路麵銑刨機轉子切削圖形態分析
2019-7-23 來源（yuán）：江蘇徐州工程機械研究院 作者：賈海波，康凱旋，何 冰，薄夫祥（xiáng）
摘 要：對銑刨機銑刨輪的（de）刀具（jù）進行排布設計（jì），分析銑刨（páo）作業工況和銑（xǐ）刨輪銑削路麵的過程，建立銑刨輪（lún）切削圖的數學模型，給出切削圖繪製程序的算法，分析標（biāo）準銑（xǐ）刨作業工況（kuàng）下 4 種刀具排布模式切削圖斷麵形態特點，並以單因素法分別研究銑刨深度、銑（xǐ）刨機進給（gěi）速度對切削圖形態變化的影響（xiǎng）。結果表明：常用工況下，三頭畸變 2 排列模式的切削圖斷麵形態最優；在一定的銑刨深度範圍內，切（qiē）削（xuē）圖斷（duàn）麵（miàn）的形態隨深度的增大而變優；銑刨輪水平進給速度對切削圖（tú）形態的變化影響顯著，隨進給速（sù）度的（de）增大，切削圖形態的優劣（liè）性具有先上升再（zài）下降的特點。
關鍵詞：刀具；排布；銑刨機轉子；數學模擬（nǐ）；切削圖
隨著我（wǒ）國公路裏程（chéng）的不斷（duàn）增加，市場對道路養護機械的需求正持續（xù）增長。作為道路（lù）養護專用設（shè）備，路麵銑刨機廣泛用於高速公路、城鎮道路（lù）等水泥或（huò）瀝青路麵的維修、開挖、瀝青路麵裂縫、網紋、車轍等的清除以及水泥路麵的拉（lā）毛作業。
銑刨輪是路麵（miàn）銑刨機的核心工作裝置，由銑刨鼓和銑刨刀（dāo）具組成。路麵銑削破碎是通過離散布置在銑刨鼓上的（de）刀具來（lái）實現的，其銑削過程涉及銑刨刀具、路麵和廢料的相互作用，對銑刨輪磨損及整機工作效率有重要影響。國內不少學者對銑刨輪銑削路麵過程進行了研究：顧海榮等采用（yòng）數學解析法研（yán）究了銑刨轉子累積銑削厚度隨銑刨轉子（zǐ）轉角變化的模型，分析（xī）了影響路麵銑刨機銑（xǐ）削載荷（hé）的因素；田晉躍（yuè）等通過（guò）建立刀具銑（xǐ）削受力計算數學模型，分（fèn）析了刀具運動參（cān）數和幾（jǐ）何參數與銑削受（shòu）力之間的關係，得到了刀具（jù）參數（shù）對（duì）刀具銑削受力影響的規律；周裏（lǐ）群采用離散元仿（fǎng）真手段，分析了刀具（jù）切削（xuē）瀝青混凝土的動態過程，得出了不同切削角下切削過程中刀具前刀麵的受力變化（huà）規律；郭迎福等通過對不同排（pái）布模式的銑刨（páo）輪切削圖分析，提出了銑刨鼓刀具的合理布置方式。上述研究多集中於切削路麵過程刀具的受力分析或不同銑刨刀具布置對切削圖的影響，對於銑刨輪切削圖（tú）如何形成（chéng），影響切（qiē）削圖形態變化因素的研究較少。在前人工作的基礎上，本文從銑刨輪切削路麵留下的坑槽形狀展開研究，建立銑刨輪切削圖的數學（xué）模型，編寫切削圖繪製的算法和程序，分析影響銑刨（páo）輪切削（xuē）圖形態的因素，為銑刨輪刀（dāo）具的排布設計與合理選擇（zé）銑刨工況提供參考。
1 、銑刨輪切削圖的形成
1 .1 銑刨輪刀具排布模（mó）式
銑刨刀具通常以螺旋線的形式布置在銑刨鼓上，其排布模式（shì）有順序式、棋盤式和畸變式。路麵銑刨機銑刨輪一般設有 2 頭、3 頭和 4 頭（tóu）螺旋線，排除（chú）刀具排列十分不
均勻的方案，有 9 種可能的刀具排布模式，如（rú）圖 1 所示。
圖（tú） 1 銑刨輪刀具排布模式
1 .2 銑刨（páo）輪切削路麵的過程
銑刨機作業過程中（zhōng），銑刨輪除了自轉還有水平進給運（yùn）動，銑刨輪旋轉一周前後的位（wèi）置及刀具切（qiē）削（xuē）厚度如圖 2所（suǒ）示。其中 O 為銑刨輪初始位置的旋轉中心；v 為銑刨機的水平進給速度；O1為銑刨輪旋轉（zhuǎn）一周後的旋轉中心；n為銑刨輪工作（zuò）轉速；L 為（wéi）銑刨輪旋轉一周（zhōu）的水平進給量；H 為銑刨深度。
銑刨作業過程中，隨著刀具銑削轉（zhuǎn）角的（de）變化，刀（dāo）具的實際切（qiē）削厚度不（bú）斷改變，其最大切削厚度 lmax的近似（sì）計算式：
