板材拋光機高速主軸及其動平衡技術(shù)的研究

何 潛，張 超，李勇鵬，汪恩輝，周 明

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.天津忠旺鋁業(yè)有限公司，天津 301700)

0 前言

近年來，鋁合金中厚板由于具備密度低、耐腐蝕、高強度、高韌性、可切削性好等特點在航空航天、交通運輸、機械制造、工磨具、家具等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。鋁合金中厚板在其前端生產(chǎn)工藝中不可避免的會被氧化，表面會產(chǎn)生一種薄厚不均的氧化層。板材拋光機主要用于去除鋁板表面的不規(guī)則氧化層和消除微細裂紋，同時提升鋁合金板面的美觀度。

對于板材拋光機而言，主軸組件是其核心部件，為了滿足拋光生產(chǎn)特定的需求，主軸必須滿足超長高速的結(jié)構(gòu)特性。對于主軸而言，由于制造、安裝誤差以及材料的不均勻等因素，不平衡的存在是必然的。由于運轉(zhuǎn)在高速下，主軸對于不平衡控制的要求比通常轉(zhuǎn)子更加嚴格，微小的不平衡都可能導致主軸回轉(zhuǎn)精度的嚴重喪失乃至支撐系統(tǒng)的失穩(wěn)。只有將主軸殘余不平衡量控制在一定范圍內(nèi)，才能抑制主軸在高速運行過程中的失衡振動，并保證板面的拋光精度和控制主軸軸承的發(fā)熱。

有計劃、有組織、有準備地集中對特定議題進行專題詢問并非第一次。歷數(shù)兩年來全國人大常委會的七場專題詢問可以看出，問錢、問糧、問房、問醫(yī)、問教育，無一不是與人民群眾利益關(guān)系最直接、最現(xiàn)實的問題。本次專題詢問農(nóng)田水利建設(shè)，既是對農(nóng)田水利建設(shè)工作的監(jiān)督，也體現(xiàn)了對這項工作的高度重視，農(nóng)田水利工作關(guān)乎國計民生的重要地位與作用凸顯。

1 拋光機主軸部件的創(chuàng)新設(shè)計

板材拋光機由機架、主軸單元、壓下、壓上裝置、夾送輥裝置、刷輥在線修模裝置、中間輥道、專用工具等組成，其中主軸單元是拋光機核心部件。為了保證鋁合金板材在拋光生產(chǎn)過程中的表面紋路一致性，主軸單元通常需要具備震蕩功能，也就主軸是沿軸線方向高頻次往復運動功能，最高頻次可達150次每分鐘。另外在拋光生產(chǎn)過程中刷磨輥由于消耗和產(chǎn)品更換需要經(jīng)常更換，因此拋光機必須具備換輥方便功能。為了生產(chǎn)板寬2 600 mm以上的拋光板，主軸有效長度(用于安裝支撐管，用于安裝刷磨輥)必須超過2 600 mm，這就導致主軸長度必須超過4 000 mm才能滿足寬幅板材的拋光生產(chǎn)。

為了實現(xiàn)拋光機具備震蕩功能和換輥方便，中國重型機械研究院股份公司研發(fā)了一種通過3組軸承單元實現(xiàn)定位與支撐的主軸裝置，3組軸承單元分別安裝在3個可沿直線導軌往復運動的軸承座上，其布置確保往復運動的可靠性以及換輥時主軸的懸臂支撐穩(wěn)定性，通過主軸的高速轉(zhuǎn)動以及往復震蕩的復合運動實現(xiàn)了拋光輥對板材的拋光以及拋光紋路的一致性。拋光機主軸如圖1所示，直線導軌(共四根)安裝在機架上，主軸采用3組軸承支撐，3個軸承座安裝在滑塊(共6件，與直線導軌配合)上，主軸在3個可滑動軸承座支撐的情況下沿直線導軌往復運行，同時主軸在偏心輪結(jié)構(gòu)的驅(qū)動下實現(xiàn)主軸的震蕩功能，錐形支撐套用于安裝支撐套管(兩端錐形)，刷磨輥通過可靠的機械安裝方式安裝在支撐套管上。

