□ 王愛春

中鋼集團(tuán)西安重機(jī)有限公司 西安 710201

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)鋼管需求量迅猛增長(zhǎng)，高品質(zhì)、高精度的無(wú)縫冷軋鋼管生產(chǎn)量遠(yuǎn)不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。

周期式冷軋是最常用的無(wú)縫冷軋鋼管制作工藝，主要有兩輥周期式和多輥式兩種，以兩輥周期式應(yīng)用較為廣泛。周期式鋼管冷軋機(jī)主要部件是帶有軋槽的軋輥和芯棒，軋輥因孔型復(fù)雜、制作難度大等原因，限制了冷軋鋼管的發(fā)展。因此，研究周期冷軋輥的加工方法具有重要意義［1］。

1 周期冷軋輥軋槽孔型分析

周期冷軋輥軋槽孔型為變截面環(huán)狀孔型，截面在軋制鋼管時(shí)根據(jù)產(chǎn)品不同尺寸進(jìn)行選擇?？仔桶垂δ芸梢苑譃槲鍌€(gè)部分，如圖1所示。AB段是前回轉(zhuǎn)送進(jìn)段，即入口段，精度要求不高。BC段是毛坯管段，孔型是定值，加工精度要求也不高。CD段是后回轉(zhuǎn)送進(jìn)段，也是BC段與DE段之間的過渡段，對(duì)曲面形狀、精度要求光滑拼接即可。DE段是變形段，孔型截面圓弧半徑由大逐漸變小，是整個(gè)軋制過程的關(guān)鍵段，孔型要求高。EA段是精整段，孔型是標(biāo)準(zhǔn)的圓弧環(huán)狀曲面，要求是形狀精度高、表面粗糙度值低，該段加工難度小，易保證。為了使EA段與AB段圓滑過渡，可以在A點(diǎn)附近設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)那首兓€，然后逐漸過渡到線性變化［2］。由以上分析可見，冷軋輥加工實(shí)質(zhì)是一種非圓回轉(zhuǎn)曲面的復(fù)雜加工。

▲圖1 周期冷軋輥示意圖

2 周期冷軋輥加工方法

2.1 常規(guī)加工方法

周期冷軋輥是在皮爾革輥的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，常用的加工方法有以下幾種。

（1）專用車床加工。每一臺(tái)機(jī)床只能加工幾種孔型的軋輥，適用性差。

（2）專用數(shù)控磨床加工?？仔途雀?，表面粗糙度值低，但效率低，適宜小孔型軋輥的單件小批量加工。

（3）專用數(shù)控鏜床，采用成型刀具加工。刀具生產(chǎn)難度大，成本高。刀具磨損后，磨刃困難，也只能適用于小批小型軋輥的加工。

（4）加工中心加工。刀具形狀精度要求嚴(yán)格，材料要求也較高，加工效率低，難以適應(yīng)軋輥的大批生產(chǎn)制造要求。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

周期冷軋輥的加工方法比普通皮爾格輥復(fù)雜，要求刀具以高于主軸回轉(zhuǎn)頻率的頻率作高頻往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，以形成非圓截面。刀具在加工過程中，切深不斷變化，以形成縱向非線性基線，導(dǎo)致加工很復(fù)雜。因?yàn)榈毒叩母哳l運(yùn)動(dòng)及刀具在整個(gè)加工過程中切深的非線性變化，使刀具在各加工點(diǎn)上具有不同的即時(shí)速度，速度頻繁變化必然會(huì)使機(jī)械本身固有的各種非線性環(huán)節(jié)受到激勵(lì)，使整個(gè)加工過程表現(xiàn)出顯著的非線性動(dòng)態(tài)時(shí)變特性。

