中部槽BTW中板平面加工的創新研究

劉燕鵬

(山西焦煤 汾西礦業集團設備修造廠， 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，焊前無需預熱，焊后無需熱處理，是目前國內外其它耐磨板所不具備的特點[1]. 使用 BTW耐磨鋼板，可降低能源消耗，節省原材料和設備的投資，降低工人的維修強度，減少因中部槽更換帶來的間接經濟損失。BTW 耐磨鋼板已廣泛應用于刮板輸送機中板上，由于耐磨板硬度太高，中板接口處利用傳統的銑削加工，效率低、成本高，制約了刮板輸送機的生產周期。在制造刮板輸送機的過程中，為滿足使用要求，必須在中板兩端各加工出一個臺階方便兩節中部槽進行銜接[1-3].

目前BTW耐磨板臺階都是利用銑床加工，由于該材料具有強烈的形變誘導硬化特性，在冷加工過程中加工硬化嚴重，使得刀具損耗快，生產效率低[4]. 為此，需要進行中部槽BTW中板平面加工工藝創新研究。

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，其化學成分及力學性能見表1，表2.

表1 母材的化學成分表 /%

表2 BTW常規力學性能表

通過表1,2可以看出，BTW耐磨板含碳量較高，導致該材料在冷加工的過程中硬度超過了450 HB. 同時該材料具有強烈的形變誘導硬化特性即越磨越硬，所以不適合批量加工生產。

1.2 方案制定

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

通過對比兩種刨削方法，發現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動實現連續循環運行，借助OTC機器人火焰切割的運行機構，把刨槍固定在機器人手臂上，利用火焰切割的點火系統與等離子弧的引弧開關進行整合，通過機器人穩定的往復運行，最終形成有一定深度且平整度較高的平面。其設備的組成部分及運行軌跡見圖1.

圖1 加工軌跡圖

2 試驗方法

2.1 設備準備

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

2.2 定位措施

為了保證工件的加工平面與機器人手臂的運行軌跡相互平行，設計一種可調節的定位裝置，通過三點定位來滿足工藝要求。

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

選取刮板輸送機中任一規格的中部槽中板作為加工對象進行實驗。其加工尺寸見圖2.

圖2 試驗加工尺寸圖

2.4 加工過程及效果

BTW耐磨板的加工參數見表3，4.

表3 b=(47+5) mm的加工參數表

表4 b=(25+5) mm的加工參數表

BTW耐磨板粗加工效果圖見圖3.

圖3 工件粗加工效果圖

3 試驗方法

通過對噴嘴傾角、電流大小、刨削速度、偏移量以及排渣情況反復試驗與研究，經過不斷的嘗試與調整，最終成功完成了BTW耐磨板平面的粗加工。同時，對加工出的平面進行了相關的測試與分析，以便進一步驗證此加工工藝的可行性。

3.1 金相組織分析

BTW耐磨板臺階采用熱加工后，影響母材的組織，所以預留了3 mm加工量。經過銑床精加工后，原始母材和臺階的金相組織見圖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，其母材沒有磁性。圖4b)是臺階精加工后在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似，表面沒有磁性,表明采用熱加工工藝，不會影響母材的綜合性能。

圖4 母材和臺階的顯微組織圖

3.2 硬度檢測

為了保證銑削精加工順利進行，對已加工的平面、母材以及熱影響區進行硬度檢測，檢測數據見表5.

表5 硬度檢測結果表 /HBW

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

3.3 尺寸控制

3.4 效率對比

以一次切削深度4 mm，寬度50 mm，長度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OTC機器人等離子刨工藝大約需要7 min，生產效率可提高3倍左右,縮短了刮板輸送機的制造周期。

3.5 成本對比

為了能夠更加直觀地顯示出此加工工藝的可行性，與傳統機加工的生產成本進行比較。對圖3的加工尺寸進行成本計算，具體數據見圖5.

圖5 加工成本對比表

采用新加工工藝后，加工一件中板可節約生產成本711.8元。一臺刮板機約由156節中部槽對接而成，按照實際加工能力測算，中板臺階的加工周期為25天，可節約成本11萬元左右。

綜合上述分析結果表明，機器人與等離子刨聯合應用于BTW耐磨板的平面初加工，實現了機器人智能化穩定性和等離子刨工藝高效性的優勢互補。其將等離子刨清焊根，開溝槽的功能，擴展到可以進行金屬平面加工，經過OTC機器人改裝和程序聯動整合，拓寬了OTC機器人的應用領域，提高了設備利用率。

4 結 論

提出對BTW耐磨板臺階采用熱加工方式進行初加工，由銑床進行刀校完成最后加工，即通過OTC機器人智能化操作，在中板待加工位置建立起一個三維空間，這個空間通過連續循環的往復運行軌跡，把單道直線運動軌跡按照機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，經過多層疊加，可以得到滿足要求的工件尺寸。

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

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，臺階的組織仍為奧氏體組織和彌散的碳化物且都沒有磁性，不影響母材的綜合性能。

3) 采用熱加工工藝，加工一個臺階大約只需7 min，生產效率提高了3倍以上。