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(shù)研究中心，安徽 蚌埠230021；3.合肥工業(yè)大學 航空結(jié)構(gòu)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(chǎn)線是對棒材進行精整的專用設(shè)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(zhì)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(chǎn)生不必要的擦傷缺陷，同時也為后道工序（如探傷）創(chuàng)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(jié)構(gòu)件專用特殊圓鋼主要為合金鋼，機械性能優(yōu)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(diào)整[3]，才能保障高質(zhì)量生產(chǎn)，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(zhuǎn)帶動刀盤旋轉(zhuǎn)對鋼管端面進行加工，對于30mm 以下壁厚的棒材加工穩(wěn)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(xiàn)打刀、加工面出現(xiàn)波紋狀、加工效率低等問題[8]，產(chǎn)品質(zhì)量難以達到技術(shù)要求[9-11]。除此之外，平頭倒棱機加工范圍小，制約了行業(yè)的發(fā)展，因此需要在已有平頭倒棱機基礎(chǔ)上，結(jié)合航空結(jié)構(gòu)件專用特殊合金鋼棒材倒棱要求，設(shè)計專門的高效多工位快速無心倒棱生產(chǎn)線和砂輪倒棱機，進一步提高航空結(jié)構(gòu)件專用特殊合金鋼棒材的倒棱加工質(zhì)量。

2 多工位連續(xù)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(lián)合作用，實現(xiàn)工件旋轉(zhuǎn)。但是航空結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)，斜向驅(qū)動工件靠向砂輪，砂輪徑向運動實現(xiàn)進給。倒棱生產(chǎn)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(shè)計托輥驅(qū)動工件旋轉(zhuǎn)，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(jù)磨削力F 經(jīng)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(guān)系，與工件材料有關(guān)，kg/mm2；

圖1 杠桿式砂輪倒棱機

n——系數(shù)，取值范圍：0.45＜n＜0.6；

A1（n）——系數(shù)，0.03＜A1（n）＜0.15；

C1——砂輪靜態(tài)切削刃系數(shù)；

vw——工件回轉(zhuǎn)線速度；

vs——砂輪回轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)件特鋼棒材不同回轉(zhuǎn)速度會導致砂輪轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，切向磨削力也會隨之發(fā)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(fā)生變化。磨削速度增大，單位時間內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)量增多，即單位面積內(nèi)參與打磨的磨粒數(shù)量增多，切向磨削力隨著速度的增大而變小。

3 多工位連續(xù)快速無心倒棱生產(chǎn)線

3.1 多工位連續(xù)快速無心倒棱生產(chǎn)線

圖2 圓鋼快速無心倒棱生產(chǎn)線布置圖

多工位連續(xù)快速無心倒棱生產(chǎn)線設(shè)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(qū)動下，移動到擋料工位，實現(xiàn)端部對準；將3 自由度的杠桿式砂輪倒棱機空間位置調(diào)節(jié)裝置設(shè)計、自動上下料系統(tǒng)、圓鋼快速無心倒棱生產(chǎn)線控制技術(shù)等多種技術(shù)進行集成，設(shè)計開發(fā)了?100mm～?320mm 航空結(jié)構(gòu)件圓鋼棒材快速無心倒棱生產(chǎn)線。該機包括杠桿式砂輪倒棱機（2 臺）、升降系統(tǒng)、左右移動系統(tǒng)、主動力系統(tǒng)各2 套、液壓設(shè)備、電氣設(shè)備等組成?？偟墓に嚵鞒倘缦拢?/p>

（1）棒材從倒棱機前道工序的緩沖器逐個送到步進設(shè)備的第一工位；

（2）步進設(shè)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(shè)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(shè)計的機械結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)輸送向旋轉(zhuǎn)的砂輪，當棒材的左端部邊緣在旋轉(zhuǎn)的砂輪上相對旋轉(zhuǎn)時，棒材的邊角被倒棱；

（6）步進設(shè)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(shè)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(shè)計的機械結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)輸送向旋轉(zhuǎn)的砂輪，當棒材的右端部邊緣在旋轉(zhuǎn)的砂輪上相對旋轉(zhuǎn)時，棒材的邊角被倒棱。

