軋輥環孔型曲面數控磨床的研發

繆飛軍 沈瑩吉 俞鋮斌 繆仕良

(浙江紡織服裝職業技術學院機電學院，浙江 寧波315211)

隨著國內冷軋管行業的迅速發展，與冷軋管機相配套的軋輥需求量也不斷增加。而國內能生產“軋輥環孔型曲面專用磨床”的企業還極少。目前主要有兩類:一類企業生產的數控專用磨床，是采用內圓磨方式，一對軋輥同時磨削，精度較高，但缺點是內圓磨頭砂輪軸剛性差，只能采用較小的磨削用量，所以加工效率低，且機床結構龐大，價格高;另一類生產的是普通專用磨床，是采用單個軋輥的外圓磨方式，加工效率較高，但屬于非數控的，且局部結構不夠合理，傳動不夠到位，往往導致磨削表面不充分和不連貫，且無法采用水溶液(即干磨)，故磨削精度較低，后經局部數控化改造，也只能達到開環控制，精度無法提高，產品總的檔次較低。還有一些小廠是在舊外圓磨床上進行局部改造或同時數控化后，得到的專用磨床只能滿足自用，不能進行批量生產打入市場。所以目前的孔型專用磨床在規格、產量、性能、效率和精度上都難以滿足軋輥加工的需求。

國外只有德、美等國能生產同類高精度數控專用磨床，如德國研制的五軸聯動式數控軋輥環狀孔型曲面磨床，但價格昂貴，每臺售價都在人民幣1 500萬元以上，這樣就限制了在國內中小企業的推廣應用。而軋輥制造已逐漸向專業的成批大量生產發展，為了提高生產率和加工精度，降低制造成本，不斷滿足市場的需求，必須及時研發國產化的軋輥環狀孔型加工的數控專用磨床。本文將重點闡述“環孔型曲面數控磨床”機械部分的研發方案與設計過程。

1 軋輥零件加工要求

與二輥式冷軋管機相配套的軋制工具主要是軋輥和芯棒，其材料一般為軸承鋼GCr15，工作表面須淬火，硬度達58～62HRC。軋輥除了環狀孔型工作曲面外，其余是由內外圓柱面、兩端面和鍵槽等常規表面所組成的，這些表面均可在普通機床上，采用車、磨和銑等工序來完成。軋輥加工的關鍵表面是“環狀孔型工作曲面”，其加工精度為IT6～IT7，表面粗糙度Ra為0.4～0.8μm，要求孔型圓度小于0.05 mm。它在通用機床上無法進行精加工，故必須研發數控專用磨床，以完成軋輥環狀孔型工作曲面在淬火前后的粗磨與精磨加工。

2 軋輥環狀孔型曲面的建模

根據軋輥孔型的形狀特征，整個孔型區可劃分為3個區域:回轉送進區(ab段)、軋制變形區(bc段)和均整定徑區(cd段)，見圖1所示。

回轉送進區的展開圖是一段半圓柱段，此段孔型直徑比管坯外徑大1～3 mm，精度較低。

軋制變形區是指孔型工作部分的開始處直至均整定徑段開始處為止，中間用平滑曲線逐漸過渡，其起始點具有最大半徑，其值等于管坯的半徑，終點處具有最小半徑，其值等于成品管半徑。軋制變形區包括減徑段和壁厚壓下段，孔型設計時一般將壁厚壓下段等分為7段，再加一段減徑段，這樣軋制變形區共分為8段9點，把該區環孔型設計成展開脊部呈八段接近光滑曲線的折線段孔型，見圖2所示。

軋輥均整定徑區的孔型脊部，展開是一段呈半圓柱形的孔型，其半徑等于成品管半徑。

綜上所述，3段孔型的特征是:回轉送進區和均整定徑區分別是大小兩段半圓柱孔型。而對軋制變形區來說，由該段孔型展開圖可知，孔型軸向交線是一條接近圓錐母線的曲線，而與孔型中心軸線垂直的任一剖面均為半徑逐漸增大的半圓。相鄰半圓實現曲線間的平滑連接，這樣便生成了光滑的環狀孔型工作曲面。所以軋制變形區是形狀最復雜、受力最大的工作表面，也是軋輥孔型加工的重點和關鍵。

軋輥孔型粗磨前的加工工藝是:

第一步:按成品管半徑減去磨削余量為半徑R，用數控車床在軋輥圓周上車削成整圈半徑為R的半圓柱形孔型，則對均整定徑區來說已徑完成了粗磨前的加工工序;

在自動對焦系統上，E-M1 II的紙面數據更優秀，它使用了集成121個十字型焦平面相位對焦點的混合對焦系統。而G9仍在使用225區的反差對焦系統，盡管如此，基于松下獨有的DFD技術的自動對焦系統，表現異常迅速。

第二步:組合一對軋輥，在臥式鏜床上，借助于回轉分度式專用夾具對稱裝夾后，分別對回轉送進區和軋制變形區，采用擴鉆和鏜削方式，通過逐級分段、多次加工成型;

第三步:通過鉗工對折線孔型段交接處的凸出部位，采用修磨和修銼等方法，使折線段孔型逐漸過渡，接近光滑為止，使回轉送進區的孔型尺寸和表面粗糙度達到圖紙要求，并使軋制變形區中的磨削余量達到基本均勻。

