金屬棒料高溫扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)開發(fā)及應用*

吳端仁

(廈門金鷺特種合金有限公司，福建 廈門 361006)

0 引 言

刀體高溫扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要應用于合金鋼刀體雙螺旋排屑槽及雙螺旋內(nèi)冷孔的加工制作。目前，國外先進刀具生產(chǎn)商，如：山特維克、特固克、高邁特等，其制造的帶雙螺旋內(nèi)冷孔的合金鋼刀體就是用高溫扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)的。采用高溫扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)輔助生產(chǎn)的刀體具有以下優(yōu)勢：①扭轉(zhuǎn)后的刀體整體強度大，剛性好；②采用高溫扭轉(zhuǎn)工藝，合金鋼刀體內(nèi)冷孔能制作成雙螺旋形式，從而可以有效減少刀體芯徑，增加排屑槽的通屑面積，顯著提升刀體的排屑性能；③減少刀體制造的工序，大幅度提升生產(chǎn)效率。

目前，國內(nèi)只有株洲鉆石的ZTD系列可轉(zhuǎn)位鉆頭采用高溫扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)輔助生產(chǎn)，其它的均采用常規(guī)制造技術，因此國產(chǎn)合金鋼刀體的總體性能與日韓及歐美品牌還具有較大的差距。針對于此，筆者通過開發(fā)高溫扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)，并在不斷的實踐過程中找到影響刀體高溫扭轉(zhuǎn)的主要因素，從源頭上解決刀體高溫扭轉(zhuǎn)制備問題。

1 扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)開發(fā)

1.1 扭轉(zhuǎn)需求介紹

如圖1及表1所示L代表刀體毛坯棒料總長度，L1代表頭部可夾持長度，L2代表加熱長度，D代表刀體毛坯棒料直徑,D1代表內(nèi)部冷卻液孔直徑。本系統(tǒng)需要夾持棒料兩頭L1，然后對加熱長度L2行加熱后扭轉(zhuǎn)。

圖1 待扭轉(zhuǎn)刀體棒料(材質(zhì)為合金鋼)

表1 待扭轉(zhuǎn)棒料規(guī)格 /mm

續(xù)表1 待扭轉(zhuǎn)棒料規(guī)格 /mm

1.2 初步方案開發(fā)

1.2.1 初步方案介紹

為實現(xiàn)上述刀體的扭轉(zhuǎn)，需開發(fā)以下模塊：高溫加熱單元、扭轉(zhuǎn)單元、機械手取料單元。其中高溫加熱單元用于將棒料加熱到目標設定溫度，扭轉(zhuǎn)單元用于根據(jù)設定的扭轉(zhuǎn)角度與扭轉(zhuǎn)速度進行扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)完后的棒料溫度高，不便于人工取放，因此需要設計機械手取料。設備整體結構見圖2。

圖2 設備整體結構示意

1.2.2 設備動作流程設計

開啟系統(tǒng)→檢測各個位置判斷歸位狀態(tài)是否正確(床頭尾座扭轉(zhuǎn)夾具歸零張開；尾座處于最大空間一端等待；拆卸工件附具處于退回狀態(tài))→機械手抓取工件插入尾座夾具中→按鍵啟動→尾座夾持工件→尾座向著床頭方向移動→工件穿過加熱線圈管插入床頭夾具中→床頭夾具夾持加熱管開始加熱→雙頭扭轉(zhuǎn)裝置相向施加扭轉(zhuǎn)角度→扭轉(zhuǎn)保持→床頭端夾具松開→尾座逆向床頭方向移動→工件穿過加熱線圈管從床頭夾具中拔出到達初始尾部位置→拆卸工件附具機械手抓取工件保持→尾座打開夾具松開工件→尾座后移一定位置使得工件移出尾座夾具體→拆卸工件附具機械手移動放置工件→結束本件流程，重復下一件加工流程。