式中：φmax為銑刨厚度最大時對應的銑削轉角；m 為銑刨輪每條截線上（shàng）的刀具個（gè）數。
圖 2 銑刨輪銑削路麵過程
1 .3 切削圖的形成
切（qiē）削圖是理論上假定銑刨輪旋轉（zhuǎn）一周以上而繪製的，它反映銑刨刀具通（tōng）過（guò）最大切削厚度那個截麵時留下的痕跡。銑刨過程中，路麵受到（dào）刀具入侵會（huì）沿刀尖兩（liǎng）側產生崩落效應，各刀具連續（xù）切削形成的崩落線相（xiàng）互疊（dié）加構成（chéng）了（le）切削（xuē）圖，其形狀與銑刨輪螺（luó）旋升角（jiǎo）、截線距、刀具排布模式、路麵材料崩落角、銑刨輪轉速、銑刨（páo）速度和銑刨深度有（yǒu）關。
切削圖斷麵形狀與所獲得廢料顆粒形狀有關，如圖 3所示，圖中陰影部分為可能獲得的顆粒形狀。顆粒過（guò）大會加大機器的振動，影響使用壽命；顆粒過小則會產生粉塵，加劇刀具磨損。
2 、切削圖（tú）數學模型的建立及算法
搭（dā）建切削圖的數學模型，首先要確定最先切入路麵的刀尖位置，根據（jù）刀具側傾角及路麵材料的（de）崩落角分別確定上側崩落線和（hé）下側崩落線的方（fāng）向，其次根據（jù）刀具在銑刨鼓上的相對（duì）安裝位置及銑（xǐ）刨輪轉速（sù）、銑刨深度和進給（gěi）速度計算其餘刀（dāo）尖落在切（qiē）削圖上的位置，最後判斷當前刀尖崩落（luò）線與上層（已經切入路麵的）刀具崩落線的交點，並以此確定崩落線線段長度，如此可完成各（gè）種排布模式的銑刨輪刀具在不同工（gōng）況下的切削（xuē）圖繪製。在切削圖（tú）的研究（jiū）中，通常將銑刨輪沿圓周方向進行展開（kāi），以圖（tú） 1（）所示的三頭畸變 2 排列模式為例，其切削圖的形成過程如圖（tú） 4 所示，算法步（bù）驟為：
（1）計算（suàn）第 i 把刀尖落（luò）在切削圖上的（de）位置：
式中：t 為銑刨輪截線距（jù）；Ni為第 i 把刀具所在截（jié）線的（de）次序；φi為第 i 把刀具（jù）與第一把刀具在銑刨輪圓周方向上的相位差。
式中：R 為銑刨輪的刀尖半徑；β 為（wéi）銑刨輪主銑刀螺（luó）旋線的螺旋升角；Si為（wéi）第 i 把（bǎ）刀具所在螺旋線的次序。
圖3 廢料顆粒形狀與切削圖斷麵的關係
圖 4三頭畸變 2 模式切削（xuē）圖的形成（chéng）
（2）求解第 i 把刀具銑刨路麵形成的下（xià）側崩落（luò）線、上側崩落線方程：
式中（zhōng）：φ 為路麵材料崩落角；θ 為刀具側傾角。
（3）確定第 i 把刀具上側、下側崩落線與（yǔ）上層圖形的交點，其中：
第（dì） i把刀具上側崩落線與已形成的崩落線交點的橫坐標 Xih：
式中（zhōng）：k1、k2分別為下側和（hé）上側崩落線（xiàn）的斜率；Aij為第 i把刀具上側崩落線（xiàn）與第 j 把刀具（jù）所在截（jié）線交點的橫坐標。
第（dì） i把（bǎ）刀具下側崩落線與已形成的崩落線交點的橫坐標 Xil：
式中：Aim為（wéi）第 i 把刀具上側崩落線與第 m 把刀具所在截線交點的橫坐標。
（4）根據切削路麵的先後順序遍曆所有刀（dāo）具，依次完成上述計算。依據上（shàng）述切削圖生成的算法，利用 MATLAB 軟件（jiàn）平台（tái）開發銑刨（páo）輪切削圖繪製程序，其用戶（hù）界麵（miàn）如圖 5 所示
。
通過輸入截線距、螺旋升角、刀尖直徑（jìng）、側傾角、路麵（miàn）材料（liào）崩落角、進給速度、銑刨深（shēn）度、銑刨輪轉速及排列模（mó）式等參數，可以（yǐ）準（zhǔn）確、迅速地得到銑刨輪的切削圖。
圖 5切削圖繪製（zhì）用戶（hù）界麵
3、 切削圖形態分析
以銑刨寬度為 2m 的（de）銑刨輪示例，銑刨輪刀尖圓直徑 1070 mm，截線距 15 mm，螺旋升角 15°，側傾角 10°，銑刨輪轉速 120 r/ min，取路麵材料崩（bēng）落角 54°。根據開發（fā）的切削圖繪製程序（xù），對不同排列模式的銑刨輪銑削路（lù）麵過程進行模擬研究，選取銑刨作業常用工況：銑刨機前進速度為 8 m/ min，銑刨深度為 150 mm。4種（zhǒng）排列模式的切削圖（tú）如圖 6 所示。
