中部槽BTW中板平面加工的創(chuàng)新研究

劉燕鵬

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

BTW是一種新型耐磨鋼，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2倍以上，加工性能及焊接性能良好，焊前無(wú)需預(yù)熱，焊后無(wú)需熱處理，是目前國(guó)內(nèi)外其它耐磨板所不具備的特點(diǎn)[1]. 使用 BTW耐磨鋼板，可降低能源消耗，節(jié)省原材料和設(shè)備的投資，降低工人的維修強(qiáng)度，減少因中部槽更換帶來(lái)的間接經(jīng)濟(jì)損失。BTW 耐磨鋼板已廣泛應(yīng)用于刮板輸送機(jī)中板上，由于耐磨板硬度太高，中板接口處利用傳統(tǒng)的銑削加工，效率低、成本高，制約了刮板輸送機(jī)的生產(chǎn)周期。在制造刮板輸送機(jī)的過(guò)程中，為滿(mǎn)足使用要求，必須在中板兩端各加工出一個(gè)臺(tái)階方便兩節(jié)中部槽進(jìn)行銜接[1-3].

目前BTW耐磨板臺(tái)階都是利用銑床加工，由于該材料具有強(qiáng)烈的形變誘導(dǎo)硬化特性，在冷加工過(guò)程中加工硬化嚴(yán)重，使得刀具損耗快，生產(chǎn)效率低[4]. 為此，需要進(jìn)行中部槽BTW中板平面加工工藝創(chuàng)新研究。

1 工藝分析與方案制定

1.1 工藝分析

BTW耐磨板屬于高錳鋼，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1，表2.

表1 母材的化學(xué)成分表 /%

表2 BTW常規(guī)力學(xué)性能表

通過(guò)表1,2可以看出，BTW耐磨板含碳量較高，導(dǎo)致該材料在冷加工的過(guò)程中硬度超過(guò)了450 HB. 同時(shí)該材料具有強(qiáng)烈的形變誘導(dǎo)硬化特性即越磨越硬，所以不適合批量加工生產(chǎn)。

1.2 方案制定

面對(duì)BTW耐磨板在冷加工中遇到的問(wèn)題，提出采用熱加工的方法進(jìn)行平面加工,即采用碳弧氣刨或等離子弧刨刨槽、清根的原理進(jìn)行粗加工，留下2～4 mm的余量，再通過(guò)銑削進(jìn)行精加工。

通過(guò)對(duì)比兩種刨削方法，發(fā)現(xiàn)碳弧氣刨的碳棒損耗比較大、煙塵比較多且碳弧氣刨容易夾碳。而等離子弧刨成本低、電弧穩(wěn)定且電弧溫度高，是一種理想的熱加工方法[5].

為了使等離子弧刨的直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)循環(huán)運(yùn)行，借助OTC機(jī)器人火焰切割的運(yùn)行機(jī)構(gòu)，把刨槍固定在機(jī)器人手臂上，利用火焰切割的點(diǎn)火系統(tǒng)與等離子弧的引弧開(kāi)關(guān)進(jìn)行整合，通過(guò)機(jī)器人穩(wěn)定的往復(fù)運(yùn)行，最終形成有一定深度且平整度較高的平面。其設(shè)備的組成部分及運(yùn)行軌跡見(jiàn)圖1.

圖1 加工軌跡圖

2 試驗(yàn)方法

2.1 設(shè)備準(zhǔn)備

OTC機(jī)器人火焰切割手、ESP-150等離子切割/氣刨電源、壓縮空氣機(jī)等輔助工具。

2.2 定位措施

為了保證工件的加工平面與機(jī)器人手臂的運(yùn)行軌跡相互平行，設(shè)計(jì)一種可調(diào)節(jié)的定位裝置，通過(guò)三點(diǎn)定位來(lái)滿(mǎn)足工藝要求。

F1=-0.018X1+0.298X2-0.259X3-0.271X4-0.087X5+0.249X6-0.049X7+0.139X8-0.009X9+0.054X10+0.113X11

2.3 加工尺寸

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(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其加工尺寸見(jiàn)圖2.

圖2 試驗(yàn)加工尺寸圖

2.4 加工過(guò)程及效果

BTW耐磨板的加工參數(shù)見(jiàn)表3，4.

表3 b=(47+5) mm的加工參數(shù)表

表4 b=(25+5) mm的加工參數(shù)表

BTW耐磨板粗加工效果圖見(jiàn)圖3.

