航空結構件用特鋼棒材無心可調式倒棱工藝及其生產線

梁學楷，翟 華，王德彩

（1.浩中機械蚌埠有限公司，安徽 蚌埠230021；2.安徽省冶金精整裝備工程技術研究中心，安徽 蚌埠230021；3.合肥工業大學 航空結構件成形制造與裝備安徽省重點實驗室，安徽 合肥230009）

1 引言

鋼坯快速無心倒棱生產線是對棒材進行精整的專用設備。通過砂輪對棒材端部邊緣進行磨削使其改變圓棒材棱口質量，把工件的棱角切削成一定斜面的加工，避免搬運中工件相互碰撞造成的工件表面的磕碰[1]。

倒棱加工能提高棒材端部美觀度，避免在打捆和運輸過程中產生不必要的擦傷缺陷，同時也為后道工序（如探傷）創造必備條件，最終滿足客戶鍛造或機加工使用對棒材端部的要求[2]。航空結構件專用特殊圓鋼主要為合金鋼，機械性能優于普通型鋼，砂輪磨損消耗較快，已有倒棱機需要多次位置調整[3]，才能保障高質量生產，嚴重影響加工效率[4]。

已有平頭倒棱機的刀盤和刀盤位置在工作時相對固定的缺陷[5]，即通過刀盤旋轉帶動刀盤旋轉對鋼管端面進行加工，對于30mm 以下壁厚的棒材加工穩定性好[6，7]，當加工壁厚超過30mm 的棒材時，由于切削面積增大，導致刀盤加工過程中切削力增大，刀盤振動過大，容易出現打刀、加工面出現波紋狀、加工效率低等問題[8]，產品質量難以達到技術要求[9-11]。除此之外，平頭倒棱機加工范圍小，制約了行業的發展，因此需要在已有平頭倒棱機基礎上，結合航空結構件專用特殊合金鋼棒材倒棱要求，設計專門的高效多工位快速無心倒棱生產線和砂輪倒棱機，進一步提高航空結構件專用特殊合金鋼棒材的倒棱加工質量。

2 多工位連續快速無心倒棱工藝

已有棒材工件外圓無心磨削依靠磨輪、導輪聯合作用，實現工件旋轉。但是航空結構件專用特殊合金鋼棒材倒棱無心磨削過程中，螺旋輥道托輥支撐工件旋轉，斜向驅動工件靠向砂輪，砂輪徑向運動實現進給。倒棱生產中，砂輪需要沿徑向進給磨削棒材邊緣，無法安裝導輪，因此需要設計托輥驅動工件旋轉，如圖1 所示。由于不同批次棒材直徑差異，因此砂輪和棒材中心距是變動的。

根據磨削力F 經驗公式[12-13]：

式中：K——單個切削刃的切削力和未變形切屑橫斷面積間的比例關系，與工件材料有關，kg/mm2；

圖1 杠桿式砂輪倒棱機

n——系數，取值范圍：0.45＜n＜0.6；

A1（n）——系數，0.03＜A1（n）＜0.15；

C1——砂輪靜態切削刃系數；

vw——工件回轉線速度；

vs——砂輪回轉線速度；

a——切削厚度；

De——砂輪當量直徑。

在一定磨削角度下，航空結構件特鋼棒材不同回轉速度會導致砂輪轉速發生變化，切向磨削力也會隨之發生變化。磨削速度的變化對切向磨削力隨著磨削速度的增大切向磨削力減小。不同棒材的線速度下切向磨削力的峰值也會發生變化。磨削速度增大，單位時間內參與磨削的磨粒數量增多，即單位面積內參與打磨的磨粒數量增多，切向磨削力隨著速度的增大而變小。

3 多工位連續快速無心倒棱生產線

3.1 多工位連續快速無心倒棱生產線

圖2 圓鋼快速無心倒棱生產線布置圖

多工位連續快速無心倒棱生產線設計方案如圖2 所示，圓棒材首先通過上料架移動到上料工位；在斜輥輸送機驅動下，移動到擋料工位，實現端部對準；將3 自由度的杠桿式砂輪倒棱機空間位置調節裝置設計、自動上下料系統、圓鋼快速無心倒棱生產線控制技術等多種技術進行集成，設計開發了?100mm～?320mm 航空結構件圓鋼棒材快速無心倒棱生產線。該機包括杠桿式砂輪倒棱機（2 臺）、升降系統、左右移動系統、主動力系統各2 套、液壓設備、電氣設備等組成。總的工藝流程如下：

（1）棒材從倒棱機前道工序的緩沖器逐個送到步進設備的第一工位；

（2）步進設備開始移動，把棒材送到第二工位；

（3）在第二工位，棒材停在前擋塊上；

（4）步進設備開始移動，把棒材送到第三工位；

（5）在第三工位，棒材被特別設計的機械結構旋轉輸送向旋轉的砂輪，當棒材的左端部邊緣在旋轉的砂輪上相對旋轉時，棒材的邊角被倒棱；

（6）步進設備開始移動，把棒材移動到第四工位；

（7）在第四工位，棒材停在前擋塊上；

（8）步進設備開始移動，把棒材送到第五工位；

（9）在第五工位，棒材被特別設計的機械結構旋轉輸送向旋轉的砂輪，當棒材的右端部邊緣在旋轉的砂輪上相對旋轉時，棒材的邊角被倒棱。

自動上下料系統采用液壓推送上料方式，可對棒材進行單支上料，此裝置將上料斜平臺與抖料臂相結合，天車上料時棒材直接放置在固定的上料平臺架上，不產生沖擊，在棒材前移的過程中，棒材在軌道梁上滾動或滑動，均對傳動系統不產生影響；棒材在料臺上平動前進到料臺末端。料臺的末端設有可調節的擋料機構，其目的是對不同規格的棒材進行準確定位，保證撥料板裝置能順利取料；棒材通過撥料板系統逐個被撥到齊頭輥道，上料臺架總承重100kN。

