■ 中鋼集團(tuán)西安重機(jī)有限公司 （陜西 710201） 王愛春

周期冷軋輥是無縫鋼管冷軋機(jī)的重要部件，其制造質(zhì)量對(duì)鋼管的品質(zhì)起著非常關(guān)鍵的作用。由于周期冷軋輥的孔型是較復(fù)雜的變斷面環(huán)狀，加工難度大，本文就其車削加工進(jìn)行實(shí)踐探討。

1.周期冷軋輥孔型的幾何特點(diǎn)

圖1 450軋輥的工作圖

孔型是軋輥圓柱面上的一圈環(huán)槽，周期冷軋輥的孔型為變截面的環(huán)狀，每個(gè)徑向截面都是一段接近半圓的圓弧。以某450軋輥為例（見圖1），孔型沿周長按功能分為五個(gè)部分，AB段是前回轉(zhuǎn)送進(jìn)段，形狀由大變小，起到軋坯導(dǎo)入的作用。BC段是后回轉(zhuǎn)送進(jìn)段，形狀不再變化，起到夾緊送進(jìn)作用。CD段是從BC段進(jìn)入DE段的過渡段之間，孔型尺寸快速由大變小，要光滑過渡。這三段的加工精度要求都不高。DE段是軋制變形段，是整個(gè)軋制過程的關(guān)鍵段，孔型要求最高，孔型斷面圓弧半徑是由大逐漸變小，最后達(dá)到鋼管斷面尺寸。EA段是精整段，要求是尺寸精度高、表面粗糙度低。該段孔型是標(biāo)準(zhǔn)的圓弧環(huán)狀曲面，斷面尺寸是軋輥一周最小的一段，圓弧半徑不變，因此該段加工難度小，易保證。

圖2顯示了孔型截面圓弧半徑Rx與工件轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系。

圖2 截面圓弧半徑Rx隨轉(zhuǎn)角θ變化曲線圖

表1是450軋輥孔型工作段端點(diǎn)數(shù)據(jù)。

表1 450軋輥孔型工作段端點(diǎn)數(shù)據(jù)表

2.周期冷軋輥孔型加工方法

由上述分析可見，周期冷軋輥孔型的加工其實(shí)是一種復(fù)雜的非圓回轉(zhuǎn)曲面加工問題。傳統(tǒng)的加工方法都要利用專用機(jī)床。一種方法是先在車床上按孔型的最小斷面加工出一個(gè)環(huán)槽，再利用專用數(shù)控磨床磨出槽形的其他斷面；另一種方法是在專用數(shù)控鏜床上采用成型刀具加工各斷面處的槽形。這兩種方法都只適用于小型軋輥的小批量加工。

數(shù)控加工技術(shù)普及后，各種孔型都可以利用數(shù)控加工中心加工，加工出的槽形更加準(zhǔn)確，但對(duì)刀具精度和刀具材料的要求高，還同樣存在加工效率低，不適應(yīng)大批量生產(chǎn)要求的缺點(diǎn)。為了提高加工效率，探討采用對(duì)回轉(zhuǎn)面工件較為高效的車削加工方法成為課題。

由于孔型在回轉(zhuǎn)過程中其母線是不斷變化的，因此車削加工只能在數(shù)控機(jī)床上實(shí)現(xiàn)。選擇數(shù)控車床時(shí)，要求其主軸的旋轉(zhuǎn)跟刀架的縱向進(jìn)給和橫向進(jìn)給都要聯(lián)動(dòng)。加工時(shí)先按普通車削方法先加工出最小截面圓弧回轉(zhuǎn)槽，其他截面可以通過數(shù)據(jù)編程控制不斷變化刀具進(jìn)給量進(jìn)行加工。

3.車削加工刀具路徑選擇

如圖3所示（左圖為車削加工圓形回轉(zhuǎn)體，右圖為車削加工非圓形回轉(zhuǎn)體），以車床主軸方向?yàn)閦向，垂直于z向的水平方向?yàn)閤向，垂直于x向和z向?yàn)閥向，建立座標(biāo)系。軋輥轉(zhuǎn)過任一角度θ，對(duì)應(yīng)的都有一個(gè)刀具進(jìn)給平面的位置座標(biāo)（x，z）。加工時(shí)，軋輥繞z軸作高速的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具在進(jìn)給平面內(nèi)作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在加工孔型的最后一道吃刀量時(shí)，一周內(nèi)孔型截面的變化最大，刀具往復(fù)運(yùn)動(dòng)的距離和所需的進(jìn)給電動(dòng)機(jī)功率也最大，因此討論此時(shí)的刀架進(jìn)給路徑。