自動上下料系統(tǒng)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(jié)合，天車上料時棒材直接放置在固定的上料平臺架上，不產(chǎn)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(tǒng)不產(chǎn)生影響；棒材在料臺上平動前進到料臺末端。料臺的末端設(shè)有可調(diào)節(jié)的擋料機構(gòu)，其目的是對不同規(guī)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(tǒng)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(huán)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(chǎn)生的鐵屑。設(shè)置受到振塵裝置，布袋除塵，內(nèi)設(shè)旋風分離裝置，過濾精度0.3μm，過濾效率99%。

電氣控制系統(tǒng)完成包括砂輪機速度控制、轉(zhuǎn)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(chǎn)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(nèi)可以調(diào)節(jié)，砂輪由減速電機帶動旋轉(zhuǎn)，并且可以上下調(diào)節(jié)，管或棒材邊緣靠緊砂輪，不斷地作旋轉(zhuǎn)運動，最后達到棒材端部倒棱的目的。

由式（1），影響倒棱質(zhì)量的砂輪速度和工件速度需要實時調(diào)整。現(xiàn)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(zhì)量切斜度影響較大，彎曲度小、端面質(zhì)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(chǎn)加工中存在多環(huán)節(jié)調(diào)整機構(gòu)。如圖1 所示，杠桿式砂輪倒棱機由機架、驅(qū)動電機和砂輪、傳動機構(gòu)、杠桿臂等組成，驅(qū)動電機裝在擺臂上，通過傳動機構(gòu)驅(qū)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(shè)有高度控制機構(gòu)和壓力控制機構(gòu)。定位裝置根據(jù)棒材直徑的大小將砂輪中心調(diào)整至合適高度，由高度控制機構(gòu)及施壓裝置控制杠桿一側(cè)，使砂輪貼在棒材的邊角旋轉(zhuǎn)，恒定的壓力控制系統(tǒng)經(jīng)調(diào)節(jié)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(zhuǎn)，實現(xiàn)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(zhì)量斜度影響，提高端面倒棱精度，提高生產(chǎn)效率。高度控制機構(gòu)及施壓裝置針對不同直徑的棒材進行調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同產(chǎn)品加工需求。施壓裝置既可以平衡砂輪側(cè)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(diào)節(jié)，即使棒材直徑或砂輪本體直徑發(fā)生變化，砂輪空間位置調(diào)整方便，保證棒材的倒棱角度不會發(fā)生變化，提高工作質(zhì)量。

為了實現(xiàn)不同的砂輪角速度，可以將驅(qū)動電機設(shè)置變頻調(diào)速電機，由棒材不同直徑和材質(zhì)，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(shè)了多工位無心可調(diào)式倒棱生產(chǎn)線，其主要參數(shù)如下：

（1） 規(guī)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(tǒng)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(diào)整）：2mm～5mm；

（6）倒棱角度（可調(diào)整）：30°～60°；

（7）倒棱質(zhì)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(gòu)目前均采用螺旋進給機構(gòu)，但螺旋進給機構(gòu)在大規(guī)格棒材生產(chǎn)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(zhì)量的缺點。因此進給機構(gòu)應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，匹配棒材進給、橫移、旋轉(zhuǎn)三個工藝動作，達到設(shè)備造價低，工作可靠、維護簡單、提高生產(chǎn)效率的目的，實現(xiàn)了高質(zhì)量倒棱的連續(xù)生產(chǎn)。螺旋輥道旋轉(zhuǎn)時使圓鋼同時產(chǎn)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(zhuǎn)，進行倒角磨削。

要保證圓鋼棒材端部實現(xiàn)均勻的連續(xù)倒角，沿圓鋼棒材長度上承擔輸送任務(wù)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(zhuǎn)）相互獨立，實現(xiàn)各個工藝動作單獨調(diào)整，可以解決螺旋進給機構(gòu)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(jié)論

結(jié)合航空結(jié)構(gòu)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(yè)發(fā)展等瓶頸問題，在已有平頭倒棱機基礎(chǔ)上，設(shè)計專門的高效多工位快速無心倒棱生產(chǎn)線和砂輪倒棱機。該生產(chǎn)線以控制行程和壓力的杠桿式砂輪倒棱機為主要核心設(shè)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(xù)高速倒棱工藝，進一步提高航空結(jié)構(gòu)件專用特殊合金鋼棒材的倒棱加工質(zhì)量。