精銑刨鼓優(yōu)化設(shè)計(jì)和制作分析

左獻(xiàn)寶，李國(guó)征，郭豐，劉廷國(guó)

（河南省高遠(yuǎn)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司，河南新鄉(xiāng)453000）

0 引言

隨著我國(guó)公路建設(shè)的發(fā)展，道路養(yǎng)護(hù)工作將越來(lái)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(shí)，可快速實(shí)現(xiàn)路面找平：銑刨出一個(gè)更平整、紋理細(xì)密、抗滑性能更好的路面。精銑刨工藝不會(huì)影響原有路面的結(jié)構(gòu)，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(jié)約成本、延長(zhǎng)路面壽命、快速恢復(fù)交通的綠色養(yǎng)護(hù)工藝。因此，精銑刨得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。精銑刨鼓是銑刨工藝實(shí)施的關(guān)鍵部件，其刀具布置和制作精度直接影響銑刨后的路面質(zhì)量。

精銑刨機(jī)在作業(yè)過程中，刀頭會(huì)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(yè)的順利進(jìn)行，需要設(shè)計(jì)刀具在銑刨鼓上排布有序，幾何參數(shù)合理，以及制作精度得到保證[1]。

1 精銑刨鼓的組成和特點(diǎn)

通常精銑刨鼓系統(tǒng)（如圖1、圖2所示）由減速機(jī)（動(dòng)力側(cè)）、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(tǒng)

2 m大型銑刨機(jī)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(zhì)合金刀具有多達(dá)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(lái)解決。因空間位置所限，精銑刨鼓一般不設(shè)拋料板，拋料也是靠刀具本身作用。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)銑刨的深度來(lái)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(shù)要求

設(shè)計(jì)時(shí)，精銑刨鼓刀具排布的技術(shù)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(jù)銑刨（刀尖圓）直徑和銑刨鼓長(zhǎng)度選擇一個(gè)合理的螺旋升角。

2）刀尖等高。為調(diào)高銑刨質(zhì)量和銑刨效率，全部刀具（包括邊刀）轉(zhuǎn)動(dòng)形成的刀尖圓都在同一個(gè)圓柱面上。同一回轉(zhuǎn)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(shí)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(yè)時(shí)就是銑刨機(jī)行走方向），不再特指是否在同一回轉(zhuǎn)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(duì)稱。為抵消刀具銑刨產(chǎn)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(zhuǎn)對(duì)稱。注意并非完全鏡像對(duì)稱，而是鏡像后旋轉(zhuǎn)一定的角度使左右在圓周方向上等距且相互交錯(cuò)（“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(gè)幾何角度）要有利于作業(yè)時(shí)刀頭旋轉(zhuǎn)，自磨銳而無(wú)偏磨現(xiàn)象，有利于螺旋集料和拋料。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則合理安排刀具分布及其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3 精銑刨鼓的優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(zhuǎn)速都有關(guān)系。切削圖的形狀可反映銑刨下來(lái)的物料粒度的大小。如圖3所示，這是刀具因螺旋頭數(shù)z不同而對(duì)比的切削圖。從圖中可以看出，螺旋線頭數(shù)的不同影響容納廢料空間、進(jìn)給量和生產(chǎn)率[2]。

影響刀具切削圖的因素還包括螺旋頭數(shù)、刀間距、同一回轉(zhuǎn)截面上刀具的數(shù)量等參數(shù)。這些參數(shù)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(shè)計(jì)時(shí)，合理地選擇參數(shù)、比較其切削圖是一個(gè)重要手段。

圖3 刀具螺旋頭數(shù)不同時(shí)的切削圖

3.2 刀尖軌跡圖

刀尖軌跡圖是刀具在銑刨作業(yè)空間留下的軌跡。通常情況下，在銑刨作業(yè)過程中，刀具會(huì)單個(gè)逐一分兩側(cè)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(fù)荷，得到更好的銑刨質(zhì)量，提高銑刨路面的平整度，可多設(shè)置一些刀具。圖4所示為同一回轉(zhuǎn)截面上的刀具數(shù)m不同時(shí)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(xì)密一些。

3.3 銑刨不平度

圖4 同一回轉(zhuǎn)截面上刀具數(shù)量不同時(shí)的刀尖軌跡圖

圖5 不平度C的示意圖

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

通過計(jì)算可得到不平度C的表達(dá)式為

由上式可以看出，參數(shù)刀尖圓直徑R和同一回轉(zhuǎn)截面上刀具數(shù)m的值，不但影響進(jìn)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(zhuǎn)截面上刀具數(shù)m成反比，與刀尖圓半徑R成正比。

4 整體刀座的設(shè)計(jì)與制作

4.1 安裝仰角

銑刨刀具的安裝仰角a是指安裝時(shí)刀具軸線與切削點(diǎn)切線之間的夾角[4]，如圖6所示。根據(jù)研究和試驗(yàn)結(jié)果，安裝仰角a取值為40°～45°比較合適。

