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    軋輥環(huán)孔型曲面數(shù)控磨床的研發(fā)

    2014-07-13 07:42:16繆飛軍沈瑩吉俞鋮斌繆仕良
    制造技術(shù)與機(jī)床 2014年8期
    關(guān)鍵詞:孔型磨床軋輥

    繆飛軍 沈瑩吉 俞鋮斌 繆仕良

    (浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院,浙江 寧波315211)

    隨著國內(nèi)冷軋管行業(yè)的迅速發(fā)展,與冷軋管機(jī)相配套的軋輥需求量也不斷增加。而國內(nèi)能生產(chǎn)“軋輥環(huán)孔型曲面專用磨床”的企業(yè)還極少。目前主要有兩類:一類企業(yè)生產(chǎn)的數(shù)控專用磨床,是采用內(nèi)圓磨方式,一對軋輥同時磨削,精度較高,但缺點是內(nèi)圓磨頭砂輪軸剛性差,只能采用較小的磨削用量,所以加工效率低,且機(jī)床結(jié)構(gòu)龐大,價格高;另一類生產(chǎn)的是普通專用磨床,是采用單個軋輥的外圓磨方式,加工效率較高,但屬于非數(shù)控的,且局部結(jié)構(gòu)不夠合理,傳動不夠到位,往往導(dǎo)致磨削表面不充分和不連貫,且無法采用水溶液(即干磨),故磨削精度較低,后經(jīng)局部數(shù)控化改造,也只能達(dá)到開環(huán)控制,精度無法提高,產(chǎn)品總的檔次較低。還有一些小廠是在舊外圓磨床上進(jìn)行局部改造或同時數(shù)控化后,得到的專用磨床只能滿足自用,不能進(jìn)行批量生產(chǎn)打入市場。所以目前的孔型專用磨床在規(guī)格、產(chǎn)量、性能、效率和精度上都難以滿足軋輥加工的需求。

    國外只有德、美等國能生產(chǎn)同類高精度數(shù)控專用磨床,如德國研制的五軸聯(lián)動式數(shù)控軋輥環(huán)狀孔型曲面磨床,但價格昂貴,每臺售價都在人民幣1 500萬元以上,這樣就限制了在國內(nèi)中小企業(yè)的推廣應(yīng)用。而軋輥制造已逐漸向?qū)I(yè)的成批大量生產(chǎn)發(fā)展,為了提高生產(chǎn)率和加工精度,降低制造成本,不斷滿足市場的需求,必須及時研發(fā)國產(chǎn)化的軋輥環(huán)狀孔型加工的數(shù)控專用磨床。本文將重點闡述“環(huán)孔型曲面數(shù)控磨床”機(jī)械部分的研發(fā)方案與設(shè)計過程。

    1 軋輥零件加工要求

    與二輥式冷軋管機(jī)相配套的軋制工具主要是軋輥和芯棒,其材料一般為軸承鋼GCr15,工作表面須淬火,硬度達(dá)58~62HRC。軋輥除了環(huán)狀孔型工作曲面外,其余是由內(nèi)外圓柱面、兩端面和鍵槽等常規(guī)表面所組成的,這些表面均可在普通機(jī)床上,采用車、磨和銑等工序來完成。軋輥加工的關(guān)鍵表面是“環(huán)狀孔型工作曲面”,其加工精度為IT6~I(xiàn)T7,表面粗糙度Ra為0.4~0.8μm,要求孔型圓度小于0.05 mm。它在通用機(jī)床上無法進(jìn)行精加工,故必須研發(fā)數(shù)控專用磨床,以完成軋輥環(huán)狀孔型工作曲面在淬火前后的粗磨與精磨加工。

    2 軋輥環(huán)狀孔型曲面的建模

    根據(jù)軋輥孔型的形狀特征,整個孔型區(qū)可劃分為3個區(qū)域:回轉(zhuǎn)送進(jìn)區(qū)(ab段)、軋制變形區(qū)(bc段)和均整定徑區(qū)(cd段),見圖1所示。

    回轉(zhuǎn)送進(jìn)區(qū)的展開圖是一段半圓柱段,此段孔型直徑比管坯外徑大1~3 mm,精度較低。

    軋制變形區(qū)是指孔型工作部分的開始處直至均整定徑段開始處為止,中間用平滑曲線逐漸過渡,其起始點具有最大半徑,其值等于管坯的半徑,終點處具有最小半徑,其值等于成品管半徑。軋制變形區(qū)包括減徑段和壁厚壓下段,孔型設(shè)計時一般將壁厚壓下段等分為7段,再加一段減徑段,這樣軋制變形區(qū)共分為8段9點,把該區(qū)環(huán)孔型設(shè)計成展開脊部呈八段接近光滑曲線的折線段孔型,見圖2所示。

