Solidcam 仿真驗證技術在掘錨機國產化進程中的應用研究

菏澤技師學院 商開振 邵世權 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重要。但煤礦巷道的掘進用時長，效率底，綜掘的機械化水平制約著我國煤炭開采的效率。為了降低生產成本，提高采煤效率，煤炭掘錨一體化技術的國產化迫在眉睫。山特維克MB670 機型使用成本高，生產作業過程中問題較多，但也催化了國產化方案的形成。 以突破掘錨行業的技術壁壘，做出更適合我國煤礦的掘錨機。

一、掘錨機

采煤工藝分為綜掘與綜采等步驟，首先利用掘進機在煤層中掘進出巷道，并形成小的片區，然后利用采煤機在巷道間橫向采煤。現階段，我國綜采效率較高，甚至出現了年產量上千萬噸的采煤工作面。但綜掘效率低，掘進設備的落后技術嚴重影響了我國煤炭開采的總體生產效率。為此，我國煤炭企業開始引進國外具有錨掘一體化技術的快速掘進機，如山特維克公司的型號為ABM20、MB670 的掘錨機。MB670 型掘錨機如圖1 所示，具有很強的截割和裝載性能，它的寬截割滾筒可以一次低轉速連續截割成巷道的寬度。可同時進行截割和打錨桿工作，大幅度縮短切割和輔助時間，從而提高了成巷速度。

但此型號掘錨機在國內也遇到了“水土不服”的問題。其技術性問題多集中在掘錨機截割裝置內如圖2 所示。主要表現在其結構原理復雜，故障排查、處理困難，配件昂貴；若在國內生產配件，其齒輪箱的加工難度高，加工周期長；整機及維修費用十分昂貴。

圖1 掘錨機

為此，本文改用永磁電機替代原有電機及復雜的減速機構，使用簡單的傳動裝置直接驅動滾筒進行割煤。截割臂作為其支撐部件，內部結構也做相應的優化。改進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、滾筒等相關零部件，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 截割臂結構

截割臂是掘錨機截割裝置的主體結構，用于支撐滾筒、側滾筒等部件。由于巷道寬度的要求，其總長達到3810mm。為保證左右滾筒同軸，兩端軸承孔及中間架體內孔具有較高的同軸度要求，達到了0.08mm。在跨度近四米的三個孔間保證0.08mm 的同軸度，難度巨大，保證同軸度的工藝方案是國產化過程中重點問題。為此，本文利用傳統的機加工工藝技術與Solidcam 仿真相結合的方案，實現了工藝設計的創新，解決了國產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行加工。為此將截割臂的加工分為三個部分，首先是合套面及銷孔等的加工；合套后加工各孔系，重點保證同軸度；最后拆解，加工中間架體內花鍵，斜槽等結構。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的端面，槽，倒角等進行加工。同軸度要求較高、孔系跨度較大的三個孔系的加工是實現國外掘錨機國產化的關鍵所在；為降低成本，截割架的加工最好在常規設備上加工。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；將方枕穿進已加工孔去加工第二個孔也是一種技術方案，但方枕寬度為500mm×500mm，大于截割臂的孔徑φ460，方枕不能進入孔，常規工藝方案不可行。

為此，本文設計了在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，加工出相應的孔；然后縮回方枕，移動坐標，進入第二個孔的中心位置，以此類推，重復定位加工出三處內孔及相應的端面、槽等結構。然后按照已經加工好的內孔找正，鏜銑成另一端面相關結構。

三、 截割臂機加工工藝方案的Solidcam 驗證

為了驗證截割臂機加工工藝方案的合理性，得到數控設備的編程數據，本文使用SolidCAM 軟件進行加工過程的仿真模擬驗證。重點利用其“CAD 圖形上的刀具路徑驗證”及“SolidVerify 模擬”、“過切/余料”等功能對其加工過程中的刀具路徑進行模擬，驗證刀具、工件的實際加工過程，并對加工后的零件出現過切或未加工到的地方進行提示，以便修改加工參數。實現對截割臂的機械加工工藝路線的模擬與仿真，以此獲得該零件合理的機械加工工藝，并用于指導生產。

