馬紹華，周前寬，張 昭，鄭國升，石建璋

（甘肅酒鋼集團(tuán)西部重工股份有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

1 概述

花紋鋼板的外觀因美觀大方、防滑效果好，廣泛的應(yīng)用在建筑、工業(yè)、交通行業(yè)中。酒鋼每年生產(chǎn)2萬噸的花紋鋼板。需要加工/修復(fù)花紋軋輥。因沒有專用的加工設(shè)備，長期外委加工，生產(chǎn)成本居高不下。同時(shí)給生產(chǎn)、質(zhì)量管理帶來諸多風(fēng)險(xiǎn)。

2017年酒鋼西部重工與碳鋼薄板廠成立項(xiàng)目攻關(guān)組，在分析現(xiàn)有車、銑床改造案例的利弊，結(jié)合目前車銑復(fù)合加工技術(shù)的特點(diǎn)，提出在現(xiàn)有的數(shù)控車床改造成車銑復(fù)合功能的一體機(jī)，從滿足加工所需的功能進(jìn)行分析、改造，保證設(shè)備安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。

1 需要解決問題

國內(nèi)目前普遍使用的扁豆型花紋鋼板（GBT3277—91），國標(biāo)花紋結(jié)構(gòu)圖及花紋軋輥實(shí)物如圖1、圖2所示：

圖1 花紋結(jié)構(gòu)圖

圖2 花紋軋輥實(shí)物圖

要實(shí)現(xiàn)在軋輥圓周表面上加工出交錯排列（夾角互為90°）的扁豆花紋，需要對軋輥圓周方向的準(zhǔn)確分度定位，刀具沿45°傾角銑削，可以前后、左右的移動，才能完成花紋孔型的標(biāo)準(zhǔn)加工。從數(shù)控加工原理上分析，是一個(gè)四軸聯(lián)動工作方式。即機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動及分度功能（A軸）；銑刀臺的縱、橫向移動功能（X、Z軸）；銑刀旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動（U軸）。

目前數(shù)控車床操作系統(tǒng)普遍為西門子802C（D）， 具備控制 3～4 個(gè)線性軸和一個(gè)主軸的功能［1］，滿足改造的要求。數(shù)控車床自身只有兩軸（X、Z）功能，還要增加兩個(gè)軸（A、U）。綜合考慮改造成本，以及數(shù)控系統(tǒng)的兼容性，可靠性。本著經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的原則，關(guān)鍵點(diǎn)整體思路：分度A軸必須配備；銑刀旋轉(zhuǎn)的U軸可以單獨(dú)設(shè)置獨(dú)立控制電路；銑刀架設(shè)計(jì)可以左右擺動±50°的結(jié)構(gòu)。車床其他方面維持不動。

2 改造具體方案

2.1 增加伺服主軸，實(shí)現(xiàn)主軸分度功能

在主傳動部分配置伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)，同時(shí)在輸出軸上增加編碼器反饋信號裝置實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，來保證準(zhǔn)確分度。伺服電機(jī)合理地安裝在機(jī)床傳動側(cè)，在伺服主電機(jī)側(cè)和主軸輸入軸各安裝一只一定比值的同步帶輪，通過多楔帶進(jìn)行傳動，電機(jī)側(cè)的帶輪可以通過電磁離合器實(shí)現(xiàn)離合，以便車削加工時(shí)伺服電機(jī)脫離工作。主軸A安裝傳動系統(tǒng)如圖3所示：

圖3 主軸A安裝傳動系統(tǒng)圖

2.2 增加立式銑頭機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)花紋銑削功能

在不改變原有數(shù)控軋輥車床刀架結(jié)構(gòu)的前提下，另外增加一個(gè)立式銑削傳動裝置［2］，與原有的刀架裝置具有互換性。車削時(shí)使用刀架體，銑削時(shí)將車床刀架體整體拆卸下來換上銑頭體，通過定位銷來定位，即可實(shí)現(xiàn)銑削軋輥花紋功能。立式銑削結(jié)構(gòu)只需裝夾一只刀桿，在刀桿上裝上飛刀即可實(shí)現(xiàn)花紋銑削。

加工花紋有45°的斜角，因此銑頭設(shè)計(jì)一個(gè)扇形齒條和一個(gè)傳動齒輪軸，用手動控制角度。具體結(jié)構(gòu)如圖4立式銑頭傳動系統(tǒng)示意圖。

圖4 立式銑頭傳動系統(tǒng)示意圖

2.3 系統(tǒng)升級及電氣控制線路改造

原西門子系統(tǒng)配置為二軸，為了實(shí)現(xiàn)改造后的銑削功能，需將系統(tǒng)軟件配置升級為三軸系統(tǒng)，同時(shí)硬件增加伺服主電機(jī)、伺服電源模塊、伺服電機(jī)模塊、電抗器、主軸編碼器。銑刀主軸單獨(dú)設(shè)置控制電路，由2.2kW的變頻電機(jī)直接驅(qū)動.變頻器使主軸轉(zhuǎn)速在100～2000rpm范圍內(nèi)做無級調(diào)速［3］。