    軋輥均整定徑區(qū)的孔型脊部,展開是一段呈半圓柱形的孔型,其半徑等于成品管半徑。

    綜上所述,3段孔型的特征是:回轉(zhuǎn)送進(jìn)區(qū)和均整定徑區(qū)分別是大小兩段半圓柱孔型。而對軋制變形區(qū)來說,由該段孔型展開圖可知,孔型軸向交線是一條接近圓錐母線的曲線,而與孔型中心軸線垂直的任一剖面均為半徑逐漸增大的半圓。相鄰半圓實現(xiàn)曲線間的平滑連接,這樣便生成了光滑的環(huán)狀孔型工作曲面。所以軋制變形區(qū)是形狀最復(fù)雜、受力最大的工作表面,也是軋輥孔型加工的重點和關(guān)鍵。

    軋輥孔型粗磨前的加工工藝是:

    第一步:按成品管半徑減去磨削余量為半徑R,用數(shù)控車床在軋輥圓周上車削成整圈半徑為R的半圓柱形孔型,則對均整定徑區(qū)來說已徑完成了粗磨前的加工工序;

    在自動對焦系統(tǒng)上,E-M1 II的紙面數(shù)據(jù)更優(yōu)秀,它使用了集成121個十字型焦平面相位對焦點的混合對焦系統(tǒng)。而G9仍在使用225區(qū)的反差對焦系統(tǒng),盡管如此,基于松下獨有的DFD技術(shù)的自動對焦系統(tǒng),表現(xiàn)異常迅速。

    第二步:組合一對軋輥,在臥式鏜床上,借助于回轉(zhuǎn)分度式專用夾具對稱裝夾后,分別對回轉(zhuǎn)送進(jìn)區(qū)和軋制變形區(qū),采用擴(kuò)鉆和鏜削方式,通過逐級分段、多次加工成型;

    第三步:通過鉗工對折線孔型段交接處的凸出部位,采用修磨和修銼等方法,使折線段孔型逐漸過渡,接近光滑為止,使回轉(zhuǎn)送進(jìn)區(qū)的孔型尺寸和表面粗糙度達(dá)到圖紙要求,并使軋制變形區(qū)中的磨削余量達(dá)到基本均勻。

    所以軋輥孔型的精加工(粗磨→精磨→拋光)對象主要是軋制變形區(qū)和均整定徑區(qū)。

    3 孔型曲面數(shù)控加工原理分析

    針對軋制變形區(qū)和均整定徑區(qū)的孔型,經(jīng)以上分析可得其數(shù)控磨削加工原理圖,如圖3所示。

    先利用“球面砂輪修整器”,把外圓砂輪的圓周面打磨成半徑為砂輪寬度一半之常數(shù)R0的整圈半圓柱面;再卸下修整器,將軋輥以內(nèi)孔與端面組合定位,裝夾在軋輥回轉(zhuǎn)進(jìn)給箱的輸出軸上。為了把孔型的每個截面磨削成半徑為Ri(是逐漸增大的變數(shù))的半圓型,在砂輪高速旋轉(zhuǎn)的同時,還必須使砂輪半圓頭的圓心O1,沿著以O(shè)為圓心,以R=Ri-RO(RO<Ri)為半徑的半圓軌跡內(nèi),作來回進(jìn)給運動,圓心O剛好位于軋輥的外圓周面上,這樣對于軌跡點O1,在水平面內(nèi)必須有兩軸(X、Y)聯(lián)動的功能。

    為了磨成整條孔型段,軋輥還需緩慢的間歇回轉(zhuǎn)進(jìn)給運動(轉(zhuǎn)軸n),即O1點沿半徑為R的半圓軌跡內(nèi)來回進(jìn)給1至2次后,軋輥需間歇回轉(zhuǎn)一個微小的轉(zhuǎn)角θ,Ri逐漸增大,所以O(shè)1點軌跡半徑R也要隨之增大。數(shù)控編程時,選半圓磨削截面圓心O為坐標(biāo)原點,在水平面內(nèi)建立X—Y直角坐標(biāo)系,并與軋輥轉(zhuǎn)軸n組成三軸聯(lián)動。半圓軌跡滿足曲線方程:圓X2+Y2(Ri-RO)2,參數(shù)Ri、θ及每次來回重復(fù)進(jìn)給次數(shù)等,均可根據(jù)孔型設(shè)計尺寸、加工精度要求等,通過編程進(jìn)行確定和調(diào)整。

