R參數(shù)在加工支承輥中心孔上的應(yīng)用

葉 靚 李 雷

(①四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽 618000;②中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川德陽 618000)

支承輥是軋機(jī)中的關(guān)鍵部件，主要用于承受軋機(jī)工作輥、中間輥的軋制負(fù)荷。由于軋制壓力反復(fù)作用于支承輥和工作輥上，因此制作支承輥的材料要有較高的耐磨性和抗剝落性。

圖1所示是3500軋機(jī)支承輥零件簡圖，該支承輥屬于特大型軸類零件，長7 010 mm，最大直徑1 700 mm，精度要求高，各段外圓的同軸度要求為0.025 mm，兩軸肩端面與基準(zhǔn)A－B的垂直度要求為0.02 mm，各外圓的圓柱度為0.025 mm，尺寸精度最高為IT7，表面粗糙度Ra0.8 μm。再加之該零件毛坯重約130 t，加工完成后零件凈重約85 t，加工難度很大。因此，在加工過程中對支承輥兩端的中心孔要求極高，中心孔的精度高低將直接決定零件的最終加工精度。所以，前期工件中心孔的加工就顯得尤為重要。兩端中心孔型號為90°A40，錐孔大端尺寸為φ220 mm，中心孔表面粗糙度為Ra0.8 μm，該中心孔斜面較長(約113 mm)，合理選擇機(jī)床、刀具和加工方法，是保證中心孔加工精度的關(guān)鍵所在。

大型軸類零件中心孔的傳統(tǒng)加工方法是采用在普通鏜床上，用V型塊定位，壓板壓緊的方式按圖2所示順序完成加工。首先選擇適當(dāng)?shù)你@頭加工出圖2a所示底孔，再根據(jù)中心孔大徑尺寸及角度將孔鏜成圖2b所示臺(tái)階錐孔，最后再用與中心孔同規(guī)格的鉆片完成加工。這種加工方法的關(guān)鍵是第三步，將刀具制作成和中心孔錐面一樣的寬刃刀片，在鏜床轉(zhuǎn)速較低的情況下將錐面加工成型。這種加工方法由于刀具刃口長，和錐面的接觸面積較大，容易產(chǎn)生振動(dòng)，難以保證錐面的表面粗糙度要求，只能靠低轉(zhuǎn)速、小切深、小進(jìn)給加工，故生產(chǎn)效率低下，難以發(fā)揮機(jī)床的最大加工效率，在生產(chǎn)任務(wù)緊的情況下，保證不了產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度，影響整套軋機(jī)的生產(chǎn)裝配，同時(shí)也造成了人力、物力和設(shè)備資源的浪費(fèi)。

隨著用戶對產(chǎn)品質(zhì)量和交貨期的要求越來越高，傳統(tǒng)的加工工藝越來越難以適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)需求，對支承輥的工藝改進(jìn)已經(jīng)勢在必行。考慮到生產(chǎn)單位常年要完成各型軋機(jī)支承輥的加工，生產(chǎn)任務(wù)非常緊張，所以最大限度地發(fā)揮機(jī)床的加工能力，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)要保證不同類型支承輥的加工質(zhì)量，成為工藝改進(jìn)和優(yōu)化的指導(dǎo)思想。通過對機(jī)床SIEMENS 840D系統(tǒng)的深入研究，利用系統(tǒng)的R參數(shù)編程，可以將支承輥中心孔這一工序進(jìn)行程序固化，只需要根據(jù)支承輥中心孔的形狀和尺寸大小，改變R參數(shù)編程中的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值，就能適應(yīng)不同種類支承輥的加工要求。通過實(shí)際的生產(chǎn)驗(yàn)證，選用一些加工效率高的數(shù)控專用刀具，提高機(jī)床的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，大幅度提高了加工效率，保證了產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度和產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)省了人力、物力，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 工藝方案制定

1.1 機(jī)床的選擇

由于工件質(zhì)量較重，不能直接將工件放在機(jī)床的工作臺(tái)上，而是利用大型、可調(diào)整的V型塊放在地上，再將工件放在V型塊上找平、找正后，用壓板壓緊。所以，根據(jù)工廠現(xiàn)有的設(shè)備資源和工件中心孔的大小，選擇TK6913B落地銑鏜加工中心作為加工支承輥中心孔的機(jī)床。該機(jī)床配置SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)，滑座X軸行程為4 000 mm，主軸箱垂直Y軸行程為3 000 mm，滑枕Z軸行程為700 mm，主軸W軸行程為700 mm，轉(zhuǎn)速范圍為10～1 500 r/min。該機(jī)床精度高、剛性好，滿足支承輥中心孔的加工條件。

1.2 刀具的選擇

3500型軋機(jī)支承輥材料為40CrMoV，該合金結(jié)構(gòu)鋼是一種耐熱鋼類型的材料，由于加入了合金元素釩V，淬透性和高溫強(qiáng)度都較好，具有良好的抗疲勞強(qiáng)度、耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度。由于40CrMoV在切削時(shí)溫度高，單位切削力大，切削力主要集中在刀具刃口附近，易造成崩刃或打刀，并且所加工面為錐面，傳統(tǒng)加工方法難以保證支承輥中心孔的加工要求。

