精銑刨鼓優化設計和制作分析

2021-03-19 09:07:46左獻寶李國征郭豐劉廷國

機械工程師 2021年3期

左獻寶，李國征，郭豐，劉廷國

（河南省高遠公路養護技術有限公司，河南新鄉453000）

0 引言

隨著我國公路建設的發展，道路養護工作將越來越多。精銑刨和普通銑刨相比，銑刨深度雖然較淺，但在去除老化路面的同時，可快速實現路面找平：銑刨出一個更平整、紋理細密、抗滑性能更好的路面。精銑刨工藝不會影響原有路面的結構，精銑刨后的路面可直接開放交通，也可加鋪罩面。這是一種節約成本、延長路面壽命、快速恢復交通的綠色養護工藝。因此，精銑刨得到越來越廣泛的應用。精銑刨鼓是銑刨工藝實施的關鍵部件，其刀具布置和制作精度直接影響銑刨后的路面質量。

精銑刨機在作業過程中，刀頭會按照螺旋順序依次銑入路面，形成間斷的銑削過程。為保證銑刨作業的順利進行，需要設計刀具在銑刨鼓上排布有序，幾何參數合理，以及制作精度得到保證[1]。

1 精銑刨鼓的組成和特點

通常精銑刨鼓系統（如圖1、圖2所示）由減速機（動力側）、支撐軸頭、鼓體（含滾筒和兩端法蘭）、基座（分主基座和邊基座）、刀座和刀頭等組成。

圖1 銑刨鼓系統

2 m大型銑刨機的精銑刨橫向最小刀間距不大于8 mm，銑刨鼓滾筒外表面安裝的硬質合金刀具有多達500多把，甚至上千把以上。銑刨料的收集作用主要靠基座螺旋板與刀座本身形成的螺旋線來解決。因空間位置所限，精銑刨鼓一般不設拋料板，拋料也是靠刀具本身作用。設計時根據銑刨的深度來決定基座的高度，若銑刨深度較淺（≤30 mm），甚至可以取消基座，只保留刀座。

2 銑刨鼓刀具排布的技術要求

設計時，精銑刨鼓刀具排布的技術要求如下：

1）螺旋排列。刀具沿銑刨鼓滾筒表面上呈螺旋線排列，以便順暢排料。根據銑刨（刀尖圓）直徑和銑刨鼓長度選擇一個合理的螺旋升角。

2）刀尖等高。為調高銑刨質量和銑刨效率，全部刀具（包括邊刀）轉動形成的刀尖圓都在同一個圓柱面上。同一回轉截面可安排1把刀具（稱為一線一刀），或2把刀具（稱為一線兩刀）等，安排多把刀具時要保證同一圓周上其刀具間距相等。

3）圓周均勻布置。刀具在銑刨鼓滾筒圓周上（作業時就是銑刨機行走方向），不再特指是否在同一回轉截面，在同一條螺旋線上相鄰的刀具周向距離都兩兩相等。

4）軸向均勻布置。刀具在銑刨鼓軸向上（銑刨寬度方向）距離兩兩相等。

5）左右對稱。為抵消刀具銑刨產生的軸向力，刀具布置的螺旋線以銑刨鼓軸線中心法平面（鼓體軸線的中垂面）鏡像旋轉對稱。注意并非完全鏡像對稱，而是鏡像后旋轉一定的角度使左右在圓周方向上等距且相互交錯（“人”字形排列）。

圖2 銑刨刀具的組成

6）角度合理。刀具的安裝角度（多個幾何角度）要有利于作業時刀頭旋轉，自磨銳而無偏磨現象，有利于螺旋集料和拋料。

根據以上設計原則合理安排刀具分布及其幾何結構參數。

3 精銑刨鼓的優化設計

3.1 刀具切削圖

切削圖是刀具在最大切削面留下的痕跡。

它與刀具的布置方式、行走速度及銑刨鼓的轉速都有關系。切削圖的形狀可反映銑刨下來的物料粒度的大小。如圖3所示，這是刀具因螺旋頭數z不同而對比的切削圖。從圖中可以看出，螺旋線頭數的不同影響容納廢料空間、進給量和生產率[2]。

影響刀具切削圖的因素還包括螺旋頭數、刀間距、同一回轉截面上刀具的數量等參數。這些參數的選取可從其切削圖上直觀地看到銑刨后的效果。在銑刨鼓設計時，合理地選擇參數、比較其切削圖是一個重要手段。

圖3 刀具螺旋頭數不同時的切削圖

3.2 刀尖軌跡圖

刀尖軌跡圖是刀具在銑刨作業空間留下的軌跡。通常情況下，在銑刨作業過程中，刀具會單個逐一分兩側交替依次切入路面。受到的銑削阻力較大，平整度較差。為了減少刀具的負荷，得到更好的銑刨質量，提高銑刨路面的平整度，可多設置一些刀具。圖4所示為同一回轉截面上的刀具數m不同時刀具的切削圖[3]。可以看出，隨著m值的增大，刀尖軌跡要明顯細密一些。