1.3 各單元方案設計

1.3.1 高溫加熱單元

高溫加熱單元選用感應加熱，具有體積小、重量輕、加熱速度快、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(圖3為其結構示意圖)。

圖3 加熱單元

(1) 中頻爐功率計算 功率大小的選擇是為了滿足在一定時間內(nèi)把工件加熱到所需的目標溫度值，確保加熱工藝要求。總功率為有功功率和無功損耗功率之和。在感應加熱電源功率計算中， 加熱功率即是工件所需要的電功率，包括工件所需有用功率和工件熱損耗。按照直徑 80 mm，加熱長度 300 mm 工件加熱時間 180 s，加熱到 1 000 ℃溫度要求計算有效功率為 33 kW(如圖4所示)。

圖4 加熱功率計算

綜上所述：根據(jù)實際情況，計入熱量損耗和能量損失以及實際運行預留額定余量，將工件使用額定功率 80 kW 設備加熱。

(2) 中頻爐頻率計算 頻率是指在單位時間內(nèi)完成振動的次數(shù)，是用來描述振動物體往返運動頻繁程度的計量參數(shù)。工件感應時，電流趨向于表面(靠近感應線圈的一面)，稱這種特性為趨膚效應[1]，也就是說發(fā)熱是在工件表面，工件內(nèi)部是通過傳熱而傳導的熱量。所以頻率大小不一樣， 電流滲透的深度也就不一樣，工件發(fā)熱的厚度也就不一樣，當然效率也就不一樣,所以選擇合適的頻率大小，也是提高加熱效率至關重要的考量參數(shù)之一[2]。趨膚效應深度所指電流滲透深度，用d來表示：

式中：f為頻率；u為導磁率；q為電導率。

為了提高感應加熱效率，也可根據(jù)實際的工況要求來計算出合適的諧振頻率。

圖5 導體趨膚效應

從上圖可以看出來，諧振頻率為 12 kHz，電流深度為 5 mm。綜合考慮工件芯表溫度的均勻性(頻率越低，趨膚深度越深)和感應效率(頻率越高，效率也會越高)以及安全電壓(頻率越高，線圈匝間電壓越高)，所以諧振頻率設為 12 kHz(10～20 kHz 自動跟蹤)較為合適。

(3) 電流頻率滲透深度表

表2代表不同材質(zhì)在不同電流頻率下的滲透深度，可用于其它材料加熱頻率選用參考。

表2 常見材質(zhì)感應電流滲透深度(mm)

(4) 中頻爐電源選型

采用 W560分體式全空冷感應加熱電源(內(nèi)置隔離變壓器和諧振電容組)，主機柜內(nèi)不需要通水冷卻。因此可以徹底消除電源的水系統(tǒng)故障，有效減少了損耗，可靠性大為提高，節(jié)電可超過 5%～15%。主機柜的尺寸為：寬 560 mm×高 900 mm×深 400 mm(不含腳柱)，變壓器箱尺寸為：寬 400 mm×高 490 mm×深 700 mm(不含機腳)。

(5) 感應線圈結構設計

感應線圈采用水冷銅管螺旋繞制，初步選定兩種規(guī)格的感應器，其中棒料直徑φ30～φ35 采用一個感應器，線圈內(nèi)徑 60 mm，長度 120 mm，襯套管內(nèi)徑 42 mm；棒料直徑φ45～φ60 采用一個感應器，內(nèi)徑 85 mm,長度 350 mm,襯套管內(nèi)徑 65 mm。感應器長度按照需要加熱長度最長的設計，不同的工件，需要加熱多長就伸進去多長進感應器。

① 更換感應線圈，無需調(diào)節(jié)任何參數(shù)，電源根據(jù)負載情況進行自動匹配。感應器及負載變化的自動跟蹤運行范圍為 75%-150%，輸出電流和負載阻抗的可調(diào)節(jié)寬幅很大；如從單匝感應線圈到多匝感應線圈，或者從小感應線圈到大感應線圈，都可以很好實現(xiàn)穩(wěn)定運行。