數(shù)控加工中常用的玉米銑刀是一種高效率的加工刀具，它的切削刃是由許多切削單元組成，切削刃鋒利，能夠有效減小切削阻力，而且可以實(shí)現(xiàn)高速切削，達(dá)到了以銑代磨的效果，能夠極大地提高工件的加工效率和表面質(zhì)量，有較長的使用壽命。在工藝改進(jìn)的同時(shí)，對刀具的選用也作了深入的分析，結(jié)合加工材料、選用的機(jī)床和加工要求，選擇了如圖3所示的C6－R217.69－050－007－18.2SAN強(qiáng)力旋風(fēng)玉米銑刀進(jìn)行加工，該銑刀的直徑為φ50 mm，刀具強(qiáng)度高、剛性好，最大吃刀深度可達(dá)77 mm，選用型號為 XOEX 180608FR－E10 F40M的山高刀片，該刀片的最高線速度可達(dá)885 m/min，既可進(jìn)行粗加工，也適合精加工，能滿足支承輥中心孔的加工要求。

1.3刀具走刀路線的制定

走刀路線是指數(shù)控加工過程中(刀位點(diǎn))相對于被加工工件的運(yùn)動(dòng)軌跡。設(shè)計(jì)好走刀路線是編制合理加工程序的條件之一。確定走刀路線的原則是［2］:

(1)保證被加工工件的精度和表面質(zhì)量。

(2)盡量縮短走刀路線，減少刀具的空行程，提高生產(chǎn)率。

(3)應(yīng)使數(shù)值計(jì)算簡單，程序段少，以減少編程工作量。

根據(jù)中心孔的要求，在采用數(shù)控加工前，必須用φ60 mm的鉆頭加工底孔，深度達(dá)到中心孔的最終深度要求，如圖2a所示，并按圖2b所示的方法進(jìn)行粗加工。在設(shè)計(jì)孔加工的走刀路線時(shí)，最好采用螺旋線走刀進(jìn)行加工，如圖4所示。采用螺旋線走刀方式銑孔時(shí)由主軸的“自轉(zhuǎn)”和主軸繞孔中心的“公轉(zhuǎn)”兩個(gè)運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成，這種特殊的運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定了螺旋銑孔的優(yōu)勢。首先，螺旋銑孔具有切削過程平穩(wěn)、刀具承受切削力小和一次加工即可滿足精度要求的優(yōu)點(diǎn)，刀具中心的軌跡是螺旋線而非直線，即刀具中心不再與所加工孔的中心重合，屬偏心加工過程。只需一把刀具就可以加工出不同直徑、高質(zhì)量的孔，既減少了換刀時(shí)間，提高了工作效率，同時(shí)也減少了刀庫刀具的數(shù)量和種類，降低了加工成本。其次，螺旋銑孔過程是斷續(xù)銑削過程，有利于刀具的散熱，從而降低了因溫度升高而造成刀具磨損的風(fēng)險(xiǎn)，可有效延長刀具的使用壽命［3］。

2 程序的編制

2.1 R參數(shù)編程簡介

R參數(shù)編程是西門子系統(tǒng)提供的一種先進(jìn)的編程方法，它是使用參數(shù)變量來代替程序中的功能代碼或地址值而編寫的加工程序。SINUMERIK840D數(shù)控系統(tǒng)在地址R下為用戶提供了一種名為“算數(shù)參數(shù)”的100個(gè)用戶專用的變量，范圍從R00到R99。R參數(shù)是控制系統(tǒng)區(qū)分的3種變量類型之一，它們是專門的、預(yù)定義的、類型為實(shí)型數(shù)據(jù)的全局公共變量，此種變量專門供用戶隨意支配。

R參數(shù)編程的實(shí)質(zhì)，就是用變量R編寫出邏輯計(jì)算公式，并根據(jù)R數(shù)值的條件，多次調(diào)用子程序，以簡化編程，并使得程序簡明精煉，計(jì)算精確無誤。在加工程序中，巧妙地運(yùn)用R參數(shù)能使我們的程序做的簡潔而實(shí)用。編制這種程序，首先要確定參數(shù)變量，然后根據(jù)加工要求編制邏輯計(jì)算程序，最后確定參數(shù)值和初始狀態(tài)，將編好的程序輸入數(shù)控機(jī)床即可運(yùn)行。在加工過程中可根據(jù)不同零件的特點(diǎn)和加工需求來設(shè)定加工參數(shù)，從而控制零件的加工精度［4］。

