菏澤技師學(xué)院 商開振 邵世權(quán) 李洋

煤炭是我國的主要能源。煤炭開采對于保障我國的能源安全至關(guān)重要。但煤礦巷道的掘進(jìn)用時(shí)長，效率底，綜掘的機(jī)械化水平制約著我國煤炭開采的效率。為了降低生產(chǎn)成本，提高采煤效率，煤炭掘錨一體化技術(shù)的國產(chǎn)化迫在眉睫。山特維克MB670 機(jī)型使用成本高，生產(chǎn)作業(yè)過程中問題較多，但也催化了國產(chǎn)化方案的形成。 以突破掘錨行業(yè)的技術(shù)壁壘，做出更適合我國煤礦的掘錨機(jī)。

一、掘錨機(jī)

采煤工藝分為綜掘與綜采等步驟，首先利用掘進(jìn)機(jī)在煤層中掘進(jìn)出巷道，并形成小的片區(qū)，然后利用采煤機(jī)在巷道間橫向采煤。現(xiàn)階段，我國綜采效率較高，甚至出現(xiàn)了年產(chǎn)量上千萬噸的采煤工作面。但綜掘效率低，掘進(jìn)設(shè)備的落后技術(shù)嚴(yán)重影響了我國煤炭開采的總體生產(chǎn)效率。為此，我國煤炭企業(yè)開始引進(jìn)國外具有錨掘一體化技術(shù)的快速掘進(jìn)機(jī)，如山特維克公司的型號為ABM20、MB670 的掘錨機(jī)。MB670 型掘錨機(jī)如圖1 所示，具有很強(qiáng)的截割和裝載性能，它的寬截割滾筒可以一次低轉(zhuǎn)速連續(xù)截割成巷道的寬度?？赏瑫r(shí)進(jìn)行截割和打錨桿工作，大幅度縮短切割和輔助時(shí)間，從而提高了成巷速度。

但此型號掘錨機(jī)在國內(nèi)也遇到了“水土不服”的問題。其技術(shù)性問題多集中在掘錨機(jī)截割裝置內(nèi)如圖2 所示。主要表現(xiàn)在其結(jié)構(gòu)原理復(fù)雜，故障排查、處理困難，配件昂貴；若在國內(nèi)生產(chǎn)配件，其齒輪箱的加工難度高，加工周期長；整機(jī)及維修費(fèi)用十分昂貴。

圖1 掘錨機(jī)

為此，本文改用永磁電機(jī)替代原有電機(jī)及復(fù)雜的減速機(jī)構(gòu)，使用簡單的傳動裝置直接驅(qū)動滾筒進(jìn)行割煤。截割臂作為其支撐部件，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也做相應(yīng)的優(yōu)化。改進(jìn)后的截割臂是長支架類組焊零件如圖3 所示。為便于安裝永磁電機(jī)、滾筒等相關(guān)零部件，需將截割臂分成在截割架體、中間架、軸承座及擋板等部分。

圖2 截割裝置

圖3 截割臂結(jié)構(gòu)

截割臂是掘錨機(jī)截割裝置的主體結(jié)構(gòu)，用于支撐滾筒、側(cè)滾筒等部件。由于巷道寬度的要求，其總長達(dá)到3810mm。為保證左右滾筒同軸，兩端軸承孔及中間架體內(nèi)孔具有較高的同軸度要求，達(dá)到了0.08mm。在跨度近四米的三個(gè)孔間保證0.08mm 的同軸度，難度巨大，保證同軸度的工藝方案是國產(chǎn)化過程中重點(diǎn)問題。為此，本文利用傳統(tǒng)的機(jī)加工工藝技術(shù)與Solidcam 仿真相結(jié)合的方案，實(shí)現(xiàn)了工藝設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，解決了國產(chǎn)化過程中的瓶頸問題。