    由于均整定徑區(qū)的起始點c至回轉(zhuǎn)送進(jìn)過渡區(qū)的交接點為止,是一段半徑等于成品管半徑(定值)的半圓柱孔型,且包含了均整定徑區(qū)cd。在加工此段半圓柱孔型時,軋輥可采用連續(xù)快速的回轉(zhuǎn)進(jìn)給,以提高該半圓柱段孔型的加工效率和表面質(zhì)量。同時還可通過編程,使軋輥孔型的磨削加工與開口倒角均能先后在該磨床上自動完成,到此就完成了軋輥孔型的精加工(粗磨→精磨)工序。至于對軋輥孔型工作曲面的拋光(主要針對軋制變形區(qū)),一般可通過鉗工的人工拋光來解決。

    4 傳動方案和技術(shù)參數(shù)確定

    首先確定該專用磨床采用外磨式還是內(nèi)磨式?通過對國內(nèi)外同類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能和效率等方面的比較可知,采用外圓磨削方式,機(jī)床剛性好、加工效率和質(zhì)量均較高,所以最終確定為外圓式磨床。

    其次是磨床必須三軸聯(lián)動,采用西門子閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng),冷卻裝置采用大流量、帶磁性分離器和紙質(zhì)過濾的冷卻液箱。能實現(xiàn)環(huán)狀孔型數(shù)控加工工藝參數(shù)的智能選擇和模擬加工,并簡化各種規(guī)格孔型加工的數(shù)控編程。

    最后設(shè)置球面砂輪修整器,以修整器座的內(nèi)孔和端面定位,固定在軋輥回轉(zhuǎn)進(jìn)給箱的輸出軸上靜止不動,砂輪座在X—Y水平面上,通過數(shù)控二維編程作半徑為RO的半圓弧軌跡運動,砂輪高速旋轉(zhuǎn)經(jīng)打磨得到半徑為RO的整圈球面磨削砂輪。這種砂輪修整方法相當(dāng)于“就地加工法”,從而提高了磨床的加工精度。磨床的主要技術(shù)參數(shù)見表1所示。

    5 磨床機(jī)械結(jié)構(gòu)和總體布局

    為了簡化設(shè)計和機(jī)床結(jié)構(gòu),降低產(chǎn)品制造成本,提高機(jī)床的剛度和實用性,結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用了“模塊化”設(shè)計方法,即對組成機(jī)床的零部件盡可能采用較多的標(biāo)準(zhǔn)模塊(標(biāo)準(zhǔn)件和外購件),盡量減少自制零部件,有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量,使其更加成熟。

    表1 磨床的主要技術(shù)參數(shù)

    如作為關(guān)鍵部件的磨頭箱傳動裝置,為了保證質(zhì)量,直接選用了由專業(yè)廠家生產(chǎn)的精密磨床主軸單元,作為外圓砂輪磨頭軸組件;伺服電動機(jī)、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌、冷卻潤滑站等重要零部件均選用標(biāo)準(zhǔn)外購件;還有絲杠、導(dǎo)軌等的防護(hù)罩也選用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)床附件。通過對機(jī)床結(jié)構(gòu)的合理布局與設(shè)計,最終得出了磨床總體結(jié)構(gòu)布局圖,如圖4所示。

    6 磨床主要部件設(shè)計

    6.1 回轉(zhuǎn)進(jìn)給箱部件

    軋輥回轉(zhuǎn)進(jìn)給箱部件是一個具有大傳動比的消隙減速箱,采用斜齒輪機(jī)構(gòu),用軸向壓簧錯齒調(diào)整法,消除其傳動間隙,以便實現(xiàn)微小進(jìn)給,并提高回轉(zhuǎn)進(jìn)給的精度與靈敏度,具體如圖5所示。

    6.2 磨頭箱傳動裝置

    該裝置為簡化結(jié)構(gòu),省去了V帶傳動,外購精密磨床主軸單元,采用彈性聯(lián)軸器使磨頭主軸與電機(jī)直接聯(lián)接,使傳動結(jié)構(gòu)更加緊湊。具體如圖6所示。

    7 結(jié)語

    經(jīng)專家和相關(guān)企業(yè)對設(shè)計圖紙的共同評審,一致認(rèn)為該數(shù)控專用磨床結(jié)構(gòu)合理,傳動簡單,操作方便,成本較低,性價比高,完全達(dá)到設(shè)計要求。且最大加工直徑、產(chǎn)品價格、實用性(性價比)及機(jī)床剛度、加工效率和加工質(zhì)量等性能指標(biāo),處于國內(nèi)領(lǐng)先水平,某些指標(biāo)填補(bǔ)了國內(nèi)空白。該設(shè)備即將在某廠作為技術(shù)攻關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行試制和應(yīng)用,然后再批量投向市場,從而為市場提供高效高精度低成本的軋輥孔型加工機(jī)床打下了良好基礎(chǔ)。

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