根據文獻研究，銑刨機（jī）作業過程中（zhōng）銑刨（páo）路麵形成的廢料大小與銑刨輪切削圖斷麵的形狀有（yǒu）直接關係（xì），表（biǎo）現為切削圖斷麵形狀越“方正”越好，形狀越“狹長”越差（chà）。
圖 6 常用工況下不同（tóng）排列模式的切削圖（tú）
對（duì）比圖 6中 4 種排（pái）列模式（shì）的切削圖斷麵形狀可（kě）以看出，三頭畸變 1 式和三頭畸變 2 式的“方正性”要優於兩（liǎng）頭（tóu）棋盤式和四頭畸（jī）變 2 式，而三頭畸變 1 模式的切削斷麵含有明顯的細長“尾巴”，這會造成作（zuò）業（yè）過程中產生大量碎料（liào）和粉塵，碎料將加重刀具磨損嚴重，粉塵不利於施工環境，故常用工況下最優的排（pái）布模式（shì）為三頭畸變 2。
當銑刨輪銑刨（páo）深度 H 變化時，其他參數固定：n=120r/ min，v= 18 m/ min。三頭畸變 2 模式的切（qiē）削圖變（biàn）化情況如圖（tú） 7 所示（shì）。
圖7 銑（xǐ）刨深度對切削圖的影（yǐng）響
由圖 7可以看（kàn）出，固定其他參數時，在銑刨深度由 20mm 增大到 90 mm 的過程（chéng）中，切削圖斷麵的形（xíng）狀具有越來越“方正”的趨勢，並在深度為 90 mm 時達到最優，但隨著銑刨深度的繼續增大，切削圖開始出（chū）現細長的（de）“尾巴”，銑刨質量下降。銑刨深度較小時（shí），銑刨（páo）輪切削輕快（kuài），廢料顆粒小，產生（shēng）較多的粉塵（chén）；隨著銑刨深度的（de）增加，廢料顆粒變大，且粉塵（chén）量減少，生產率提高；但銑刨深度過大將導致銑削阻力明顯增大，刀具磨損（sǔn）加劇，銑刨機功率不足（zú）等（děng）問題。銑刨作業中，鑒於銑刨機功率有限，應使實際銑（xǐ）刨深（shēn）度接近最優值。當銑刨輪進（jìn）給速度 v 變化時，固定其（qí）他參數：n=120r/ min，H= 80 mm。三頭畸變 2 模式的切削圖隨進給速度變化情況如圖 8 所示。
圖 8進給速度對切削圖的影響
通過圖（tú） 8可知，在其他參數不變時，隨著銑刨機進給速度的增加，其（qí）切削圖斷麵的麵積變大，實際銑刨效率提高，所消耗的銑刨功率增大，切削圖的“方（fāng）正性”變化較快，出現了（le）由“差”變“好”再到“差”的過程（chéng），說明進給速度是切削圖形狀變化的一個敏感因素，故實際銑（xǐ）刨作（zuò）業（yè）中應謹慎選擇（zé）水平前進速（sù）度。
4 、結束語
（1）本文通過研究銑刨輪銑刨路麵過程，建立切（qiē）削圖的數學模型，指出切削圖的形態與銑刨輪刀尖（jiān）直徑、截線距、螺（luó）旋升角、刀具側傾角、路麵材料崩落角、排布模式、銑刨深度和進給速度有關。
（2）在銑刨作業（yè）常用工況下，對比研究兩頭棋盤式、三頭畸變 1 式、三頭畸變 2 式和四頭畸變 2 式的銑刨輪（lún）切削圖形態得出：三頭畸變 2 是較優的排布模式。
（3）通過分析（xī）銑刨深度、進給速度對切削圖的影響（xiǎng）得知：隨（suí）銑刨深度的增（zēng）大，切削圖斷麵的“方正性”穩步上升，在銑刨深度超（chāo）過某一極限值後開始變差；隨銑刨（páo）機進（jìn）
給速度的增大，切削圖形（xíng）狀（zhuàng）的出現了由“差”到“好”再到“差”的變化過程；在滿足銑刨功率的條件下，存（cún）在一組銑刨深度與進給速度的匹配數據，使得切削圖形態最優。
（4）在（zài）銑刨輪的設計中，應結（jié）合銑刨作業要求和常用工況來選取合適的排布模式；銑刨機作業過程中，銑刨深度與進給速度的最佳匹配關係有待進一步研究，以提高（gāo）生產效率，減小刀具磨損。
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