呂海軍

（廣西柳鋼工程技術(shù)有限公司，廣西 柳州545002）

0 引言

柳鋼熱軋廠為加大品種鋼的開發(fā)，要求要軋制花紋板，但由于公司內(nèi)沒有花紋輥加工設(shè)備，嚴(yán)重制約了該產(chǎn)品的開發(fā)工作，如果購買一臺花紋輥加工機(jī)床需要投資180萬元左右，而且需要一年左右的設(shè)備采購及加工準(zhǔn)備時(shí)間，在時(shí)間上顯然不能滿足生產(chǎn)需求，如能利用公司的閑置設(shè)備進(jìn)行改造后用于加工花紋輥，這將能又快又省地解決這個(gè)問題，因此我們決定成立攻關(guān)小組利用閑置的C84100軋輥車床來進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。

1 花紋輥刻花機(jī)床的描述

1.1 產(chǎn)品對機(jī)床的要求

花紋輥要求在普遍軋輥表面上加工如圖1（花紋布置示意圖）所示花紋：

圖1 花紋布置示意圖

每一排花紋個(gè)數(shù)為60個(gè)，共120排7 200個(gè)花紋，每個(gè)花紋之間間隔的45 mm，每個(gè)花紋的加工深度偏差不超過0.01 mm，兩個(gè)花紋之間偏差不超過0.5 mm。相鄰兩排花紋之間的夾角為90°，加工時(shí)，先將同一方向的花紋加工完，然后將銑刀架轉(zhuǎn)動90°，依次完成另一方向的花紋加工。

為滿足花紋輥的要求，花紋輥刻花機(jī)床要具有如下功能：

（1）花紋輥的旋轉(zhuǎn)；

（2）主軸的分度定位；

（3）刀架的水平縱向運(yùn)動；

（4）刀架的水平橫向運(yùn)動，其中橫向運(yùn)動要分兩步完成：第一步由中拖板完成切削的對刀運(yùn)動，第二步由上拖板完成銑削時(shí)的進(jìn)退刀恒定運(yùn)動；

（5）銑刀的旋轉(zhuǎn)；

（6）銑刀架 90°轉(zhuǎn)動。

1.2 原軋輥車床基本功能分析

原軋輥車床有各種車床所共有的基本功能，但由于加工花紋輥不是用主軸旋轉(zhuǎn)來加工，主軸不旋轉(zhuǎn)，其本來的水平縱向、橫向運(yùn)動就失去動力，我們只能利用原機(jī)床來支承、夾緊、轉(zhuǎn)動軋輥。其余所需的功能，如主軸的分度定位、刀架的水平縱向運(yùn)動、刀架的水平橫向運(yùn)動、銑刀的旋轉(zhuǎn)、銑刀架90°轉(zhuǎn)動等，就得通過必要的機(jī)械及電氣設(shè)計(jì)改造來實(shí)現(xiàn)。

2 機(jī)械改造

2.1 主軸的分度定位

（1）主軸分度定位的實(shí)現(xiàn)：通過增加一分度定位裝置來實(shí)現(xiàn)。如圖2（花紋輥刻花機(jī)床分度定位裝置示意圖）所示：分度定位裝置由分度盤定位裝置、分度盤、分度定位總成和定位支架等組成，分度盤通過四套分度盤定位裝置固定在機(jī)床夾盆上，定位支架固定在床身上，分度定位總成則固定在定位支架上。其中，分度盤的定位問題較為復(fù)雜，如圖3（分度盤定位裝置示意圖）所示，安裝時(shí)，要先用變徑螺桿和M30螺母等將四個(gè)定位套分別校正固定在夾爪盤上，再將分度盤固定在定位套上，這樣就解決了分度盤的安裝精度問題。

圖2 花紋輥刻花機(jī)床分度定位裝置示意圖

圖3 分度盤定位裝置示意圖

（2）主軸分度定位的工作機(jī)理：進(jìn)行主軸分度定位操作時(shí)，先用點(diǎn)動按鈕使主軸轉(zhuǎn)動，使分度盤上的定位孔位置剛好轉(zhuǎn)到分度定位總成的分度定位軸的位置，然后將分度定位軸穿入定位孔完成定位，同時(shí)通過分度定位總成的彈簧張力使分度定位軸保持定位位置，如圖4（分度定位總成示意圖）所示。定位完成后，將整排的花紋加工好，再用同樣的方法完成其它各排花紋的加工。