所以軋輥孔型的精加工(粗磨→精磨→拋光)對象主要是軋制變形區和均整定徑區。

3 孔型曲面數控加工原理分析

針對軋制變形區和均整定徑區的孔型，經以上分析可得其數控磨削加工原理圖，如圖3所示。

先利用“球面砂輪修整器”，把外圓砂輪的圓周面打磨成半徑為砂輪寬度一半之常數R0的整圈半圓柱面;再卸下修整器，將軋輥以內孔與端面組合定位，裝夾在軋輥回轉進給箱的輸出軸上。為了把孔型的每個截面磨削成半徑為Ri(是逐漸增大的變數)的半圓型，在砂輪高速旋轉的同時，還必須使砂輪半圓頭的圓心O1，沿著以O為圓心，以R=Ri-RO(RO＜Ri)為半徑的半圓軌跡內，作來回進給運動，圓心O剛好位于軋輥的外圓周面上，這樣對于軌跡點O1，在水平面內必須有兩軸(X、Y)聯動的功能。

為了磨成整條孔型段，軋輥還需緩慢的間歇回轉進給運動(轉軸n)，即O1點沿半徑為R的半圓軌跡內來回進給1至2次后，軋輥需間歇回轉一個微小的轉角θ，Ri逐漸增大，所以O1點軌跡半徑R也要隨之增大。數控編程時，選半圓磨削截面圓心O為坐標原點，在水平面內建立X—Y直角坐標系，并與軋輥轉軸n組成三軸聯動。半圓軌跡滿足曲線方程:圓X2+Y2(Ri-RO)2，參數Ri、θ及每次來回重復進給次數等，均可根據孔型設計尺寸、加工精度要求等，通過編程進行確定和調整。

由于均整定徑區的起始點c至回轉送進過渡區的交接點為止，是一段半徑等于成品管半徑(定值)的半圓柱孔型，且包含了均整定徑區cd。在加工此段半圓柱孔型時，軋輥可采用連續快速的回轉進給，以提高該半圓柱段孔型的加工效率和表面質量。同時還可通過編程，使軋輥孔型的磨削加工與開口倒角均能先后在該磨床上自動完成，到此就完成了軋輥孔型的精加工(粗磨→精磨)工序。至于對軋輥孔型工作曲面的拋光(主要針對軋制變形區)，一般可通過鉗工的人工拋光來解決。

4 傳動方案和技術參數確定

首先確定該專用磨床采用外磨式還是內磨式?通過對國內外同類產品的結構、性能和效率等方面的比較可知，采用外圓磨削方式，機床剛性好、加工效率和質量均較高，所以最終確定為外圓式磨床。

其次是磨床必須三軸聯動，采用西門子閉環控制數控系統，冷卻裝置采用大流量、帶磁性分離器和紙質過濾的冷卻液箱。能實現環狀孔型數控加工工藝參數的智能選擇和模擬加工，并簡化各種規格孔型加工的數控編程。

最后設置球面砂輪修整器，以修整器座的內孔和端面定位，固定在軋輥回轉進給箱的輸出軸上靜止不動，砂輪座在X—Y水平面上，通過數控二維編程作半徑為RO的半圓弧軌跡運動，砂輪高速旋轉經打磨得到半徑為RO的整圈球面磨削砂輪。這種砂輪修整方法相當于“就地加工法”，從而提高了磨床的加工精度。磨床的主要技術參數見表1所示。

5 磨床機械結構和總體布局

為了簡化設計和機床結構，降低產品制造成本，提高機床的剛度和實用性，結構設計時采用了“模塊化”設計方法，即對組成機床的零部件盡可能采用較多的標準模塊(標準件和外購件)，盡量減少自制零部件，有利于保證產品質量，使其更加成熟。

表1 磨床的主要技術參數

如作為關鍵部件的磨頭箱傳動裝置，為了保證質量，直接選用了由專業廠家生產的精密磨床主軸單元，作為外圓砂輪磨頭軸組件;伺服電動機、滾珠絲杠、直線導軌、冷卻潤滑站等重要零部件均選用標準外購件;還有絲杠、導軌等的防護罩也選用標準的機床附件。通過對機床結構的合理布局與設計，最終得出了磨床總體結構布局圖，如圖4所示。

6 磨床主要部件設計

6.1 回轉進給箱部件

軋輥回轉進給箱部件是一個具有大傳動比的消隙減速箱，采用斜齒輪機構，用軸向壓簧錯齒調整法，消除其傳動間隙，以便實現微小進給，并提高回轉進給的精度與靈敏度，具體如圖5所示。

6.2 磨頭箱傳動裝置

該裝置為簡化結構，省去了V帶傳動，外購精密磨床主軸單元，采用彈性聯軸器使磨頭主軸與電機直接聯接，使傳動結構更加緊湊。具體如圖6所示。

7 結語

經專家和相關企業對設計圖紙的共同評審，一致認為該數控專用磨床結構合理，傳動簡單，操作方便，成本較低，性價比高，完全達到設計要求。且最大加工直徑、產品價格、實用性(性價比)及機床剛度、加工效率和加工質量等性能指標，處于國內領先水平，某些指標填補了國內空白。該設備即將在某廠作為技術攻關產品進行試制和應用，然后再批量投向市場，從而為市場提供高效高精度低成本的軋輥孔型加工機床打下了良好基礎。

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