由于軋輥的橫截面外廓曲線無(wú)法用簡(jiǎn)單解析式表達(dá)，曲率變化很大，因此加工時(shí)必須使機(jī)床做到主軸回轉(zhuǎn)與刀具移動(dòng)之間的聯(lián)動(dòng)。這需要解決三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題：①主軸每轉(zhuǎn)一個(gè)角度，刀具必有一個(gè)唯一的位置與之對(duì)應(yīng)，即函數(shù)關(guān)系；②進(jìn)給伺服系統(tǒng)要使刀具在對(duì)應(yīng)的時(shí)間到達(dá)對(duì)應(yīng)的位置；③軋輥在相鄰工作段間的過渡要保證光滑平衡［3-4］。

3 機(jī)床改造方案

3.1 改造背景

國(guó)內(nèi)早期生產(chǎn)異型輥時(shí)，靠手工對(duì)樣板生產(chǎn)。后來(lái)用經(jīng)改進(jìn)的液壓仿形機(jī)床加工，但效率低，僅適用于淺孔型軋輥的加工。20世紀(jì)80年代后期，引進(jìn)線切割機(jī)床、CK8480臥式車床和CK5112立式車床等數(shù)控設(shè)備，但隨著多品種多型號(hào)冷軋輥的批量生產(chǎn)任務(wù)增多，標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控設(shè)備已不能滿足工藝生產(chǎn)水平和品種、產(chǎn)量、效率的要求。在已有普通設(shè)備的基礎(chǔ)上，改造出既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的周期冷軋輥專用數(shù)控加工機(jī)床，是解決問題的好方法［5-6］。

3.2 加工工藝方案

車削工藝加工生產(chǎn)率高、刀具簡(jiǎn)單，是一種高效、低成本、可批量生產(chǎn)大型軋輥的加工方法。選擇對(duì)普通車床進(jìn)行數(shù)控改造，解決周期冷軋輥的加工問題。在車削加工時(shí)，可以先加工最小截面圓弧回轉(zhuǎn)環(huán)狀坯輥，再進(jìn)行曲面加工。

3.3 機(jī)床改造前參數(shù)

▲圖2 H0-017車床整體布局

本次改造的是一臺(tái)H0-017車床，整體布局如圖2所示，主要技術(shù)參數(shù)如下：中心高520 mm，床身上工件最大回轉(zhuǎn)直徑1 000 mm，刀架上工件最大回轉(zhuǎn)直徑720 mm，工件最大長(zhǎng)度2 000 mm，工件最大質(zhì)量6 500 kg，中拖板最大行程525 mm，主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)36，主軸轉(zhuǎn)速范圍18～400 r/min，主軸電機(jī)功率30 kW，主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速1 450 r/min。

3.4 改造后車床基本要求

（1）能夠加工周期冷軋輥孔型，保持原機(jī)床制造精度和工件加工精度。

（2）能實(shí)現(xiàn)工件加工的自動(dòng)循環(huán)要求，縮短輔助時(shí)間，提高加工效率。

（3）保持原機(jī)床所具有的加工性能，即具有車削內(nèi)外圓柱面、曲面、端平面、內(nèi)外圓錐面、螺紋等的能力。

（4）允許機(jī)床在同一工作循環(huán)中通過主軸變速，對(duì)工件表面粗糙度要求高的部分采用高速精加工操作。

（5）控制系統(tǒng)可靠，具有一定的先進(jìn)性。

改造后的車床還應(yīng)具備以下功能：控制主軸的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)不同的切削速度；主軸具有準(zhǔn)停控制，能與刀架進(jìn)給實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)；刀架能實(shí)現(xiàn)縱向和橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并具備在換刀點(diǎn)自動(dòng)改變四個(gè)刀位，完成選擇刀具；啟停冷卻泵、潤(rùn)滑泵；加工周期冷軋輥孔型時(shí)，能保證主軸每個(gè)角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，刀架橫縱向進(jìn)給速度和位置準(zhǔn)確［7］。

3.5 具體方案

主軸箱機(jī)械部分在原傳動(dòng)基礎(chǔ)上，改為高速擋和低速擋兩擋變速。主軸電機(jī)改為伺服電機(jī)。拆除原車床的掛輪箱。對(duì)刀架進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控改造。

