軋輥環(huán)孔型曲面數(shù)控磨床的研發(fā)

繆飛軍 沈瑩吉 俞鋮斌 繆仕良

(浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，浙江 寧波315211)

隨著國內(nèi)冷軋管行業(yè)的迅速發(fā)展，與冷軋管機(jī)相配套的軋輥需求量也不斷增加。而國內(nèi)能生產(chǎn)“軋輥環(huán)孔型曲面專用磨床”的企業(yè)還極少。目前主要有兩類:一類企業(yè)生產(chǎn)的數(shù)控專用磨床，是采用內(nèi)圓磨方式，一對軋輥同時磨削，精度較高，但缺點是內(nèi)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(jī)床結(jié)構(gòu)龐大，價格高;另一類生產(chǎn)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(shù)控的，且局部結(jié)構(gòu)不夠合理，傳動不夠到位，往往導(dǎo)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(jīng)局部數(shù)控化改造，也只能達(dá)到開環(huán)控制，精度無法提高，產(chǎn)品總的檔次較低。還有一些小廠是在舊外圓磨床上進(jìn)行局部改造或同時數(shù)控化后，得到的專用磨床只能滿足自用，不能進(jìn)行批量生產(chǎn)打入市場。所以目前的孔型專用磨床在規(guī)格、產(chǎn)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(chǎn)同類高精度數(shù)控專用磨床，如德國研制的五軸聯(lián)動式數(shù)控軋輥環(huán)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(nèi)中小企業(yè)的推廣應(yīng)用。而軋輥制造已逐漸向?qū)I(yè)的成批大量生產(chǎn)發(fā)展，為了提高生產(chǎn)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(fā)國產(chǎn)化的軋輥環(huán)狀孔型加工的數(shù)控專用磨床。本文將重點闡述“環(huán)孔型曲面數(shù)控磨床”機(jī)械部分的研發(fā)方案與設(shè)計過程。

1 軋輥零件加工要求

與二輥式冷軋管機(jī)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(dá)58～62HRC。軋輥除了環(huán)狀孔型工作曲面外，其余是由內(nèi)外圓柱面、兩端面和鍵槽等常規(guī)表面所組成的，這些表面均可在普通機(jī)床上，采用車、磨和銑等工序來完成。軋輥加工的關(guān)鍵表面是“環(huán)狀孔型工作曲面”，其加工精度為IT6～I(xiàn)T7，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(jī)床上無法進(jìn)行精加工，故必須研發(fā)數(shù)控專用磨床，以完成軋輥環(huán)狀孔型工作曲面在淬火前后的粗磨與精磨加工。

2 軋輥環(huán)狀孔型曲面的建模

根據(jù)軋輥孔型的形狀特征，整個孔型區(qū)可劃分為3個區(qū)域:回轉(zhuǎn)送進(jìn)區(qū)(ab段)、軋制變形區(qū)(bc段)和均整定徑區(qū)(cd段)，見圖1所示。

回轉(zhuǎn)送進(jìn)區(qū)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(qū)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(qū)包括減徑段和壁厚壓下段，孔型設(shè)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(qū)共分為8段9點，把該區(qū)環(huán)孔型設(shè)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(qū)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(zhuǎn)送進(jìn)區(qū)和均整定徑區(qū)分別是大小兩段半圓柱孔型。而對軋制變形區(qū)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(xiàn)曲線間的平滑連接，這樣便生成了光滑的環(huán)狀孔型工作曲面。所以軋制變形區(qū)是形狀最復(fù)雜、受力最大的工作表面，也是軋輥孔型加工的重點和關(guān)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(shù)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(qū)來說已徑完成了粗磨前的加工工序;

在自動對焦系統(tǒng)上，E-M1 II的紙面數(shù)據(jù)更優(yōu)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(tǒng)。而G9仍在使用225區(qū)的反差對焦系統(tǒng)，盡管如此，基于松下獨有的DFD技術(shù)的自動對焦系統(tǒng)，表現(xiàn)異常迅速。

第二步:組合一對軋輥，在臥式鏜床上，借助于回轉(zhuǎn)分度式專用夾具對稱裝夾后，分別對回轉(zhuǎn)送進(jìn)區(qū)和軋制變形區(qū)，采用擴(kuò)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(zhuǎn)送進(jìn)區(qū)的孔型尺寸和表面粗糙度達(dá)到圖紙要求，并使軋制變形區(qū)中的磨削余量達(dá)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(qū)和均整定徑區(qū)。

3 孔型曲面數(shù)控加工原理分析

針對軋制變形區(qū)和均整定徑區(qū)的孔型，經(jīng)以上分析可得其數(shù)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(shù)R0的整圈半圓柱面;再卸下修整器，將軋輥以內(nèi)孔與端面組合定位，裝夾在軋輥回轉(zhuǎn)進(jìn)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(shù))的半圓型，在砂輪高速旋轉(zhuǎn)的同時，還必須使砂輪半圓頭的圓心O1，沿著以O(shè)為圓心，以R=Ri-RO(RO＜Ri)為半徑的半圓軌跡內(nèi)，作來回進(jìn)給運(yùn)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(nèi)必須有兩軸(X、Y)聯(lián)動的功能。