② 當人體萬一接觸到外露(感應線圈具備良好絕緣)的感應加熱線銅管，感應器具備“絕緣電阻在線監(jiān)測和保護”增值功能，摒棄常用無效的“漏電流保護”功能，在運行過程中監(jiān)測和顯示感應線圈的對地絕緣電阻值，根據(jù)工藝的情況，設置此參數(shù)值：例如 8.2 MΩ，可更好的為人身安全提供有效保障[3]。

1.3.2 扭轉(zhuǎn)單元設計

扭轉(zhuǎn)單元主要由正反兩個方向可施加扭矩的主機、自動加載、電子測量單元采集系統(tǒng)組成(如圖6所示)。

圖6 扭轉(zhuǎn)單元

(1) 轉(zhuǎn)主機設計 主機主要由力傳動機構、試驗夾具、導軌、夾具移動機構等組成。采用臥箱式設計，符合人機工程學原理，適宜的高度，操作方便，其中活動夾頭可在直線導軌上往復移動。

因所有工件均為圓形工件，因此夾持方式采用V型對夾式夾持，其棒料直徑適應范圍可在φ15～φ60之間。在工作臺面上安裝有兩套相對扭轉(zhuǎn)裝置，最大輸出扭矩為10 kNm,左端扭矩施加裝置(簡稱為床頭)固定在臺面上，右端扭矩施加裝置(簡稱為尾座)安裝在有直線移動導軌的溜板上，在電機驅(qū)動作用下可以左右移動

固定扭轉(zhuǎn)施加裝置的一端安裝有扭矩傳感器，用于判據(jù)工件是否斷裂，如果測試到扭轉(zhuǎn)加工過程中，扭矩突然消失，即可判定為工件斷裂，不再進行下面動作的執(zhí)行，根據(jù)預設指令，工件移出加熱區(qū)域，同時發(fā)出警報，提示現(xiàn)場管理人員介入處理。

(2) 轉(zhuǎn)機設計主要參數(shù)

最大扭矩：10 000 N·m；扭矩測量相對誤差：±1%；扭矩測量范圍：200～10 000 N·m；最大轉(zhuǎn)角顯示范圍：0～360°*n；扭角測量范圍：0～±9 999°；扭轉(zhuǎn)角顯示分辨率：0.01°；扭轉(zhuǎn)角測量相對誤差：±1%；夾頭間最大距離：1 000 mm；實時顯示：扭矩、扭轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速等；夾持工件尺寸：φ15～φ60 mm；長度：30～400 mm；扭轉(zhuǎn)加載速率:0～180°/min(無級調(diào)速)；電機功率： 4 kW電源：380 V/50 Hz。

活動夾頭的移動采用電機拖動，具有準確的機械定位裝置，能夠滿足不同長度工件的精確定位；夾頭具備高溫下長期連續(xù)工作的性能，不打滑。

1.3.3 機械手取料單元

經(jīng)高溫扭轉(zhuǎn)后的刀體棒料非常燙，禁止人工手摸，因此需要設計機械手實現(xiàn)棒料的抓取，該機械手通過液壓站來實現(xiàn)棒料抓取的自動化，具體結構如圖7所示，不是本文介紹重點，不在此贅述。

圖7 機械手

2 扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)完成情況介紹

2.1 工藝測試結果

刀體毛坯棒料加熱與雙頭扭轉(zhuǎn)配合協(xié)調(diào)進行，雙邊同時夾緊φ45×450的合金鋼棒料溫度在180 s內(nèi)可升溫至700 ℃，保溫480 s后，棒料可實現(xiàn)±90°扭轉(zhuǎn)不打滑，扭轉(zhuǎn)后的棒料通過后續(xù)開槽加工，符合生產(chǎn)需要，扭轉(zhuǎn)后的刀體棒料毛坯如圖8所示。該直徑段升溫扭轉(zhuǎn)工藝參數(shù)如表3所列。