3.6 主軸箱改造

（1）機(jī)械部分。將主軸箱內(nèi)不需要的齒輪拆掉，僅保留原有的五級(jí)齒輪傳動(dòng)。齒輪變速改為高速擋和低速擋兩擋。在主軸后端安裝編碼器及編碼器支架，并安裝零位開關(guān)及支架。

（2）電氣部分。主軸電機(jī)采用西門子伺服電機(jī)，主軸上安裝有編碼器，可以對(duì)主軸轉(zhuǎn)角進(jìn)行反饋，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)位置進(jìn)行校正。

3.7 刀架改造

周期冷軋輥是復(fù)雜非圓環(huán)狀工件，在車削過程中，不但在縱向截面內(nèi)刀具的角度在變化，在橫向截面內(nèi)刀具的前后角也在不停變化，還會(huì)出現(xiàn)負(fù)前角，使加工過程中切削抗力增大，所以在粗加工時(shí)采用三把不同方向的偏刀，即正反115°刀和45°偏刀進(jìn)行加工，以提高加工效率。刀架必須具有加工過程中自動(dòng)換刀的功能，本方案選用煙臺(tái)機(jī)床附件廠生產(chǎn)的AK21240×4型電動(dòng)刀架。

3.8 進(jìn)給系統(tǒng)改造

將原有機(jī)床的掛輪箱、絲杠、光杠及刀架全部拆除，去掉溜板箱，制作螺母支架固定于大拖板上。在原掛輪箱部位制作電機(jī)支架安裝伺服電機(jī)，溜板的縱向進(jìn)給由固定在掛輪箱部位的伺服電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器與滾珠絲杠聯(lián)結(jié)，再經(jīng)螺母帶動(dòng)溜板實(shí)現(xiàn)。改造后機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)如圖3所示。

▲圖3 改造后進(jìn)給系統(tǒng)

改造后H0-017車床主要參數(shù)變化如下：主軸箱變速擋數(shù)兩擋；主軸轉(zhuǎn)速低速范圍1.5～95 r/min，高速范圍 3～190 r/min；主軸電機(jī)功率 35 kW，轉(zhuǎn)速 0～3 000 r/min；刀架橫縱向進(jìn)給速度0～20 m/min。

改造后的H0-017數(shù)控車床總體布局如圖4所示。

▲圖4 改造后H0-017車床數(shù)控整體布局

3.9 數(shù)控系統(tǒng)選型

本著可靠、滿足功能、經(jīng)濟(jì)、維護(hù)方便的四項(xiàng)原則，筆者選擇了西門子SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)［8］。

（1）可控四個(gè)數(shù)字進(jìn)給軸和一個(gè)數(shù)字或模擬主軸，適用于車削、鉆削、銑削和車銑中心。

（2）支持輪廓編程和參數(shù)化編程。

（3）具有加速度優(yōu)化和補(bǔ)償功能，解決加工輪廓在拐點(diǎn)處由于加速度突變?cè)斐傻臋C(jī)床高頻振動(dòng)問題，實(shí)現(xiàn)恒線速切削。

4 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)是車床數(shù)控改造的關(guān)鍵。進(jìn)給系統(tǒng)必須滿足橫向和縱向兩個(gè)方向聯(lián)動(dòng)的數(shù)控進(jìn)給，并且與主軸轉(zhuǎn)速聯(lián)動(dòng)，即三軸聯(lián)動(dòng)。進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括伺服驅(qū)動(dòng)方式選擇和電機(jī)功率計(jì)算兩部分。