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 軟件中不必對其進行仿真。本節對同軸度要求為0.08mm 的各同軸孔及相關端面、槽、外圓等相關結構的加工進行仿真驗證。

1、機床的選擇

機床的選擇命令可以通過選擇不同的系統獲得不同的機床主軸、工作臺、刀架等。根據工件的大小以及160 數控落地銑鏜床操作系統的實際情況，選擇AWEA1000-fanuc。

2、加工原點的設定

加工原點需要根據不同的加工表面設定以確定工件的擺放位置。加工原點的選擇一般從平面上選取。它是選擇工藝基準的過程。

3、毛坯形狀的設定

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。根據已經設定好的工藝路線對要加工的“加工區域”（圖形）進行選擇，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域的加工過程的仿真。

通過對截割臂結構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。三個位置的孔要求同軸，同軸度為0.08mm。本工序全部由160 數控落地銑鏜床加工。同軸度要求為0.08mm 的三個孔由其垂直銑頭逐個孔加工。

圖6 截割臂結構簡圖

其工藝過程為，將截割臂放置在160 數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）內孔及左面相關端面；升高垂直銑頭，邁過左軸承座，降下垂直銑頭，走坐標，銑成中間架體（圖6 序號2）內孔及左面的相關外圓、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）內孔及左面相關端面等。垂直銑頭旋轉180°，找正右軸承座內孔，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，找正左軸承座內孔，銑成右面的端面。

6、 SolidVerify 工藝路線模擬

銑成左軸承座內孔及左面相關端面。

依據“先面后孔”的工藝原則，先加工端面，后加工內孔、臺階孔/小臺階面等結構。其刀具的路線仿真如圖7 所示。

圖7 截割臂工步1 刀具路線驗證

銑成中間架體內孔及左面的相關外圓、端面、槽等結構，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。

圖8 截割臂工步2 刀具路線驗證

銑成右軸承座內孔及左面相關端面等結構。將垂直銑頭調整至右軸承座左邊，加工內孔、端面，如圖9 所示。

圖9 截割臂工步3 刀具路線驗證

銑成右軸承座右端面等相關結構。將垂直銑頭調整至右軸承座右側，找正右軸承座內孔。依次鏜銑成右軸承座右端面及相關止口、內臺階孔，如圖10 所示。

圖10 截割臂工步4 刀具路線驗證

銑成中間架體右面的外圓、端面、槽及螺紋孔等結構。升高垂直銑頭，邁過右軸承座，降下垂直銑頭，找正內孔，依次加工中間架體右端面及內槽、各外圓及對應端面、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 刀具路線驗證

7、刀具路線及過切/殘料驗證

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，不會發生撞刀、干涉等現象。

圖13 截割臂刀具路線驗證

截割臂過切/余料驗證結果如圖14 所示。可知總體工件加工過程及最終加工形狀符合預期。各同軸孔及相應的端面、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定好的加工形狀吻合。

圖14 截割臂“過切/余料”驗證

四、 截割臂的實際加工及使用效果

截割臂的仿真驗證了零件生產的工序安排、設備的使用、刀具等的配備等諸多技術方案的正確性。通過對截割架體、中間架體、軸承座及截割臂進行的加工過程仿真，獲得了數控編程等工藝數據。并使用了數控龍銑、160 數控落地鏜銑床等數控設備，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 數控落地鏜銑床垂直銑頭的加工得到了保證，經三坐標測量儀檢測，改進后的掘錨機截割臂兩端軸承座及中間架體上內花鍵孔處三個孔的同軸度為0.014mm，滿足設計要求。裝配完成后，如圖15 所示，該國產化掘錨機應用到山西某集團煤礦，運行狀況良好，解決了前述進口掘錨機的諸多問題。

圖15 改造后的截割臂裝配

五、總結

本文對國產化掘錨機的關鍵部件截割臂進行了三維實體建模及其工藝路線分析，重點對截割臂的加工工藝過程進行了仿真，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行了驗證。本文利用SolidCAM 軟件進行的仿真模擬驗證了截割臂加工工藝方案的正確性，為其實際生產制造提供了技術數據，解決了掘錨機國產化項目中的關鍵問題，為國外掘錨機的國產化鋪平了道路。降低了煤炭企業的運營成本，為我國掘錨機國產化事業提供了經驗與參考。