4.2 側(cè)向傾角

銑刨刀具的側(cè)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(jī)作業(yè)過程中，側(cè)向傾斜角b可使刀頭在刀座孔中因受到的摩擦力矩而轉(zhuǎn)動(dòng)，使得刀頭磨損均勻，保持較鋒利狀態(tài)[4]。刀頭使用壽命因此提高，減少更換次數(shù)。根據(jù)研究和試驗(yàn)結(jié)果，刀頭側(cè)向傾角b取值為10°左右比較合適。

4.3 整體刀座

銑刨機(jī)市場(chǎng)上銑刨刀頭屬于成熟產(chǎn)品，可以根據(jù)規(guī)格選購(gòu)。當(dāng)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(cè)向傾角b則需由設(shè)計(jì)確定，同時(shí)由刀座的制作精度來(lái)保證。對(duì)于傳統(tǒng)精銑刨鼓制作來(lái)說(shuō)，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(shí)際困難，考慮將基座與刀座設(shè)計(jì)成整體的結(jié)構(gòu)。并將這些幾何參數(shù)都設(shè)計(jì)在整體刀座中（如圖8），這樣可以很好地保證刀具幾何參數(shù)的一致性，降低裝配制作難度。

圖6 刀具安裝仰角a與側(cè)向傾角b

圖7 傳統(tǒng)精銑刨鼓的基座與刀座的結(jié)構(gòu)

圖8 整體刀座優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖

圖9 整體刀座外形圖

整體結(jié)構(gòu)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(zhǎng)銑刨刀頭的使用壽命，大量節(jié)減了使用成本。整體刀座是將傳統(tǒng)銑刨機(jī)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(lái)的。如此，裝配焊接時(shí)可大大提高制作效率，降低制作難度。整體刀座底面設(shè)計(jì)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(shí)刀頭定位簡(jiǎn)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(xù)的螺旋線，有利于銑刨下來(lái)的廢料及時(shí)輸送清理出來(lái)。精銑刨過程中，銑刨室廢料不會(huì)積壓。

整體刀座的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖9所示。在設(shè)計(jì)的整體刀座上增加與相鄰刀座的嵌套結(jié)構(gòu)和定位孔。

其嵌套結(jié)構(gòu)前凸后凹，由定位槽和凸塊組成。這樣對(duì)于同一螺旋線上相鄰的刀座形成兩兩嵌套，對(duì)刀座左右位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，可有效保證刀頭的側(cè)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(zhǔn)確定位。首先在鼓體上設(shè)計(jì)出刀座的位置，機(jī)加工時(shí)直接將定位孔加工在鼓體上（如圖10），裝配時(shí)刀座和鼓體通過定位銷連接起來(lái)。這樣做的好處是，刀座的定位精度主要靠機(jī)床的制造精度來(lái)保證，相比先前主要依靠裝配工裝及裝配者的技術(shù)水平來(lái)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(jìn)而保證了刀尖的準(zhǔn)確位置。這樣做對(duì)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。

圖10 鼓體上刀座的定位孔

圖11 優(yōu)化刀座在鼓體上的裝配圖

4.4 制作工藝與工程應(yīng)用

通常情況下，基座與刀座是分開設(shè)計(jì)與制作的，如圖12所示。基座一般是螺旋板焊接在鼓體上，刀座再焊接在螺旋基座上。市場(chǎng)上的精銑刨鼓基本上都是如此。

對(duì)于傳統(tǒng)精銑刨鼓來(lái)說(shuō)，螺旋基座的制作難度較大，它是由厚板（厚度約36 mm）分段煨制而成，這需要專業(yè)的螺旋制造企業(yè)來(lái)完成。另外螺旋基座在鼓體上的定位及刀座在基座上的定位還要借助專門的工裝來(lái)完成[5]。

優(yōu)化后刀座的在鼓體上的整體效果如圖13所示。

本項(xiàng)目研制的GY2000-8A型精銑刨鼓，優(yōu)化了刀具的布置排列，采用獨(dú)到的整體刀座設(shè)計(jì)。制作完成后，參與了大量市政工程項(xiàng)目的施工應(yīng)用。銑刨后的路面效果如圖14所示。

圖12 傳統(tǒng)精銑刨鼓實(shí)物示例

圖13 優(yōu)化刀座螺旋線排列示意圖

圖14 精銑刨鼓的路面效果

5 結(jié)論

通過與普通銑刨的銑刨效果對(duì)比看出，本項(xiàng)目所研制的精銑刨鼓使精銑刨作業(yè)更加節(jié)能高效，銑刨路面質(zhì)量有大幅度的提高，路面平整度指數(shù)IRI≤1.8 m/km；另外，銑刨后RAP料顆粒均勻，級(jí)配穩(wěn)定，便于后續(xù)的再生利用。GY2000-8A型精銑刨鼓作為綠色公路養(yǎng)護(hù)的利器，可廣泛應(yīng)用于普通大型路面銑刨機(jī)。