4.1 進(jìn)給系統(tǒng)伺服電機(jī)的選擇

周期冷軋輥加工時(shí)，刀具在整個(gè)加工過程中運(yùn)動(dòng)速度和加速度變化很大，屬于高頻動(dòng)態(tài)切削，因此對(duì)刀架的性能要求是高精度、大行程和一定的頻響，可采用的形式有伺服電機(jī)加滾珠絲杠、電液伺服、壓電陶瓷、電磁鐵、金屬靠模、直線電機(jī)等。結(jié)合周期冷軋輥直徑較大、材料硬度高、受切削速度限制等特點(diǎn)，經(jīng)比較選用了伺服電機(jī)加滾珠絲杠的驅(qū)動(dòng)方式［9］。

4.2 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分析

車刀與工件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖5所示。取主軸中心線為Z軸，垂直于Z軸的水平方向?yàn)閄軸,與X軸、Z軸坐標(biāo)垂直的方向?yàn)閅軸。

▲圖5 車刀與工件間運(yùn)動(dòng)關(guān)系

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是在X軸、Z軸方向運(yùn)動(dòng)，與主軸聯(lián)動(dòng)。主軸作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，在一周內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度為θ，時(shí)間為t，則有：

刀具路徑方向?yàn)棣?，主軸每轉(zhuǎn)一周，即角度2π時(shí)，刀具路徑改變一次方向，則有：

每一個(gè)θ對(duì)應(yīng)的孔型圓半徑R為：

μ（θ）是一個(gè)周期函數(shù)，周期為 2π，即：

式中：n 為整數(shù)。

刀具位置函數(shù)為：

在刀具每一次循環(huán)過程中，α視為定值，則有：

4.3 最大加速度計(jì)算

周期冷軋管的一般尺寸范圍為φ89～φ219，軋輥直徑相應(yīng)為φ450～φ700，在相同的切削線速度下，加工小輥的主軸轉(zhuǎn)速加快，刀架移動(dòng)的頻率增大，移動(dòng)速度、加速度也將提高。在此以φ450軋輥加工為例，坯管為φ108×6，精管為φ89×3.5對(duì)刀架移動(dòng)最大加速度進(jìn)行分析。

φ450軋輥零件如圖6所示。軋輥截面圓弧半徑R隨轉(zhuǎn)角θ變化曲線如圖7所示。

在一個(gè)周期內(nèi)，刀架的位置在段和段是不變化的，即半徑變化為0，移動(dòng)速度為0，加速度也為0。通過計(jì)算刀架在段段和段的移動(dòng)加速度，可知加工段時(shí)，刀具移動(dòng)的加速度最大為aABmax=2.453 m/s2。

4.4 進(jìn)給電機(jī)功率計(jì)算

進(jìn)給電動(dòng)機(jī)功率Nf可按下式計(jì)算：

式中：N1為切削加工消耗的功率，kW；N2為克服摩擦力消耗的功率，kW；N3為克服慣性力所需的功率，kW。

通過計(jì)算，得 N1=0.104 kW，N2=0.442 kW，N3=0.552 kW。將數(shù)值代入式（9），得Nf=1.098 kW。

確定電機(jī)扭矩MG=7.85 N·m。

由于在加工軋輥回轉(zhuǎn)面時(shí)切削量大，需要較大切削功率，因此X軸方向和Z軸方向的電機(jī)均選用8.5 kW、27 N·m、3 000 r/min伺服電機(jī)。

5 結(jié)束語(yǔ)

▲圖6 φ450軋輥零件圖

在軋輥廠按照所述方案對(duì)車床進(jìn)行數(shù)控改造［10-11］，應(yīng)用Unigraphics軟件構(gòu)建周期冷軋輥實(shí)體模型，應(yīng)用Mastercam軟件編制孔型加工工藝程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型周期冷軋輥復(fù)雜截面孔型的數(shù)控加工,具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，可進(jìn)行專業(yè)化批量生產(chǎn)。實(shí)踐證明，這是一次成功的技術(shù)改造，對(duì)相關(guān)行業(yè)具有借鑒意義。

▲圖7 截面圓弧半徑Rx隨轉(zhuǎn)角θ變化曲線圖

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