二、 截割臂工藝方案

1、總體工藝方案分析

截割臂是一種裝焊件。需要各自把參與合套的表面加工好后，再裝配到一起進(jìn)行加工；由于截割臂總長較大，重量也大，中間架體、軸承座等零件上一些非重要裝配面在合套加工完拆解后再進(jìn)行加工。為此將截割臂的加工分為三個(gè)部分，首先是合套面及銷孔等的加工；合套后加工各孔系，重點(diǎn)保證同軸度；最后拆解，加工中間架體內(nèi)花鍵，斜槽等結(jié)構(gòu)。其總體的加工過程可以由圖4 所示。

圖4 截割臂工藝路線總圖

2、截割臂同軸孔系的加工

合套后主要需對同軸孔及其相關(guān)的端面，槽，倒角等進(jìn)行加工。同軸度要求較高、孔系跨度較大的三個(gè)孔系的加工是實(shí)現(xiàn)國外掘錨機(jī)國產(chǎn)化的關(guān)鍵所在；為降低成本，截割架的加工最好在常規(guī)設(shè)備上加工。本文中的截割臂孔系跨度超過了3 米，且同軸度要求較高，按常規(guī)加工工藝方法，要保證孔系的同軸度，最好是一次找正后從一個(gè)方向加工，一次加工完孔系中各孔；但160 落地鏜主軸長度850mm，而相鄰兩孔的長度為1570mm，超出落地鏜床的加工范圍；將方枕穿進(jìn)已加工孔去加工第二個(gè)孔也是一種技術(shù)方案，但方枕寬度為500mm×500mm，大于截割臂的孔徑φ460，方枕不能進(jìn)入孔，常規(guī)工藝方案不可行。

為此，本文設(shè)計(jì)了在160 落地鏜上加工大跨距高同軸度要求孔系的工藝方案。具體方法是：在方枕上安裝垂直銑頭后，使方枕垂直于孔系軸線，銑頭正對著孔系。在其中一端找正，加工出相應(yīng)的孔；然后縮回方枕，移動坐標(biāo)，進(jìn)入第二個(gè)孔的中心位置，以此類推，重復(fù)定位加工出三處內(nèi)孔及相應(yīng)的端面、槽等結(jié)構(gòu)。然后按照已經(jīng)加工好的內(nèi)孔找正，鏜銑成另一端面相關(guān)結(jié)構(gòu)。

三、 截割臂機(jī)加工工藝方案的Solidcam 驗(yàn)證

為了驗(yàn)證截割臂機(jī)加工工藝方案的合理性，得到數(shù)控設(shè)備的編程數(shù)據(jù)，本文使用SolidCAM 軟件進(jìn)行加工過程的仿真模擬驗(yàn)證。重點(diǎn)利用其“CAD 圖形上的刀具路徑驗(yàn)證”及“SolidVerify 模擬”、“過切/余料”等功能對其加工過程中的刀具路徑進(jìn)行模擬，驗(yàn)證刀具、工件的實(shí)際加工過程，并對加工后的零件出現(xiàn)過切或未加工到的地方進(jìn)行提示，以便修改加工參數(shù)。實(shí)現(xiàn)對截割臂的機(jī)械加工工藝路線的模擬與仿真，以此獲得該零件合理的機(jī)械加工工藝，并用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

通過圖4 對截割臂工藝路線的分析可知，截割臂的工序包括數(shù)鏜，鉗工。鉗工工序主要用于中間架體、軸承座的裝卸，工件上螺紋孔的鉸絲，尖棱倒鈍等，在SolidCAM 軟件中不必對其進(jìn)行仿真。本節(jié)對同軸度要求為0.08mm 的各同軸孔及相關(guān)端面、槽、外圓等相關(guān)結(jié)構(gòu)的加工進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1、機(jī)床的選擇

機(jī)床的選擇命令可以通過選擇不同的系統(tǒng)獲得不同的機(jī)床主軸、工作臺、刀架等。根據(jù)工件的大小以及160 數(shù)控落地銑鏜床操作系統(tǒng)的實(shí)際情況，選擇AWEA1000-fanuc。