3.3 銑刨不平度

圖4 同一回轉截面上刀具數量不同時的刀尖軌跡圖

圖5 不平度C的示意圖

精銑刨后的路面細觀上實際是凸凹不平的。同一回轉截面相鄰兩次銑削的刀尖軌跡交叉點是銑刨留下的最高點。此最高點與軌跡最低點之間的縱向距離，為銑刨不平度[4]（如圖5），記作C。當銑刨鼓的初始位置如圖中“位置1”時，其刀尖落點為A，刀尖軌跡如“軌跡1”所示。其周向相鄰刀具的刀尖落點為B，其刀尖軌跡如“軌跡2”所示，與軌跡1相交于H點。當銑刨鼓刀尖由落點A移動到落點B時，銑刨鼓轉過的角度記為θ[4]。

通過計算可得到不平度C的表達式為

由上式可以看出，參數刀尖圓直徑R和同一回轉截面上刀具數m的值，不但影響進距S的大小，還決定著不平度C的大小[4]。不平度C與同一回轉截面上刀具數m成反比，與刀尖圓半徑R成正比。

4 整體刀座的設計與制作

4.1 安裝仰角

銑刨刀具的安裝仰角a是指安裝時刀具軸線與切削點切線之間的夾角[4]，如圖6所示。根據研究和試驗結果，安裝仰角a取值為40°～45°比較合適。

4.2 側向傾角

銑刨刀具的側向傾斜角b是刀具刀尖軸線與銑刨鼓軸線法平面的夾角，如圖6所示。在銑刨機作業過程中，側向傾斜角b可使刀頭在刀座孔中因受到的摩擦力矩而轉動，使得刀頭磨損均勻，保持較鋒利狀態[4]。刀頭使用壽命因此提高，減少更換次數。根據研究和試驗結果，刀頭側向傾角b取值為10°左右比較合適。

4.3 整體刀座

銑刨機市場上銑刨刀頭屬于成熟產品，可以根據規格選購。當螺旋線確定后，刀具的前角、后角、刀尖角就由成品刀頭所決定。安裝仰角a和側向傾角b則需由設計確定，同時由刀座的制作精度來保證。對于傳統精銑刨鼓制作來說，由于基座與刀座是分開安裝和焊接在銑刨鼓筒體上的（如圖7），其制作難度和工作量都較大。即使輔助于裝配工裝（夾具），也很難保證刀頭幾何角度的精度及其一致性。

為解決制作中的實際困難，考慮將基座與刀座設計成整體的結構。并將這些幾何參數都設計在整體刀座中（如圖8），這樣可以很好地保證刀具幾何參數的一致性，降低裝配制作難度。

圖6 刀具安裝仰角a與側向傾角b

圖7 傳統精銑刨鼓的基座與刀座的結構

圖8 整體刀座優化結構圖

圖9 整體刀座外形圖

整體結構從受力分析角度更適合于精銑刨鼓，可有效地提高銑刨效率，延長銑刨刀頭的使用壽命，大量節減了使用成本。整體刀座是將傳統銑刨機刀座與基座合二為一，材料采用42CrMo，整體精密鑄造（或模鍛）出來的。如此，裝配焊接時可大大提高制作效率，降低制作難度。整體刀座底面設計有曲面，可與銑刨鼓滾筒表面在螺旋線方向上完美吻合，裝配焊接時刀頭定位簡單、方便且一致性好。另外，整體刀座在銑刨鼓上焊接后，自行排列成連續的螺旋線，有利于銑刨下來的廢料及時輸送清理出來。精銑刨過程中，銑刨室廢料不會積壓。

整體刀座的結構進一步優化后的結構如圖9所示。在設計的整體刀座上增加與相鄰刀座的嵌套結構和定位孔。

其嵌套結構前凸后凹，由定位槽和凸塊組成。這樣對于同一螺旋線上相鄰的刀座形成兩兩嵌套，對刀座左右位置進行準確定位，可有效保證刀頭的側向傾角與螺旋的線型平順性。其定位孔是保證刀座在鼓體上的準確定位。首先在鼓體上設計出刀座的位置，機加工時直接將定位孔加工在鼓體上（如圖10），裝配時刀座和鼓體通過定位銷連接起來。這樣做的好處是，刀座的定位精度主要靠機床的制造精度來保證，相比先前主要依靠裝配工裝及裝配者的技術水平來保證，又有了大幅的提高。定位孔可有效保證刀座在螺旋線上的前后位置，進而保證了刀尖的準確位置。這樣做對刀間距、刀頭仰角、刀尖圓的圓柱度等銑刨鼓的精度有了很好的保證。