圖4 分度定位總成示意圖

2.2 銑刀架的橫向及縱向運(yùn)動

如圖5（銑刀架裝配示意圖）所示，將原軋輥車床刀架導(dǎo)軌中拖板以上部分（連同刀架）移除，另設(shè)計(jì)制作適合加工花紋輥的中拖板和上拖板。縱向運(yùn)動由原機(jī)床的大拖板外加一套減速機(jī)構(gòu)及動力驅(qū)動來完成。橫向運(yùn)動分兩步進(jìn)行：1）中拖板經(jīng)絲桿用手動完成切削前的橫向?qū)Φ哆\(yùn)動（因?qū)Φ洞螖?shù)較少，不需要機(jī)動）；2）上拖板外加一套減速機(jī)構(gòu)及動力驅(qū)動來完成切削過程中進(jìn)刀及退刀的恒定運(yùn)動。由于刻花深度誤差要求在0.01 mm內(nèi)，每排刻花60個(gè)，工作程序?yàn)椋簩Φ逗筮M(jìn)行切削—退刀—橫移分格……如此循環(huán)進(jìn)行，直至完成60個(gè)動作為止[1]。因此，進(jìn)退刀一定要保證在怛定的數(shù)值內(nèi)，為保證精度，我們選用滾珠絲桿來達(dá)到目的。

圖5 銑刀架裝配示意圖

2.3 銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動

如圖5（銑刀架裝配示意圖）所示，參照銑床的傳動機(jī)構(gòu)制作一減速箱體，安裝在立柱內(nèi)，立柱為中介，底面與上拖板連接，側(cè)正面與刀架連接，驅(qū)動裝在立柱內(nèi)（也稱主軸箱）。通過減速箱體的輸出軸，可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳送至銑刀架的銑刀軸（刀桿）上，這樣，就使銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動問題得到了解決。至于減速箱體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、齒輪傳動的傳動比、輸出轉(zhuǎn)速等參數(shù)，均按普通銑床的有關(guān)規(guī)范來設(shè)計(jì)，在此不再作進(jìn)一步闡述。

2.4 銑刀架的90°轉(zhuǎn)動

（1）銑刀架的結(jié)構(gòu)：參照普通銑床銑刀架的有關(guān)規(guī)范，設(shè)計(jì)并制作如圖6（銑刀架示意圖）所示的銑刀架。銑刀架由底座、拖板、軸承座、銑刀軸（刀桿）等組成，其中，銑刀軸（刀桿）可隨拖板在底座上移動（對中心用）。

（2）銑刀架的90°轉(zhuǎn)動：如圖6（銑刀架裝配示意圖）所示，當(dāng)銑刀架在初始位置（同水平面的夾角45°）時(shí)，加工如圖1（花紋布置示意圖）所示的第二排、第四排等花紋，當(dāng)同一方向的花紋全部加工完后，將銑刀架逆時(shí)針轉(zhuǎn)動90°，用銷軸定位并緊固后，依次將第一排、第三排等花紋加工好。

圖6 銑刀架示意圖

3 電氣改造

3.1 動力的分配

原機(jī)床的主軸點(diǎn)動利用原有動力拖動，刀架的縱向運(yùn)動由一臺3 kW的異步電機(jī)拖動，刀架的橫向運(yùn)動由另一臺3 kW的異步電機(jī)拖動，刀軸的旋轉(zhuǎn)由一臺2.2 kW的異步電機(jī)拖動。

3.2 P L C選型

花紋輥刻花機(jī)床電氣控制系統(tǒng)中的輸入點(diǎn)有：主軸（刀桿）旋轉(zhuǎn)控制的3個(gè)點(diǎn)；水平主軸箱的橫向和縱向運(yùn)動控制8個(gè)點(diǎn)，銑刀控制2個(gè)點(diǎn)，行程開關(guān)5個(gè)點(diǎn)，變頻器保護(hù)2個(gè)點(diǎn)，電機(jī)過載保護(hù)1個(gè)點(diǎn)。輸出點(diǎn)有：主軸正反旋轉(zhuǎn)接觸器2個(gè)點(diǎn)；水平主軸箱的橫向和縱向運(yùn)動接觸器6個(gè)點(diǎn)，銑刀旋轉(zhuǎn)控制2個(gè)點(diǎn)，電源保護(hù)1個(gè)點(diǎn) ，因此它共需要21個(gè)輸入點(diǎn)，11個(gè)輸出點(diǎn)，我們選用的是歐姆龍的PLC。

3.3 變頻器的選型

由于銑刀的旋轉(zhuǎn)速度要根據(jù)刀型和軋輥硬度進(jìn)行無級調(diào)速，其控制電機(jī)的功率為2.2 kW，我們選用富士FRENIC5000G11G變頻器；同樣水平主軸箱的縱向運(yùn)動控制關(guān)系到每個(gè)花紋的加工深度，它要和銑刀的旋轉(zhuǎn)速度相配合，才能保證工花紋深度的精度，所以也必須采用無級調(diào)速控制，其控制電機(jī)的功率為2.2 kW，所以我們同樣選用富士FRENIC5000-G11G變頻器來控制。