2、加工原點(diǎn)的設(shè)定

加工原點(diǎn)需要根據(jù)不同的加工表面設(shè)定以確定工件的擺放位置。加工原點(diǎn)的選擇一般從平面上選取。它是選擇工藝基準(zhǔn)的過程。

3、毛坯形狀的設(shè)定

截割臂是裝焊件。它由截割架體、中間架體、軸承座、擋板合套、焊接而成。毛坯的余量已由各零件合套前的加工確定為6mm。其形狀參圖5 截割臂毛坯圖。

圖5 截割臂毛坯

4、加工形狀的確定

加工形狀是指截割臂成品的形狀。即截割臂零件三維實(shí)體模型的尺寸形狀。

5、加工工程的選擇

加工工程的選擇由工藝路線確定。根據(jù)已經(jīng)設(shè)定好的工藝路線對要加工的“加工區(qū)域”（圖形）進(jìn)行選擇，在SolidCAM 下拉菜單中選擇不同的加工方案（如袋狀加工、平面加工、鉆孔識別等），即可形成對該零件此處區(qū)域的加工過程的仿真。

通過對截割臂結(jié)構(gòu)及工藝路線的分析可知，待加工的部位為左軸承座、中間架體、右軸承座三處，如圖6 所示。三個(gè)位置的孔要求同軸，同軸度為0.08mm。本工序全部由160 數(shù)控落地銑鏜床加工。同軸度要求為0.08mm 的三個(gè)孔由其垂直銑頭逐個(gè)孔加工。

圖6 截割臂結(jié)構(gòu)簡圖

其工藝過程為，將截割臂放置在160 數(shù)控落地銑鏜床的工作臺以后，支平夾緊；首先銑成左軸承座（圖6 序號1）內(nèi)孔及左面相關(guān)端面；升高垂直銑頭，邁過左軸承座，降下垂直銑頭，走坐標(biāo)，銑成中間架體（圖6 序號2）內(nèi)孔及左面的相關(guān)外圓、端面、槽等；升高垂直銑頭，邁過中間架體，降下垂直銑頭，找正，銑成右軸承座（圖6 序號3）內(nèi)孔及左面相關(guān)端面等。垂直銑頭旋轉(zhuǎn)180°，找正右軸承座內(nèi)孔，銑成右面端面等；升高垂直銑頭，邁過右軸承座，降下垂直銑頭，找正，銑鏜成中間架體右面的外圓、端面、槽機(jī)螺紋孔；升高垂直銑頭，邁過中間架體，降下垂直銑頭，找正左軸承座內(nèi)孔，銑成右面的端面。

6、 SolidVerify 工藝路線模擬

銑成左軸承座內(nèi)孔及左面相關(guān)端面。

依據(jù)“先面后孔”的工藝原則，先加工端面，后加工內(nèi)孔、臺階孔/小臺階面等結(jié)構(gòu)。其刀具的路線仿真如圖7 所示。

圖7 截割臂工步1 刀具路線驗(yàn)證

銑成中間架體內(nèi)孔及左面的相關(guān)外圓、端面、槽等結(jié)構(gòu)，如圖8 所示。升高垂直銑頭，邁過左軸承座，降下垂直銑頭，走坐標(biāo)。

圖8 截割臂工步2 刀具路線驗(yàn)證

銑成右軸承座內(nèi)孔及左面相關(guān)端面等結(jié)構(gòu)。將垂直銑頭調(diào)整至右軸承座左邊，加工內(nèi)孔、端面，如圖9 所示。

圖9 截割臂工步3 刀具路線驗(yàn)證

銑成右軸承座右端面等相關(guān)結(jié)構(gòu)。將垂直銑頭調(diào)整至右軸承座右側(cè)，找正右軸承座內(nèi)孔。依次鏜銑成右軸承座右端面及相關(guān)止口、內(nèi)臺階孔，如圖10 所示。