圖3 車刀與工件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系

一般有兩種路徑。一種路徑是刀具縱向（z向）進(jìn)給為勻速運(yùn)動(dòng)，橫向（x向）進(jìn)給為變速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)工件表面是圓形回轉(zhuǎn)體時(shí)，則刀具在x向靜止（見圖3左）。當(dāng)工件表面是非圓回轉(zhuǎn)體時(shí)，刀具在x向往復(fù)進(jìn)給（見圖3右)。以這種路徑加工孔型時(shí)的刀具軌跡如圖4a。在軋輥轉(zhuǎn)一圈的過程中，由于孔型截面不同，刀具沿x向往復(fù)進(jìn)給，并與z向運(yùn)動(dòng)復(fù)合，形成連續(xù)的垂直于z軸的W形路徑。這種路徑的縱向（z向）進(jìn)給簡單，是關(guān)于時(shí)間的一次函數(shù)z=Z（t）。軋輥轉(zhuǎn)角位置θ是關(guān)于時(shí)間的一次函數(shù)θ=θ（t）?？仔桶霃絉是關(guān)于θ的周期函數(shù)r=R（θ）。橫向進(jìn)給X（x向）不但在每一個(gè)軋輥轉(zhuǎn)角位置θ處不同，還在每一個(gè)z座標(biāo)處不同，因此x是關(guān)于轉(zhuǎn)角θ和縱向位置z的函數(shù)x=X（θ，z），見公式（1）。此數(shù)學(xué)模型建立較為復(fù)雜，計(jì)算也較為繁瑣。

圖4 加工孔型的兩種進(jìn)給路徑

另一種路徑是刀具沿孔型截面圓弧的半徑方向變速進(jìn)給R，在軋輥轉(zhuǎn)一圈的過程中，由于孔型截面不同，刀具沿R向往復(fù)進(jìn)給，形成連續(xù)的沿孔型截面圓周方向分布的W形路徑，加工軌跡如圖4b所示。這種路徑中，刀架不轉(zhuǎn)動(dòng)，但切削點(diǎn)的位置相對(duì)刀架上的參考點(diǎn)做變半徑勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角α是關(guān)于時(shí)間的一次函數(shù)α=A（t）。同上軋輥轉(zhuǎn)角位置θ是關(guān)于時(shí)間的一次函數(shù)θ=θ（t），R是工件轉(zhuǎn)角θ的周期函數(shù)r=R（θ）。x、z是關(guān)于轉(zhuǎn)角α和半徑r的函數(shù)x=X（α，r），z=Z（α，r），見公式（2）。該數(shù)學(xué)模型簡單，仿形精度高，運(yùn)算速度快。利用該數(shù)學(xué)模型編寫數(shù)控加工程序，進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，幾何形狀如圖5所示，與圖樣設(shè)計(jì)完全一致。

圖5 周期冷軋輥加工路徑模型

在實(shí)際加工中，由于是加工凹槽，用兩種路徑都需要從刀庫中更換三種以上的刀具以形成良好的切削角。在第二種路徑中，軋輥每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，刀架所進(jìn)行的最大進(jìn)給運(yùn)動(dòng)距離較小，而且數(shù)學(xué)模型簡單，因此選擇該路徑進(jìn)行數(shù)控加工。

4.車削過程的優(yōu)化

對(duì)第二種進(jìn)給路徑的車削過程進(jìn)行分析和優(yōu)化。

車削過程中工件在高速旋轉(zhuǎn)，工件每轉(zhuǎn)一圈，刀具沿孔型截面圓弧的半徑方向變速往復(fù)進(jìn)給一次，刀架在段與段之間速度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的加速度。為了避免刀架驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率選擇過大，應(yīng)該通過計(jì)算優(yōu)化孔型曲線，在滿足精度要求的情況下，選取最小的加速度。