3.4 P L C程序設(shè)計(jì)

花紋輥刻花機(jī)床電氣控制系統(tǒng)可分為：

（1）電源啟動與停止；

（2）主軸正反向點(diǎn)動與停止；

（3）銑刀旋轉(zhuǎn)與停止；

（4）橫向運(yùn)動控制（含快速、左右向常速運(yùn)動）；

（5）縱向運(yùn)動控制；

（6）計(jì)數(shù)。

其中要實(shí)現(xiàn)如下自動加工過程：進(jìn)刀（加工）--退刀—橫移—計(jì)數(shù)--再進(jìn)刀（加工）--退刀—橫移—計(jì)數(shù)……直至加工一排完畢，如圖7（花紋輥刻花機(jī)床電氣控制梯形圖）。

圖7 花紋輥刻花機(jī)床電氣控制梯形圖

機(jī)床上電后，按下右向加工按鈕0.02，PLC輸出點(diǎn)20.01導(dǎo)通，滾刀繼電器得電工作，輸出一個(gè)正向旋轉(zhuǎn)信號給1#變頻器REV端，變頻器按設(shè)定的頻率輸出電壓給滾刀電機(jī)帶動滾刀旋轉(zhuǎn)；同時(shí)PLC輸出點(diǎn)20.02導(dǎo)通，縱向進(jìn)給繼電器得電工作，輸出一個(gè)正向旋轉(zhuǎn)信號給2#變頻器REV端，變頻器按設(shè)定的頻率輸出電壓給縱向電機(jī)帶動水平刀架縱向加工；加工到達(dá)尺寸后，時(shí)間繼電器T000動作，PLC輸出點(diǎn)20.02斷開，縱向進(jìn)給加工停止，同時(shí)PLC輸出點(diǎn)20.03導(dǎo)通，縱向退刀繼電器得電工作，輸出一個(gè)反向旋轉(zhuǎn)信號給2#變頻器FWD端，變頻器按設(shè)定的頻率輸出電壓給縱向電機(jī)帶動水平刀架縱向退刀；退到達(dá)尺寸后，時(shí)間繼電器T001動作，PLC輸出點(diǎn)20.03斷開，縱向退刀停止，PLC輸出點(diǎn)20.04導(dǎo)通，橫移接觸器得電工作，橫移電機(jī)得電后帶動刀架水平移動，同時(shí)給計(jì)數(shù)器CNT000一個(gè)計(jì)數(shù)信號，計(jì)數(shù)器記錄機(jī)床加工了一個(gè)齒，當(dāng)?shù)都芤苿拥轿缓螅瑫r(shí)間繼電器T002動作，PLC輸出點(diǎn)20.03斷開，橫移停止，此時(shí)PLC輸出點(diǎn)20.02又導(dǎo)通，開始下一個(gè)齒的加工，直至計(jì)數(shù)器達(dá)到設(shè)定的數(shù)值時(shí)，計(jì)數(shù)器動作，使整個(gè)自動加工過程結(jié)束。當(dāng)下一個(gè)加工過程開始時(shí)，只要按下右向加工按鈕（0.02）或左向加工按鈕（0.03）就可使計(jì)數(shù)器復(fù)位。

4 結(jié)論

我們只花了兩個(gè)月半時(shí)間就完成了花紋輥加工機(jī)床設(shè)計(jì)改造所需的零部件制作，并且為熱軋廠加工出多個(gè)品種的花紋輥，加工出來的花紋輥比原來從英國帶來的花紋輥效果還好，兩個(gè)齒之間深度誤差不超過0.005 mm，完全達(dá)到或者說超過了原來的設(shè)想，尤其在增加了分度定位裝置后，由于在定位上有了更精確的保障，使加工出來的花紋排列更加整齊，同排花紋之間排列更加統(tǒng)一，每兩排花紋之間的間距誤差更小。所以說經(jīng)過機(jī)械和電氣兩個(gè)方面的改造，閑置的軋輥車床得到了很好地使用，創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。特別是在使用歐姆龍PLC和富士變頻器電氣改造以后，大大優(yōu)化了電路設(shè)計(jì)，減少了硬件配置，簡化了電氣線路，提高了系統(tǒng)的性能，提高了設(shè)備的加工精度和設(shè)備的自動化加工程度，提高了加工效率，保證了加工質(zhì)量，減輕了操作人員的勞動強(qiáng)度。此外，經(jīng)過設(shè)計(jì)改造，節(jié)約了大筆資金，改造費(fèi)用只花了不到二十萬元，而購買新的花紋輥加工機(jī)床需要投資180萬左右，僅此一項(xiàng)就節(jié)省了大約160萬元的設(shè)備投入，同時(shí)，熱軋廠由于我們及時(shí)給其加工出花紋輥，也獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，每年可完成22000噸花紋板的軋制，創(chuàng)產(chǎn)值約1.05億元，為公司增加利潤約為1430萬元。