圖3 工件粗加工效果圖

3 試驗(yàn)方法

通過(guò)對(duì)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(yàn)與研究，經(jīng)過(guò)不斷的嘗試與調(diào)整，最終成功完成了BTW耐磨板平面的粗加工。同時(shí)，對(duì)加工出的平面進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試與分析，以便進(jìn)一步驗(yàn)證此加工工藝的可行性。

3.1 金相組織分析

BTW耐磨板臺(tái)階采用熱加工后，影響母材的組織，所以預(yù)留了3 mm加工量。經(jīng)過(guò)銑床精加工后，原始母材和臺(tái)階的金相組織見(jiàn)圖4.

由圖4a)可知，母材原始組織由等軸狀的多邊形晶粒組成，晶粒內(nèi)有孿晶，晶粒邊界趨向平直化,其組織為奧氏體組織，其母材沒(méi)有磁性。圖4b)是臺(tái)階精加工后在20 μm下的顯微組織，也是由多邊形晶粒組成。晶粒內(nèi)分布著均勻的彌散碳化物，晶粒邊界趨向平直化，其組織與母材組織類(lèi)似，表面沒(méi)有磁性,表明采用熱加工工藝，不會(huì)影響母材的綜合性能。

圖4 母材和臺(tái)階的顯微組織圖

3.2 硬度檢測(cè)

為了保證銑削精加工順利進(jìn)行，對(duì)已加工的平面、母材以及熱影響區(qū)進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5.

表5 硬度檢測(cè)結(jié)果表 /HBW

由表5可知，加工面的硬度值比母材低120 HBW，在后續(xù)的精加工中，減少了銑刀刀片的消耗量，延長(zhǎng)了機(jī)床的使用壽命。

3.3 尺寸控制

3.4 效率對(duì)比

以一次切削深度4 mm，寬度50 mm，長(zhǎng)度820 mm的臺(tái)階平面為例，如采用銑床加工大約需要20 min，而采用OTC機(jī)器人等離子刨工藝大約需要7 min，生產(chǎn)效率可提高3倍左右,縮短了刮板輸送機(jī)的制造周期。

3.5 成本對(duì)比

為了能夠更加直觀地顯示出此加工工藝的可行性，與傳統(tǒng)機(jī)加工的生產(chǎn)成本進(jìn)行比較。對(duì)圖3的加工尺寸進(jìn)行成本計(jì)算，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5.

圖5 加工成本對(duì)比表

采用新加工工藝后，加工一件中板可節(jié)約生產(chǎn)成本711.8元。一臺(tái)刮板機(jī)約由156節(jié)中部槽對(duì)接而成，按照實(shí)際加工能力測(cè)算，中板臺(tái)階的加工周期為25天，可節(jié)約成本11萬(wàn)元左右。

綜合上述分析結(jié)果表明，機(jī)器人與等離子刨聯(lián)合應(yīng)用于BTW耐磨板的平面初加工，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人智能化穩(wěn)定性和等離子刨工藝高效性的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。其將等離子刨清焊根，開(kāi)溝槽的功能，擴(kuò)展到可以進(jìn)行金屬平面加工，經(jīng)過(guò)OTC機(jī)器人改裝和程序聯(lián)動(dòng)整合，拓寬了OTC機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，提高了設(shè)備利用率。

4 結(jié) 論

提出對(duì)BTW耐磨板臺(tái)階采用熱加工方式進(jìn)行初加工，由銑床進(jìn)行刀校完成最后加工，即通過(guò)OTC機(jī)器人智能化操作，在中板待加工位置建立起一個(gè)三維空間，這個(gè)空間通過(guò)連續(xù)循環(huán)的往復(fù)運(yùn)行軌跡，把單道直線運(yùn)動(dòng)軌跡按照機(jī)器人的程序要求逐條排列，形成有一定深度且平整度較理想的平面，經(jīng)過(guò)多層疊加，可以得到滿(mǎn)足要求的工件尺寸。

1) 熱加工后的平面硬度值比母材低120 HB，在后續(xù)的精加工中，減少了銑刀刀片的消耗量，延長(zhǎng)了機(jī)床的使用壽命。

2) 母材原始組織為奧氏體組織，初加工后保留3 mm的加工量，在精加工后，臺(tái)階的組織仍為奧氏體組織和彌散的碳化物且都沒(méi)有磁性，不影響母材的綜合性能。

3) 采用熱加工工藝，加工一個(gè)臺(tái)階大約只需7 min，生產(chǎn)效率提高了3倍以上。