由于工件轉(zhuǎn)一圈刀架的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)給角度很小，分析時(shí)可認(rèn)為切削作用是在工件的一個(gè)截面上。在加工BC段、EA段軋輥載面時(shí)半徑不變，刀具沒有R向進(jìn)給，刀架進(jìn)給速度和加速度都為零。AB段兩端的進(jìn)給速度都為零。傳統(tǒng)方法將AB段孔型底部設(shè)計(jì)為直線段，則刀具需快速達(dá)到勻速切削的速度，加速度很大，在加工過程中會(huì)引起很大的沖擊振動(dòng)。改進(jìn)設(shè)計(jì)為刀架從A點(diǎn)以零速度開始勻加速，至AB段中間時(shí)速度最大，然后勻減速，至B點(diǎn)時(shí)速度回到零結(jié)束。

仍以加工該450軋輥為例，計(jì)算此過程的加速度。選取切削速度v=50m/min，工件最大回轉(zhuǎn)半徑r0=225mm，可計(jì)算出工件轉(zhuǎn)過每一孔型工作段所需時(shí)間t。則刀具進(jìn)給加速度a=2s/t2，式中s為刀具進(jìn)給距離，即孔型工作段兩端點(diǎn)處工件的回轉(zhuǎn)半徑之差，也即孔型半徑之差（注：此處計(jì)算忽略了孔型圓弧中心相對(duì)于輥縫中心的變化值及輥縫）。

代入數(shù)值，計(jì)算出刀具以最小相同數(shù)值的勻加速和勻減速進(jìn)給加工AB段孔型時(shí)的加速度值為a1=2.44m/s2。由此做出AB段孔型的變化曲線（見圖6），結(jié)果為二次曲線。由于AB段實(shí)際只是管坯送進(jìn)的入口位置，對(duì)形狀要求不高，因此該曲線可滿足功能要求，且符合加工過程中沖擊最小的優(yōu)化要求。圖7為AB段刀具移動(dòng)的速度曲線圖。

同理，計(jì)算出刀具從零進(jìn)給速度加速，經(jīng)過CD段加速，到DE段進(jìn)行勻速加工的加速度。經(jīng)計(jì)算，該加速度為a2=0.068m/s2。因此取AB段加速度進(jìn)行刀架進(jìn)給電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算，最終選取的電動(dòng)機(jī)功率為8.5kW，遠(yuǎn)小于按AB段為直線段時(shí)計(jì)算出的37kW。

5.周期冷軋輥環(huán)狀孔型曲面的數(shù)學(xué)建模及擬合

圖6 優(yōu)化后AB段孔型底部曲線

圖7 AB段刀具移動(dòng)速度曲線

數(shù)控加工時(shí)，對(duì)工件上要加工的部位按曲線方程計(jì)算出有限個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，輸入機(jī)床程序，再按照要求的精度擬合成實(shí)際加工曲線。EA段和BC段都是圓弧曲線，數(shù)學(xué)模型簡單，可直接加工。AB、CD和DE段的曲線較為復(fù)雜，但由于功能不同，精度要求不同，則采用的擬合方式不同。AB、CD段精度要求不高，用二次曲線數(shù)學(xué)公式計(jì)算出一定數(shù)量點(diǎn)坐標(biāo)后，將各點(diǎn)用樣條曲線擬合。DE段是主要工作變形段，精度要求高，用數(shù)學(xué)公式計(jì)算出一定數(shù)量點(diǎn)坐標(biāo)后，用最小二乘擬合法曲線。采用不同的擬合方法，既可滿足要求，又可減少機(jī)床程序運(yùn)算量，盡可能提高工作效率。

為了使各段之間圓滑過渡，可以在段端點(diǎn)附近設(shè)計(jì)適當(dāng)曲率的過渡曲線。但要注意過渡曲線要設(shè)計(jì)在AB、CD這些軋制工藝的過渡段，減少對(duì)BC、DE這些工作段。DE與EA段的過渡段可以設(shè)計(jì)在DE段的A點(diǎn)附近。

6.結(jié)語

用數(shù)控車削方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型周期冷軋輥孔型的高效率加工，需要采取的措施有：

（1）加工孔型采用弧形段面的徑向進(jìn)給路徑，減少運(yùn)算和累積誤差。

（2）對(duì)各段孔型進(jìn)行曲線優(yōu)化，減小刀架運(yùn)動(dòng)沖擊和進(jìn)給電動(dòng)機(jī)功率。

（3）選用合適的曲線擬合方法，提高機(jī)床的工作效率。

此加工方法在實(shí)踐中得到驗(yàn)證，取得了良好的應(yīng)用效果。