3 分度誤差原因分析及改進(jìn)措施

試運(yùn)行中，暴露出圓周分度偏差及工作中抖動的兩個(gè)問題。加工接連出現(xiàn)廢品，綜合分析，主要問題在于機(jī)床傳動系統(tǒng)有間隙，有兩方面原因：

1）機(jī)床傳動軸之間的間隙，正常機(jī)床主軸啟動、停止、正反轉(zhuǎn)均會產(chǎn)生慣性，使設(shè)備在短時(shí)間之內(nèi)無法迅速停機(jī)。長時(shí)間工作，使得齒輪、軸之間的磨損日益增大，影響分度精度。

2）花紋軋輥材質(zhì)為無限冷硬鑄鐵，輥身硬度為HSD75—80，屬于超硬材料，加工時(shí)又是間斷性成型銑削，切削力大，抖動嚴(yán)重。

3）安裝A軸同步皮帶產(chǎn)生間隙，伺服主電機(jī)和機(jī)床主軸通過多楔帶進(jìn)行連接，工作狀態(tài)中，皮帶始終處在一個(gè)方向運(yùn)轉(zhuǎn)，沒有間隙產(chǎn)生。當(dāng)停機(jī)時(shí)，電磁離合器脫離嚙合，皮帶輪處在自由狀態(tài)，被主軸的慣性帶動出現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動。因皮帶有彈性，難以回復(fù)原位。數(shù)控系統(tǒng)分度出現(xiàn)誤差。

針對這兩個(gè)問題，采取三個(gè)改進(jìn)措施：

1）先期的花紋軋輥加工采用的圓周加工方式，即在圓周母線上按等分逐一加工出3784個(gè)扁豆肋，A軸分度3784次。要求機(jī)床的圓周分度精度十分準(zhǔn)確。關(guān)鍵點(diǎn)在于減少分度次數(shù)。我們采取縱向加工法，只分度88次，縱向間距由Z軸的滾動絲杠、絲母控制。減少分度誤差。

2）為了確保機(jī)床穩(wěn)定性，消除主軸的抖動，設(shè)計(jì)/安裝主軸鎖緊機(jī)構(gòu)。即在切削加工時(shí)主軸處在鎖緊狀態(tài)，分度時(shí)，同步處在放松狀態(tài)。過程由機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)同步控制。改造方案如下：在機(jī)床主軸頭部安裝一個(gè)鎖緊圓盤［4］（為了增大摩擦力，在圓端面進(jìn)行滾花處理），上部連接液壓夾鉗制動器（安裝在床頭箱上）?？刂品绞脚c主軸液壓系統(tǒng)共用[5]。工作原理是：當(dāng)油壓缸接收到鎖緊指令時(shí)，儲油缸中的液壓油從供油管進(jìn)入油壓缸中，油壓缸向前運(yùn)動，在壓力作用下左右卡鉗產(chǎn)生相對運(yùn)動，鉗口夾緊圓盤，使主軸處于靜止?fàn)顟B(tài)[5]。當(dāng)油壓缸接收到松開指令時(shí)，油壓缸向后前運(yùn)動，使鎖緊卡鉗中的液壓油從供油管退回到儲油缸中，失去壓力作用的左右卡鉗產(chǎn)生反向運(yùn)動，鉗口松開，圓盤處在自由狀態(tài)，主軸正常旋轉(zhuǎn)/分度不受影響。圖5為主軸液壓夾緊示意圖：

圖5 主軸液壓夾緊示意圖

3）通過程序控制及線路改動，保證機(jī)床整體在斷停狀態(tài)下，A軸上的電磁離合器始終是嚙合狀態(tài)，皮帶處在工作狀態(tài)，無法產(chǎn)生間隙。

改造后整體效果圖如圖6、圖7所示。

圖6 主軸改造實(shí)物圖

圖7 銑頭改造實(shí)物圖

4 結(jié)論

改造后的機(jī)床保留車床全部功能，增加的銑削功能實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動和閉環(huán)控制，加工扁豆形花紋槽，產(chǎn)品符合GB/T3277-91國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)多頭、大導(dǎo)程螺旋槽工件的加工，加工范圍擴(kuò)大700×6000mm，提高設(shè)備利用率。其次，操作方便、快捷，車床刀臺與銑頭共用一個(gè)基準(zhǔn)臺面，安裝尺寸具有互換性，拆卸方便?；謴?fù)車削功能，只要脫開分度同步皮帶即可，做到車/銑互不干涉、互不影響。

改造設(shè)備不要拘泥于思維的框架，在準(zhǔn)確工藝分析后，利用現(xiàn)有設(shè)備的能力，結(jié)合工作的經(jīng)驗(yàn)及理論指導(dǎo)，進(jìn)行大膽的嘗試，起到經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的效果，這點(diǎn)對制造企業(yè)尤為適用。經(jīng)過不斷的完善，兩年來設(shè)備運(yùn)行安全、可靠。全部費(fèi)用投入不到30萬元，僅為專用設(shè)備（120萬）的四分之一。按每年生產(chǎn)2萬噸生產(chǎn)量計(jì)算，為酒鋼碳鋼薄板廠創(chuàng)產(chǎn)值約1億元，創(chuàng)造利潤1千萬元。