隨著拋光板材品質(zhì)要求的提升，主軸轉(zhuǎn)速也相應(yīng)逐步提高。當拋光機主軸高速旋轉(zhuǎn)時，即使只有很小的偏心矩，也會產(chǎn)生非常大的不平衡離心力，不平衡引起的噪聲和振動會很大，影響板材拋光質(zhì)量，甚至導致軸承發(fā)熱等情況。拋光機主軸組件在制造過程中，不可避免會因材質(zhì)不均勻、形狀不對稱，加工裝配誤差而導致重心偏離旋轉(zhuǎn)中心，使拋光機產(chǎn)生振動和振動力，引起拋光機噪聲、軸承發(fā)熱等。隨著轉(zhuǎn)速升高，不平衡引起的振動越加激烈，因此，對主軸動平衡品質(zhì)提出了更高的要求。

圖1 拋光機主軸部件簡圖

健康的果樹，離不開健康的土壤。金正大集團親土1號陜西大區(qū)總監(jiān)鄧曉川表示，無葉不果，葉靠根養(yǎng)，根靠土長。土壤問題會影響根對養(yǎng)分的吸收，影響果樹的產(chǎn)量和品質(zhì)。只有土壤健康，果樹才能根深葉茂，養(yǎng)分充足，種出來的蘋果才能品質(zhì)好、價格高。親土1號能養(yǎng)地促根抗病，對洛川蘋果產(chǎn)業(yè)的健康長遠發(fā)展具有很大的助益。

換輥采用了一種依靠錐形脹套連接的滑動式軸承座，并與主軸末端相配，在松掉主軸鎖定螺釘?shù)那闆r下，可以快速拆卸并移出，支撐套管與拋光輥可以整體從主軸中抽出，實現(xiàn)了拋光輥快速拆卸與安裝。刷磨輥與套管安裝如圖2所示，支撐套管依靠錐面張緊力安裝在錐套上，并依靠鎖緊螺釘實現(xiàn)預(yù)緊。刷磨輥通過卡環(huán)機械方式安裝在支撐套管上。在換輥時，整根主軸依靠2個軸承座懸臂支撐；同時松掉鎖緊螺母，可拆卸錐形軸承座沿直線導軌滑動，再拆掉錐形套，此時就可以整體安裝或者拆卸支撐套管及刷磨輥組件，方便地實現(xiàn)換輥功能。拋光機采用該換輥結(jié)構(gòu)后換一個輥僅需10～12 min，而采用鍵槽固定方式的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)換一個輥需要60～90 min，因此大幅度節(jié)省了換輥時間，提高了生產(chǎn)作業(yè)效率。

圖2 刷磨輥裝配簡圖

2 主軸動平衡計算

分型中藥藥浴聯(lián)合窄譜UVB治療尋常型銀屑病的臨床觀察……黃 靜，黃 玲，王敏華，倪昌雯，楊汝斌，陳超超（69）

刷磨輥作為刷磨機的執(zhí)行元件，用于對板材表面進行刷磨，采用不織布材料。該材料是指通過將磨料粘結(jié)在作為增強材料的彈性纖維上，通過非織造工藝，形成具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的磨料分布體系。不織布刷輥是用一種特殊工藝將這種布條可做成輻射狀、疊片狀或纏繞式刷輥，其主要磨料通常為氧化鋁、碳化硅、立方碳化硼或金剛石等。

平衡品質(zhì)等級值G(mm/s)跟許用不平衡度eper(g·mm/kg)與轉(zhuǎn)子最高工作角速度ω(rad/s)有關(guān)，其表達式為

(1)

一般說來，轉(zhuǎn)子質(zhì)量m(kg)越大，其許用不平衡量Uper(g·mm)也越大，因此可用式(1)所定義的許用不平衡度eper來表示許用不平衡量與轉(zhuǎn)子質(zhì)量的關(guān)系

(2)