考慮到加工中砂輪磨屑等對環境的影響，專門配備了真空泵除塵裝置、專門收集磨削砂輪加工產生的鐵屑。設置受到振塵裝置，布袋除塵，內設旋風分離裝置，過濾精度0.3μm，過濾效率99%。

電氣控制系統完成包括砂輪機速度控制、轉角控制、位置控制、機組自動化控制、HMI 等。

3.2 杠桿式砂輪倒棱機

圓鋼快速無心倒棱生產線工作過程是：砂輪的位置與被倒棱的圓棒材運動方向成某種角度，角度在一定范圍內可以調節，砂輪由減速電機帶動旋轉，并且可以上下調節，管或棒材邊緣靠緊砂輪，不斷地作旋轉運動，最后達到棒材端部倒棱的目的。

由式（1），影響倒棱質量的砂輪速度和工件速度需要實時調整。現有兩種砂輪倒棱機對棒材進行倒棱：其一是對輥砂輪到棱機；其二是螺旋輥砂輪倒棱機。兩種倒棱機受到棒材的彎曲度和端面質量切斜度影響較大，彎曲度小、端面質量好的棒材，倒棱效果好；彎曲度大、端面凹坑較多的棒材，倒棱效果差。針對已有砂輪機中存在的固定方位和砂輪固定空間位姿的不足，提出了杠桿式砂輪倒棱機，其在生產加工中存在多環節調整機構。如圖1 所示，杠桿式砂輪倒棱機由機架、驅動電機和砂輪、傳動機構、杠桿臂等組成，驅動電機裝在擺臂上，通過傳動機構驅動砂輪，整體安裝在杠桿臂的加工端。杠桿臂的另一端為控制端，設有高度控制機構和壓力控制機構。定位裝置根據棒材直徑的大小將砂輪中心調整至合適高度，由高度控制機構及施壓裝置控制杠桿一側，使砂輪貼在棒材的邊角旋轉，恒定的壓力控制系統經調節后，使砂輪對棒材端部有一個恒定的磨削壓力，緊貼棒材端部。被倒棱的棒材在托輥作用下均勻旋轉，實現各方位均勻倒棱。

杠桿式倒棱機能有效克服棒材的彎曲度和端面質量斜度影響，提高端面倒棱精度，提高生產效率。高度控制機構及施壓裝置針對不同直徑的棒材進行調節，適應不同產品加工需求。施壓裝置既可以平衡砂輪側導致的杠桿不平衡，在被磨削工件上形成有效壓力。

同時，杠桿式砂輪到棱機在左右、上下、前后三維度進行調節，即使棒材直徑或砂輪本體直徑發生變化，砂輪空間位置調整方便，保證棒材的倒棱角度不會發生變化，提高工作質量。

為了實現不同的砂輪角速度，可以將驅動電機設置變頻調速電機，由棒材不同直徑和材質，計算砂輪的線速度，反算出砂輪角速度。

4 實驗驗證

在興澄特鋼建設了多工位無心可調式倒棱生產線，其主要參數如下：

（1） 規格范圍：?100mm～?320mm，直徑公差GB/T702-2008，失圓公差（與直徑公差的比例）GB/T702-2008；

（2）長度范圍：4m～12m；

（3）倒棱速度：傳送系統和輸送機的工作速度：5～45m/min；

（4）最大倒棱能力：120 件/h；

（5）倒棱深度（可調整）：2mm～5mm；

（6）倒棱角度（可調整）：30°～60°；

（7）倒棱質量：倒棱后棒材表面沒有擦傷、壓痕，倒角邊緣無毛刺。

棒材砂輪倒棱機輸送機構目前均采用螺旋進給機構，但螺旋進給機構在大規格棒材生產中存在螺旋輥不同步，造成圓鋼進給速度不均勻，影響倒棱質量的缺點。因此進給機構應用變頻調速技術，匹配棒材進給、橫移、旋轉三個工藝動作，達到設備造價低，工作可靠、維護簡單、提高生產效率的目的，實現了高質量倒棱的連續生產。螺旋輥道旋轉時使圓鋼同時產生三個工藝動作：①前進（沿長度）；②橫移進給（垂直圓鋼軸線）；③棒材自轉，進行倒角磨削。

要保證圓鋼棒材端部實現均勻的連續倒角，沿圓鋼棒材長度上承擔輸送任務的幾個螺旋輥必須保證與圓鋼可靠接觸，即保證輸送圓鋼的幾個螺旋輥起始位置相同。棒材在進給過程中的三個工藝動作（前進、橫移和自轉）相互獨立，實現各個工藝動作單獨調整，可以解決螺旋進給機構中三個工藝動作互相影響的問題，如圖3 所示。

圖3 圓鋼快速無心倒棱加工過程

5 結論

結合航空結構件專用特殊合金鋼棒材倒棱要求，針對已有平頭倒棱機加工范圍小，制約了行業發展等瓶頸問題，在已有平頭倒棱機基礎上，設計專門的高效多工位快速無心倒棱生產線和砂輪倒棱機。該生產線以控制行程和壓力的杠桿式砂輪倒棱機為主要核心設備，具有自動上下料、自動倒棱、真空泵吸塵等功能，可以完成?100mm～?320mm 的特殊圓鋼棒材的高速倒棱工藝，長度最大12m 的冶金圓鋼，最快達到120 件/h。滿足不同直徑冶金棒材零件端面連續高速倒棱工藝，進一步提高航空結構件專用特殊合金鋼棒材的倒棱加工質量。