問世以來，這種新型焊接方法受到了廣泛的關(guān)注。本文利用等離子弧產(chǎn)生的高溫，瞬間將局部融化的金屬吹除，在金屬表面產(chǎn)生一定尺寸的溝槽。

1.3 加工軌跡

加工軌跡如圖3所示。由于中板一般是平面加工，運動軌跡為從接近點勻速運動到結(jié)束點。利用等離子弧產(chǎn)生的高溫，瞬間將局部融化的金屬吹除，在金屬表面產(chǎn)生一定尺寸的溝槽，隨著機(jī)器手臂由里向外連續(xù)循環(huán)的運行軌跡，形成有一定深度且平整度較理想的平面，再經(jīng)過多層疊加，得到符合要求的工件尺寸。

圖3 加工軌跡

如圖4所示，設(shè)備包括機(jī)器人、ESP—150等離子切割/氣刨設(shè)備、控制手柄及空氣壓縮機(jī)。為了保證工件的加工平面能與機(jī)器人手臂的運行軌跡平行，我們設(shè)計出了一種可調(diào)節(jié)的定位裝置，通過三點定位滿足工藝要求。本文選取刮板輸送機(jī)中任一規(guī)格的中部槽中板作為加工對象進(jìn)行實驗。

圖4 設(shè)備組成

2 實驗參數(shù)和結(jié)果

此加工工藝?yán)玫入x子弧的高溫來融化局部金屬，再利用壓縮空氣把融化金屬吹除。等離子弧是經(jīng)過壓縮之后產(chǎn)生的，弧柱的直徑與挺度受電極的質(zhì)量、噴嘴的形狀以及內(nèi)縮量有關(guān)。

實驗共吹刨3層，使用3個不同角度，分別是30°、31.5°和33°。BTW耐磨板的加工參數(shù)見表1。

表1 加工參數(shù) mm

機(jī)器人按照PLC編程軌跡和次數(shù)，實時對BTW耐磨板粗加工，效果見圖5。

圖5 BTW耐磨板粗加工

3 數(shù)據(jù)分析

本文對噴嘴傾角、電流大小、刨削速度、偏移量以及排渣情況反復(fù)試驗與研究，經(jīng)過不斷的嘗試與調(diào)整，最終成功完成了BTW耐磨板平面的初加工。同時，我們對加工出的平面進(jìn)行了相關(guān)的檢測與分析。按照GB/T231.1-2009《金屬布氏硬度試驗》分別對板材進(jìn)行硬度試驗，檢測了其加工后各個部分的硬度。進(jìn)一步分析其經(jīng)濟(jì)性和效率。

3.1 硬度檢測分析

為了保證銑削的精加工順利進(jìn)行，本文對已加工的平面、母材以及熱影響區(qū)做了硬度檢測，檢測數(shù)據(jù)見表2。

表2 硬度 HBW

通過以上數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，加工面的硬度值比母材低120 HB，在后續(xù)的精加工中，大幅減少了刀具的磨損、降低了機(jī)床精度。

3.2 加工效率分析

本文以一次切削深度4 mm、寬度為50 mm、長度為820 mm的臺階平面為例，如采用銑床加工大約需要20 min，而采用機(jī)器人等離子刨工藝僅需要7～8 min。生產(chǎn)效率可提高1.5～3倍，大大縮短了刮板輸送機(jī)的制造周期。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

為了能夠更加直觀地顯示出此加工工藝的可行性，我們與傳統(tǒng)機(jī)加工的生產(chǎn)成本進(jìn)行了比較。具體數(shù)據(jù)見表3，加工尺寸一致、材料一致、數(shù)量一致。

表3 加工成本對比

通過表3可以看出，每加工1臺刮板機(jī)的中板就可以節(jié)約成本44 834.4元。

4 結(jié) 語

隨著BTW耐磨板在刮板輸送機(jī)上的大量使用，它的優(yōu)缺點逐漸凸顯。本文通過工業(yè)機(jī)器人與等離子刨技術(shù)相結(jié)合，用機(jī)器人連續(xù)循環(huán)的運行軌跡，加工出了符合尺寸要求的平面。經(jīng)過與傳統(tǒng)機(jī)加工比較，此工藝即降低了生產(chǎn)成本，又提高了生產(chǎn)效率。