筆者以自讀課文《孤獨之旅》為例，探討教師如何引導學生關(guān)注小說的主題深意、關(guān)注小說的表達藝術(shù)、關(guān)注小說的人文價值，抓住關(guān)鍵詞“孤獨”“詩意”“磨礪”進行教學實踐，是有意義的嘗試和思考。

綜合式(1)與式(2)，得

(3)

按照國際標準化(ISO)1940年制定的世界公認的平衡等級，轉(zhuǎn)子平衡分成了11個等級，可按需求在表1中選擇。

表1 平衡品質(zhì)等級表

該拋光機主軸的平衡品質(zhì)選取G1等級，主軸如采用整體鍛件制造，質(zhì)量約400 kg，主軸轉(zhuǎn)速1 500 r/min，按式(3)計算。

傳統(tǒng)的對單個零件進行動平衡的工藝已不能滿足現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的要求。對于高速旋轉(zhuǎn)的主軸，即使單件平衡做的很好，組件整體的不平衡依然存在。因此必須先對主軸各個關(guān)鍵零件(主軸、支撐套管、錐套等)進行動平衡測試和校正，然后再對整體裝配主軸進行平衡和校正。

《北語字表》字頻累計總字形數(shù)為71,632,779個,單字5499個。頻度最高100字依次是：“的、一、他、我、是、了、不、在、這、人、她、有、個、們、來、你、到、上、說、那、著、地、子、里、就、時、得、么、為、要、可、也、過、去、和、大、會、出、下、道、以、看、對、沒、自、樣、想、把、好、起、生、后、而、然、能、中、都、心、斯、還、事、什、天、小、爾、只、面、開、家、些、從、頭、情、兒、手、種、發(fā)、意、于、多、但、話、很、現(xiàn)、己、當、如、前、又、所、走、身、之、回、知、特、用、無、經(jīng)、已”。

根據(jù)計算，只要主軸許用不平衡量控制在2 546 g·mm以內(nèi)，就能保證主軸的穩(wěn)定工作。

椰子生長適宜的土壤是海淀沖積土和河岸沖積土，其次是砂壤土，再次是礫土，而在這樣的工作環(huán)境下，椰果采摘機的固定和移動，以及工作的穩(wěn)定性都會面臨很大的挑戰(zhàn)；其次是由于椰樹的高度一般在15～30m范圍內(nèi)，所以椰果采摘機的高度也會很高，而對于現(xiàn)在的研究狀況，大多是只考慮了椰果采摘機的傳動、剪切、和定位問題，而對于高度延伸方面的綜合考慮還很欠缺；另外，對現(xiàn)在的椰果采摘機的視覺系統(tǒng)技術(shù)還不夠可靠，精確度還不夠高，對果實的成熟與否還分辨不清，并且對果實的損傷率較高，所以工作的可行性的確很低。

3 主軸動平衡校正

根據(jù)靜力等效原理，將剛性回轉(zhuǎn)體上的不平衡離心慣性力往校正面上簡化。針對每個校正面上的合力或合力偶，通過對回轉(zhuǎn)體進行去重或加重，抵消合力及合力偶，以校正整個回轉(zhuǎn)體的動不平衡。為實現(xiàn)主軸組件的整體動平衡，首先在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要加以改進，使組件整體在不影響功能結(jié)構(gòu)的同時可以留有校正不平衡量的位置，并采用配重分量法、去重法或者附加動平衡盤法校正平衡。對于該主軸，考慮到對加工、裝配的影響，選擇主軸的前端面和后端面作為2個校正面，采用了配重分量法進行校正，也就是在校正平面預(yù)留螺栓孔以備后期增加配重塊。這種校正平面和校正方法的選擇，實踐證明操作非常方便。對于主軸零件，