圖8 扭轉(zhuǎn)后的刀體毛坯

表3 工藝參數(shù)表

2.2 扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)應用效果

2.2.1 系統(tǒng)溫度自適應性控制與監(jiān)測

不同牌號合金鋼刀體具有不同的軟化與再結晶溫度。如果系統(tǒng)加熱速率過快，將會引起刀體不同部位溫差懸殊，從而產(chǎn)生熱裂；如果系統(tǒng)無法實現(xiàn)溫度監(jiān)測，當溫度越過刀體再結晶溫度值，那么會引起刀體變性，對后續(xù)工藝產(chǎn)生嚴重影響。因此本系統(tǒng)采用可變頻式中頻加熱裝置，通過改變流經(jīng)刀體的渦流強度來實現(xiàn)加熱速率的調(diào)節(jié)及極限溫度的設置；采用高精度紅外熱傳感器來實現(xiàn)加熱溫度的實時監(jiān)測。紅外線檢測的溫度信號反饋給控制系統(tǒng)進行PID運算從而實現(xiàn)整個升溫保溫過程的精準控制。在加熱的過程中，一般是棒材中間加熱溫度比較高，兩頭溫度比較低，造成棒材加熱不均勻的現(xiàn)象。通過多次試驗，制作加熱線圈時通過調(diào)整長度方向匝數(shù)比，能完美地控制棒料長度方向上加熱的均勻性。

2.2.2 系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)速率和角度的高精度調(diào)節(jié)

不同懸伸的刀體，其內(nèi)冷孔和排屑槽的行程會有差異，因此其螺旋角會不一致，那么就需要系統(tǒng)能實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)角度可調(diào)，從而符合設計要求；不同材質(zhì)刀體的屈服強度不一致，如果扭轉(zhuǎn)速率選擇不合適，那么在高溫扭轉(zhuǎn)的環(huán)境下容易導致刀體產(chǎn)生體裂，嚴重時還可能產(chǎn)生破壞性扭斷，因此本系統(tǒng)采用伺服電機加減速機控制，并配備高扭矩角度限位及高精度扭矩傳感器，實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)速率和扭轉(zhuǎn)角度的高精度調(diào)節(jié)。

2.2.3 系統(tǒng)裝夾部位的抗高溫設計

刀體在系統(tǒng)中需要先進行高溫軟化，因此生產(chǎn)過程中系統(tǒng)的裝夾部位處于高溫狀態(tài)。常規(guī)的合金鋼在600℃左右便會產(chǎn)生軟化[4]，而系統(tǒng)裝夾部位也是用合金鋼制作，倘若沒有適當?shù)姆雷o處理，那么在工作中裝夾部位有可能產(chǎn)生高溫變形而損壞。因此為了降低裝夾部位的工作溫度，從而確保其高溫硬度，本系統(tǒng)采用帶有內(nèi)循環(huán)冷卻孔、且材質(zhì)為耐高溫合金的夾頭楔塊，并配以冷水機給予夾頭及液壓站冷卻。

3 結 語

刀體棒料的中頻加熱、高溫扭轉(zhuǎn)可使刀體內(nèi)部冷卻孔隨著刀體扭轉(zhuǎn)，保證內(nèi)冷孔的完整性，滿足刀體在使用上的冷卻要求。通過此次對刀體高溫扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)的開發(fā)及應用，掌握了影響刀體扭轉(zhuǎn)效果的主要參數(shù)如扭轉(zhuǎn)速率、夾持長度、加熱溫度等，制定了部分刀體扭轉(zhuǎn)工藝，為后續(xù)刀體批量生產(chǎn)奠定了試驗基礎，也為金屬棒料在不同領域的扭轉(zhuǎn)提供參考及借鑒。