2.2 支承輥中心孔R(shí)參數(shù)編程

2.2.1 R參數(shù)程序編寫格式

(1)R參數(shù)賦值及計(jì)算 SINUMERIK840D數(shù)控系統(tǒng)中一共有250個(gè)計(jì)算參數(shù)可供使用，其中R0到R99可由用戶自由使用，R100到R249用來系統(tǒng)傳遞加工循環(huán)參數(shù)，如果在程序中沒有用到加工循環(huán)，則這部分參數(shù)也可以自由使用。通過給其他NC地址分配計(jì)算參數(shù)或參數(shù)表達(dá)式，可以增加NC程序的通用性?？梢酝ㄟ^數(shù)值、算數(shù)表達(dá)式或R參數(shù)對任意NC地址賦值，但對地址N、G和L列外。賦值時(shí)在地址符之后寫入符號“=”，賦值語句也可以賦負(fù)號，給坐標(biāo)地址賦值時(shí)，要求有一獨(dú)立的程序段。在計(jì)算參數(shù)時(shí)遵循通常的數(shù)學(xué)運(yùn)算規(guī)則，原括號內(nèi)的運(yùn)算優(yōu)先進(jìn)行，乘法和除法運(yùn)算優(yōu)于加法和減法運(yùn)算［5］。

(2)標(biāo)記符 用于標(biāo)記程序中所跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)程序段，用跳轉(zhuǎn)功能可以實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行分支。標(biāo)記符可以自由選取，但必須由兩個(gè)或兩個(gè)以上字母或數(shù)字組成，其中開始兩個(gè)符號必須是字母。標(biāo)記符必須在段首或程序號后面，且由“:”分隔。在程序段中，標(biāo)記符不能有其他含義。

(3)程序的絕對跳轉(zhuǎn) NC程序在運(yùn)行時(shí)以寫入的順序執(zhí)行程序段，程序在運(yùn)行時(shí)可以通過插入程序跳轉(zhuǎn)指令改變執(zhí)行順序，跳轉(zhuǎn)目標(biāo)只能是有標(biāo)記符的程序段，此程序段必須位于改程序之內(nèi)。絕對跳轉(zhuǎn)指令必須占用一個(gè)獨(dú)立的程序段。編程的指令格式為GOUTOF Lable:向前跳轉(zhuǎn)(向程序結(jié)束的方向跳轉(zhuǎn))。GOTOB Lable:向后跳轉(zhuǎn)(向程序開始的方向跳轉(zhuǎn))。

(4)程序的有條件跳轉(zhuǎn) 程序用IF條件語句表示有條件跳轉(zhuǎn)，如果滿足跳轉(zhuǎn)條件，則進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，跳轉(zhuǎn)目標(biāo)只能是有標(biāo)記符的程序段，該程序段必須在此程序之內(nèi)。有條件跳轉(zhuǎn)指令要求一個(gè)獨(dú)立的程序段，在一個(gè)程序段中可以有許多個(gè)條件跳轉(zhuǎn)指令。條件跳轉(zhuǎn)指令的編程格式為IF條件 GOTOF Lable:向前跳轉(zhuǎn)(向程序結(jié)束方向跳轉(zhuǎn))。IF條件 GOUTOB Lable:向后跳轉(zhuǎn)(向程序開始的方向跳轉(zhuǎn))。條件跳轉(zhuǎn)的比較運(yùn)算符有等于(=)、大于(＞)、小于(＜)、大于等于(≥)、小于等于(≤)。用上述比較運(yùn)算表示跳轉(zhuǎn)條件，計(jì)算表達(dá)式也可以用于比較運(yùn)算。比較運(yùn)算的結(jié)果有兩種，一種為“滿足”，另一種為“不滿足”。不滿足時(shí)，該運(yùn)算結(jié)果值為零。

2.2.2 支承輥中心孔R(shí)參數(shù)程序編制

如圖5所示，將中心孔大徑賦值給參數(shù)R1，中心孔圓錐角的一半賦值給參數(shù)R2，每次沿著Z向的吃刀深度賦值給參數(shù)R3，Z向起始深度賦值給參數(shù)R4，刀具半徑賦值給參數(shù) R10［6］。用R參數(shù)編程如表1所示。

表1 數(shù)控加工程序單

表2 工藝改進(jìn)前后效果對比

3 工藝效果對比分析

采用R參數(shù)編程，用加工效率較高的玉米銑刀，采取高轉(zhuǎn)速、小切深、大進(jìn)給，選用螺旋插補(bǔ)的銑削方式，最大限度地發(fā)揮了機(jī)床的加工效率。經(jīng)過近3個(gè)月的實(shí)踐驗(yàn)證，加工了10件不同型號的支承輥，和傳統(tǒng)的加工方法相比較，在加工時(shí)間、工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、刀具的使用成本、零件的質(zhì)量穩(wěn)定性方面都有較大幅度的提高，降低了生產(chǎn)成本，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。工藝改進(jìn)前后加工對比情況如表2所示。

4 結(jié)語

支承輥兩端的中心孔利用R參數(shù)編程，通過螺旋線銑削的方法在數(shù)控設(shè)備上加工完成，這樣不僅極大地提高了零件的加工質(zhì)量及生產(chǎn)效率，有效的縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，而且還大大減輕了操作者在加工過程中的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，還改變了以往在加工該類零件時(shí)長期占用大型設(shè)備的占機(jī)時(shí)間等問題，從而有效地節(jié)約了生產(chǎn)制造成本，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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