為了磨成整條孔型段，軋輥還需緩慢的間歇回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(轉(zhuǎn)軸n)，即O1點沿半徑為R的半圓軌跡內(nèi)來回進(jìn)給1至2次后，軋輥需間歇回轉(zhuǎn)一個微小的轉(zhuǎn)角θ，Ri逐漸增大，所以O(shè)1點軌跡半徑R也要隨之增大。數(shù)控編程時，選半圓磨削截面圓心O為坐標(biāo)原點，在水平面內(nèi)建立X—Y直角坐標(biāo)系，并與軋輥轉(zhuǎn)軸n組成三軸聯(lián)動。半圓軌跡滿足曲線方程:圓X2+Y2(Ri-RO)2，參數(shù)Ri、θ及每次來回重復(fù)進(jìn)給次數(shù)等，均可根據(jù)孔型設(shè)計尺寸、加工精度要求等，通過編程進(jìn)行確定和調(diào)整。

由于均整定徑區(qū)的起始點c至回轉(zhuǎn)送進(jìn)過渡區(qū)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(qū)cd。在加工此段半圓柱孔型時，軋輥可采用連續(xù)快速的回轉(zhuǎn)進(jìn)給，以提高該半圓柱段孔型的加工效率和表面質(zhì)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(qū))，一般可通過鉗工的人工拋光來解決。

4 傳動方案和技術(shù)參數(shù)確定

首先確定該專用磨床采用外磨式還是內(nèi)磨式?通過對國內(nèi)外同類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能和效率等方面的比較可知，采用外圓磨削方式，機(jī)床剛性好、加工效率和質(zhì)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(lián)動，采用西門子閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)，冷卻裝置采用大流量、帶磁性分離器和紙質(zhì)過濾的冷卻液箱。能實現(xiàn)環(huán)狀孔型數(shù)控加工工藝參數(shù)的智能選擇和模擬加工，并簡化各種規(guī)格孔型加工的數(shù)控編程。

最后設(shè)置球面砂輪修整器，以修整器座的內(nèi)孔和端面定位，固定在軋輥回轉(zhuǎn)進(jìn)給箱的輸出軸上靜止不動，砂輪座在X—Y水平面上，通過數(shù)控二維編程作半徑為RO的半圓弧軌跡運(yùn)動，砂輪高速旋轉(zhuǎn)經(jīng)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(dāng)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(shù)參數(shù)見表1所示。

5 磨床機(jī)械結(jié)構(gòu)和總體布局

為了簡化設(shè)計和機(jī)床結(jié)構(gòu)，降低產(chǎn)品制造成本，提高機(jī)床的剛度和實用性，結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用了“模塊化”設(shè)計方法，即對組成機(jī)床的零部件盡可能采用較多的標(biāo)準(zhǔn)模塊(標(biāo)準(zhǔn)件和外購件)，盡量減少自制零部件，有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量，使其更加成熟。

表1 磨床的主要技術(shù)參數(shù)

如作為關(guān)鍵部件的磨頭箱傳動裝置，為了保證質(zhì)量，直接選用了由專業(yè)廠家生產(chǎn)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(jī)、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌、冷卻潤滑站等重要零部件均選用標(biāo)準(zhǔn)外購件;還有絲杠、導(dǎo)軌等的防護(hù)罩也選用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)床附件。通過對機(jī)床結(jié)構(gòu)的合理布局與設(shè)計，最終得出了磨床總體結(jié)構(gòu)布局圖，如圖4所示。

6 磨床主要部件設(shè)計

6.1 回轉(zhuǎn)進(jìn)給箱部件

軋輥回轉(zhuǎn)進(jìn)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(jī)構(gòu)，用軸向壓簧錯齒調(diào)整法，消除其傳動間隙，以便實現(xiàn)微小進(jìn)給，并提高回轉(zhuǎn)進(jìn)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(jié)構(gòu)，省去了V帶傳動，外購精密磨床主軸單元，采用彈性聯(lián)軸器使磨頭主軸與電機(jī)直接聯(lián)接，使傳動結(jié)構(gòu)更加緊湊。具體如圖6所示。

7 結(jié)語

經(jīng)專家和相關(guān)企業(yè)對設(shè)計圖紙的共同評審，一致認(rèn)為該數(shù)控專用磨床結(jié)構(gòu)合理，傳動簡單，操作方便，成本較低，性價比高，完全達(dá)到設(shè)計要求。且最大加工直徑、產(chǎn)品價格、實用性(性價比)及機(jī)床剛度、加工效率和加工質(zhì)量等性能指標(biāo)，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，某些指標(biāo)填補(bǔ)了國內(nèi)空白。該設(shè)備即將在某廠作為技術(shù)攻關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行試制和應(yīng)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(jī)床打下了良好基礎(chǔ)。

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