D56K250大型精密冷輾環(huán)機(jī)

劉岷，劉金川

(洛陽(yáng)國(guó)華軸承機(jī)械有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003)

精密冷輾技術(shù)在軸承行業(yè)應(yīng)用日益廣泛，領(lǐng)域逐步擴(kuò)大。最新研制成功的D56K250精密冷輾環(huán)機(jī)是目前國(guó)內(nèi)最大規(guī)格的冷輾環(huán)機(jī)，其加工范圍也超過(guò)了國(guó)外的大型機(jī)。D56K250冷輾環(huán)機(jī)投入應(yīng)用后，使冷輾工件最大外徑由200 mm增加到260 mm，最大工件質(zhì)量由3 kg增加到6.5 kg，大幅度擴(kuò)大了冷輾工藝在軸承套圈加工中的應(yīng)用范圍。

1 結(jié)構(gòu)及其技術(shù)特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

D56K250型冷輾環(huán)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，主要參數(shù)如表1所示。采用預(yù)應(yīng)力的框架式機(jī)架作為承力構(gòu)件，輾壓輥與芯輥水平布置，輾壓輥部件緊固在機(jī)架的墻板上，芯輥部件搭載在主滑塊上，由低阻尼油缸加載。托輥位于機(jī)架的下部，其位置控制由伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。工作時(shí)，冷輾毛坯由機(jī)械手置入由輾壓輥和芯輥形成的工作區(qū)內(nèi)，輾壓輥為主動(dòng)軸，帶動(dòng)毛坯旋轉(zhuǎn)，主油缸實(shí)施工作進(jìn)給對(duì)毛坯進(jìn)行加載，毛坯帶動(dòng)芯輥被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)毛坯的輾壓。隨著主油缸的持續(xù)進(jìn)給，芯輥逐步趨近輾壓輥，使得毛坯壁厚減薄、外徑擴(kuò)大，逐步成形至達(dá)到目標(biāo)尺寸。在整個(gè)輾擴(kuò)過(guò)程中，托輥與主滑塊的進(jìn)給實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，保持冷輾件的中心處于適當(dāng)位置，保證了輾擴(kuò)姿態(tài)的穩(wěn)定。

1—托輥伺服控制裝置；2—機(jī)架；3—輾壓輥；4—托輥；5—芯輥； 6—主滑塊；7—工件；8—主油缸；9—冷卻液站

表1 D56K250的主要參數(shù)

1.2 液壓進(jìn)給控制系統(tǒng)

進(jìn)給系統(tǒng)要求具有在大載荷下的持續(xù)微進(jìn)給能力，且變速范圍要大，典型工作速度為0.02～1.5 mm/s，最大要求為15 mm/s 。中小型冷輾環(huán)機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)普遍采用伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，加工零件單重為50～2 000 g，可實(shí)現(xiàn)最大300 kN的輾壓力[1]。但大型冷輾機(jī)加工件質(zhì)量較大，最大可達(dá)8 000 g，所需輾壓力成倍提高，使用滾珠絲杠已經(jīng)難以承受，故D56K250采用了油缸直接驅(qū)動(dòng)的液壓進(jìn)給形式。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，輾壓力較大，缺點(diǎn)是低速性能較差，且受油溫影響較大。由于本機(jī)采用了高響應(yīng)比例閥調(diào)速，用光柵尺對(duì)主滑塊位置反饋并測(cè)出實(shí)際速度，繼而對(duì)比例閥功率放大器的輸出進(jìn)行修正，可實(shí)現(xiàn)速度的精確控制。圖2為主滑塊速度控制框圖。

圖2 主滑塊速度控制框圖

為避免主滑塊出現(xiàn)低速爬行，主油缸采用了聚四氟乙烯材質(zhì)的低阻尼密封圈，并應(yīng)提高油缸的加工精度，主滑塊導(dǎo)軌采用預(yù)載荷十字交叉滾柱導(dǎo)軌等。經(jīng)實(shí)測(cè)，D56K250冷輾環(huán)機(jī)的最小可控持續(xù)微進(jìn)給速度為0.02 mm/s，完全滿足大型冷輾件的加工需要。

1.3 可編程隨動(dòng)托輥與輾擴(kuò)過(guò)程聯(lián)動(dòng)

大型工件冷輾變形量大，且變形過(guò)程復(fù)雜，當(dāng)輾擴(kuò)中出現(xiàn)“失圓”時(shí)，套圈在工作區(qū)振幅很大，通常用的液壓反作用力形式的托輥在這種狀態(tài)下容易產(chǎn)生自激振動(dòng)，導(dǎo)致輾擴(kuò)過(guò)程惡化，產(chǎn)品精度變差，已不適用。D56K250采用了伺服控制的隨動(dòng)托輥，伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)托輥擺動(dòng)，通過(guò)程序控制與滑塊進(jìn)給實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輾擴(kuò)過(guò)程中全程位置控制，可使套圈在冷輾過(guò)程中始終保持恒定的中心高，極大地提高了冷輾過(guò)程的穩(wěn)定性，有利于圓度和尺寸控制。

1.4 節(jié)能設(shè)計(jì)