圖10 截割臂工步4 刀具路線驗(yàn)證

銑成中間架體右面的外圓、端面、槽及螺紋孔等結(jié)構(gòu)。升高垂直銑頭，邁過右軸承座，降下垂直銑頭，找正內(nèi)孔，依次加工中間架體右端面及內(nèi)槽、各外圓及對應(yīng)端面、斜面（使用Φ6 球頭刀），如圖11 所示。

圖11 截割臂工步5 刀具路線驗(yàn)證

銑成左軸承座右端面。升高垂直銑頭，邁過中間架體，降下垂直銑頭，找正左軸承座內(nèi)孔，使用“平面銑削”命令銑成右端面，如圖12 所示。

圖12 截割臂工步6 刀具路線驗(yàn)證

7、刀具路線及過切/殘料驗(yàn)證

其總體的刀具路線如圖13 所示。通過刀具路線及SolidVerify 模擬功能可知，本工序刀路正確，不會發(fā)生撞刀、干涉等現(xiàn)象。

圖13 截割臂刀具路線驗(yàn)證

截割臂過切/余料驗(yàn)證結(jié)果如圖14 所示?？芍傮w工件加工過程及最終加工形狀符合預(yù)期。各同軸孔及相應(yīng)的端面、密封槽都加工完成。圖中紅色部分殘料為中間架體中間花鍵、頭頂斜面開口槽處，需卸下后加工。其余各面的形狀與尺寸都與設(shè)定好的加工形狀吻合。

圖14 截割臂“過切/余料”驗(yàn)證

四、 截割臂的實(shí)際加工及使用效果

截割臂的仿真驗(yàn)證了零件生產(chǎn)的工序安排、設(shè)備的使用、刀具等的配備等諸多技術(shù)方案的正確性。通過對截割架體、中間架體、軸承座及截割臂進(jìn)行的加工過程仿真，獲得了數(shù)控編程等工藝數(shù)據(jù)。并使用了數(shù)控龍銑、160 數(shù)控落地鏜銑床等數(shù)控設(shè)備，順利完成了零件的加工。尤其是截割臂同軸孔同軸度的要求，通過使用160 數(shù)控落地鏜銑床垂直銑頭的加工得到了保證，經(jīng)三坐標(biāo)測量儀檢測，改進(jìn)后的掘錨機(jī)截割臂兩端軸承座及中間架體上內(nèi)花鍵孔處三個(gè)孔的同軸度為0.014mm，滿足設(shè)計(jì)要求。裝配完成后，如圖15 所示，該國產(chǎn)化掘錨機(jī)應(yīng)用到山西某集團(tuán)煤礦，運(yùn)行狀況良好，解決了前述進(jìn)口掘錨機(jī)的諸多問題。

圖15 改造后的截割臂裝配

五、總結(jié)

本文對國產(chǎn)化掘錨機(jī)的關(guān)鍵部件截割臂進(jìn)行了三維實(shí)體建模及其工藝路線分析，重點(diǎn)對截割臂的加工工藝過程進(jìn)行了仿真，并對各零件的刀具路線、加工過程的走刀情況、加工后有無過切或余料的情況進(jìn)行了驗(yàn)證。本文利用SolidCAM 軟件進(jìn)行的仿真模擬驗(yàn)證了截割臂加工工藝方案的正確性，為其實(shí)際生產(chǎn)制造提供了技術(shù)數(shù)據(jù)，解決了掘錨機(jī)國產(chǎn)化項(xiàng)目中的關(guān)鍵問題，為國外掘錨機(jī)的國產(chǎn)化鋪平了道路。降低了煤炭企業(yè)的運(yùn)營成本，為我國掘錨機(jī)國產(chǎn)化事業(yè)提供了經(jīng)驗(yàn)與參考。