隨著社會主義市場經(jīng)濟體制的進步和完善，咨詢行業(yè)越來越規(guī)范管理，工程造價咨詢企業(yè)應(yīng)該在業(yè)務(wù)范圍拓展及創(chuàng)新發(fā)展上下功夫，才能找到未來出路。①要逐步擴大造價咨詢機構(gòu)服務(wù)的社會面，從局部化、碎片化的單一咨詢服務(wù)逐步向投資控制、價值管理、項目管理、資產(chǎn)管理的咨詢服務(wù)轉(zhuǎn)變，全方位、全過程地參與到工程造價的管理與實施中來。積極走出去拓寬業(yè)務(wù)范圍，參與到“一帶一路”建設(shè)大環(huán)境中。②工程造價咨詢企業(yè)應(yīng)當全面開展全過程工程咨詢，積極融合PPP投資咨詢、BIM應(yīng)用、勘察、設(shè)計、監(jiān)理、招標代理等業(yè)務(wù)開展聯(lián)合經(jīng)營，設(shè)立合伙制工程造價咨詢企業(yè)，贏得更大的市場，使企業(yè)在激烈的市場競爭中，立于不敗之地。

式中，r為校正半徑，主軸校正半徑為125 mm；mper為許用不平衡質(zhì)量，g。

因此，對于前、后端面而言，主軸在指定校正半徑上的許用不平衡質(zhì)量最大為10 g。

圖3 主軸動平衡校正

4 主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

拋光機主軸長度約4 200 mm，而中間支撐段直徑為160 mm，長度與直徑之比為26；通常主軸的長度與直徑之比大于20的稱為細長軸，因此在設(shè)計中必須確保細長主軸有足夠的剛性，否則很容易因切削力或者重力的影響而發(fā)生彎曲變形，并在工作中產(chǎn)生振動，從而影響拋光精度。

一般主軸采用整體鍛件制造，考慮到拋光機主軸負載特性，其載荷均勻；在滿足力能參數(shù)的要求下，主軸可以采用鍛焊相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，也就是中間段厚壁鋼管與兩端的鍛件焊接的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過核算，經(jīng)兩種制造方法制造的主軸相關(guān)參數(shù)如表2。

表2 工藝參數(shù)表

經(jīng)過對比，雖然鍛焊結(jié)合的制造工藝復雜，但可以有效減小主軸重量，同時減小不平衡離心慣性力。經(jīng)過計算和校核后，主軸最終選用了鍛焊結(jié)合的制造工藝，整個主軸由兩端的鍛件和中間段的管材焊接而成，材料選擇高級滲碳鋼14NiCr10，與15Cr、20Cr鋼相比，其強度、塑性、淬透性均高，該材料淬火加低溫回火或高溫回火后，具有良好的綜合力學性能，低溫沖擊韌性度好，缺口敏感性小，可加工性及焊接性較好，適合用來制作重負荷條件下要求高強度、高硬度和高韌性的主軸及要求中心韌性很高或承受沖擊負荷、表面耐磨、熱處理變形小的軸類零件。

主軸焊接完成后，經(jīng)過熱處理后，采用粗車-半精車-精車的加工工序，各工序要選擇合理的加工刀具。否則刀具選擇不適當會造成切削力過大，主軸會發(fā)生彎曲變形和加工精度差等。同時，在車削加工過程中，須采用反向切削法加工超長主軸。反向切削法是指在超長主軸的加工過程中，車刀由主軸卡盤開始向尾架方向進給，這樣在加工過程中產(chǎn)生的軸向切削力使超長軸拉伸，消除了軸向切削力引起的彎曲變形。

最終，研制完成的超長主軸表面粗糙度達到1.6以上，橢圓度0.05 mm以內(nèi)，圓跳動0.05 mm以內(nèi)，經(jīng)過校正后的主軸在指定校正半徑上的許用不平衡質(zhì)量在10 g以內(nèi)，完全滿足拋光機主軸要求。

5 結(jié)論

目前，中國重型機械研究院股份公司研制的拋光覆膜生產(chǎn)線已建成投產(chǎn)，拋光機主軸具備震蕩功能和快速換輥功能，主軸許用不平衡量計算與校正合理，設(shè)備運行穩(wěn)定可靠，技術(shù)水平達到同類型進口設(shè)備裝機水平，可以完全替代進口，已為國內(nèi)航空航天、交通運輸、機械制造等企業(yè)生產(chǎn)了大量高品質(zhì)鋁合金拋光板材。