(1)冷輾環(huán)機(jī)能耗最大的是拖動(dòng)輾壓輥的主電動(dòng)機(jī)。由于工件質(zhì)量大，輾壓力很大，要求輾壓輥有足夠的功率輸出，每個(gè)工件冷輾過(guò)程約30～45 s，輾壓輥電動(dòng)機(jī)輸出功率的峰值為持續(xù)2～3 s的短暫平臺(tái)，在此前、后階段所需的功率均大幅度下降，采用普通三相異步電動(dòng)機(jī)時(shí)必須按照最大峰值功率選取電動(dòng)機(jī)容量，這樣大部分工作時(shí)間功率因數(shù)較低，電能浪費(fèi)較大。D56K250冷輾機(jī)采用了主軸交流伺服電動(dòng)機(jī)，其具有2.8倍高峰值力矩特性，具有強(qiáng)勁的加速力矩和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，可減少主電動(dòng)機(jī)容量30%以上。同時(shí)可方便地實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)及測(cè)速功能。

(2)低能耗油路設(shè)計(jì)。針對(duì)D56K250在工作時(shí)液壓系統(tǒng)高壓小流量、低壓大流量的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了高、低壓泵并聯(lián)的液壓油路，大幅度減少了能耗，并減小液壓系統(tǒng)溫升。

通過(guò)以上措施，D56K250冷輾環(huán)機(jī)的總用電功率不到50 kW。

2 適用范圍

2.1 適用產(chǎn)品類型

D56K250可用于加工各種類型對(duì)稱結(jié)構(gòu)的軸承套圈，如深溝球軸承、調(diào)心滾子軸承、調(diào)心球軸承、圓柱滾子軸承的內(nèi)、外圈以及外球面軸承、關(guān)節(jié)軸承及雙列圓錐滾子軸承外圈等，也可用于冷輾加工其他類似形狀的碳鋼、合金鋼、不銹鋼或有色金屬環(huán)形零件。

2.2 主要工藝類型

D56K250可以采用精輾、粗輾和溫輾等多種工藝類型。

2.2.1 精輾

對(duì)鍛造的毛坯進(jìn)行切削加工，達(dá)到一定幾何精度和質(zhì)量誤差范圍后可進(jìn)行冷輾擴(kuò)，輾成品可達(dá)到與車工件相當(dāng)?shù)募夹g(shù)要求，但密封槽、止動(dòng)槽等需補(bǔ)充加工，還要在淬火前去除兩個(gè)端面余量。精輾的尺寸、形狀精度靠冷輾環(huán)機(jī)保證，工序較少，節(jié)材和減少工時(shí)較為明顯。 以22228/01為例(圖3)，其車工件所用鍛件下料質(zhì)量為7 400 g，采用冷輾工藝時(shí)，毛坯下料質(zhì)量?jī)H為6 550 g，每件節(jié)約材料達(dá)850 g，同時(shí)減少車工工時(shí)約40%，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 22228/01 冷輾毛坯與成品圖

2.2.2 粗輾

待輾毛坯為鍛件狀態(tài)，經(jīng)噴丸去除毛刺與飛邊后進(jìn)行冷輾擴(kuò)，工件口徑擴(kuò)大，壁厚減薄，截面形狀大體接近成品，各面均有加工余量，再通過(guò)切削加工獲得成品。粗輾是一種效率很高的加工方式，由于成品套圈精度由冷輾后的機(jī)加工保證，因此冷輾的要求較低，輾擴(kuò)成本較低。粗輾也是一種精密輾擴(kuò)，僅指毛坯較“粗”。D56K250具有獨(dú)立的機(jī)外潤(rùn)滑站，可對(duì)冷輾油進(jìn)行粗、精過(guò)濾，從而避免了粗輾工件的氧化皮、鐵銹等對(duì)冷輾油的污染，并改善冷輾環(huán)機(jī)工作環(huán)境。

2.2.3 溫輾

隨著冷輾工件質(zhì)量的增大，所需輾壓力迅速提高，采用溫輾擴(kuò)可以顯著降低輾壓力，并有利于輾壓復(fù)雜形狀的環(huán)件。在輾擴(kuò)一些有色金屬時(shí)，加熱后可提高金屬塑性，使一些在常溫下難以冷輾的環(huán)件得以輾擴(kuò)成形。D56K250實(shí)行溫輾時(shí)，可使用水基石墨作為潤(rùn)滑液對(duì)模具進(jìn)行降溫。

3 結(jié)束語(yǔ)

D56K250是迄今國(guó)產(chǎn)冷輾環(huán)機(jī)中控制水平較高的機(jī)型，其研制過(guò)程解決了一系列難題，取得了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，完成的多項(xiàng)技術(shù)成果如：伺服控制隨動(dòng)托輥、交流伺服電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)輾壓輥的節(jié)能設(shè)計(jì)及機(jī)床熱變形的控制技術(shù)等，這些技術(shù)都正逐步在D56K系列冷輾環(huán)機(jī)的其他型號(hào)中得以推廣應(yīng)用，將有力地推動(dòng)國(guó)產(chǎn)冷輾裝備的發(fā)展。

隨著對(duì)更多型號(hào)的大型軸承套圈冷輾工藝的不斷開發(fā)，經(jīng)驗(yàn)的逐步積累，將更加有助于大型機(jī)的不斷完善，對(duì)未來(lái)開發(fā)加工尺寸段300 mm以上乃至400 mm、工件質(zhì)量達(dá)20 kg的重型冷輾環(huán)機(jī)奠定基礎(chǔ)。