國內(nèi)高端石墨電極本體數(shù)控加工生產(chǎn)線的研制

劉 晏，關(guān)長明，劉殿友，姜 立

（大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，遼寧大連 116021）

國內(nèi)高端石墨電極本體數(shù)控加工生產(chǎn)線的研制

劉 晏，關(guān)長明，劉殿友，姜 立

（大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，遼寧大連 116021）

為解決國內(nèi)石墨電極本體加工只能依賴進(jìn)口設(shè)備份能達(dá)到高效生產(chǎn)和高精加工等問題，文章介紹了最經(jīng)濟(jì)、最合理的石墨電極本體加工工藝方案，通過對數(shù)控加工生產(chǎn)線內(nèi)部的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、外部的防塵吸塵設(shè)計(jì)以及各工序切削參數(shù)的調(diào)整，不僅滿足了石墨電極本體多種規(guī)格的高效生產(chǎn)和生產(chǎn)過程中的安全環(huán)保要求，而且使產(chǎn)品精度得到了顯著的提升。

石墨電極；數(shù)控加工；生產(chǎn)線

0 引言

我國20世紀(jì)70、80年代對石墨電極本體加工多采用在改造過的普通車床上完成，直到80年代末90年代初才從國外引進(jìn)了較為先進(jìn)的石墨電極本體加工生產(chǎn)線，當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)線具有自動(dòng)化程度高，操作方便，生產(chǎn)效率高，加工精度高等特點(diǎn)。但隨著國內(nèi)電極規(guī)格的大型化發(fā)展和全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的提高，當(dāng)時(shí)的自動(dòng)生產(chǎn)線在工藝特點(diǎn)、夾具工裝、除塵環(huán)保、數(shù)控技術(shù)等方面已不能滿足現(xiàn)階段要求。故我公司結(jié)合目前國內(nèi)現(xiàn)有石墨電極數(shù)控加工機(jī)床的加工工藝特點(diǎn)，遵循國際先進(jìn)的設(shè)計(jì)思路，借鑒已有的數(shù)控加工機(jī)床優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了一條具有高效率、高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、高安全環(huán)保性和高技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的石墨電極本體數(shù)控加工生產(chǎn)線。

1 生產(chǎn)線整體方案的制定

1.1 被加工零件規(guī)格

毛坯直徑：φ350mm～φ850mm；

毛坯長度：1500mm～3300mm；

毛坯重量：最大3500kg。

1.2 生產(chǎn)效率

2.5分鐘/根。

1.3 工序內(nèi)容

毛坯上線（上料）；

工位I：自動(dòng)裝料、對中測量；

工位II：粗加工兩端面和錐形孔；

工位III：粗、精車削外圓；

工位IV：對中測量；

工位V：半精、精加工端面和梳銑錐螺紋；

成品下線（下料）。

1.4 產(chǎn)品加工精度

檢查項(xiàng)目實(shí)測值

外圓圓柱度0.1mm

外圓圓度0.06mm

端面中凹度0.025mm/200mm

螺紋有效直徑誤差0～+0.05mm

螺紋孔錐度誤差（9°27′44"）±30"

螺紋單牙螺距誤差±0.015mm

螺紋螺距累計(jì)誤差0.06mm/150mm

螺孔中心線與端面的垂直度0.015mm/φ250mm

螺孔中心線與電極中心線的同軸度0.05mm

螺紋齒形半角偏差±10′

1.5切削參數(shù)

生產(chǎn)線各工位專機(jī)切削參數(shù)見表1。

表1 各專機(jī)切削參數(shù)

2 生產(chǎn)線整體布局

本生產(chǎn)線由3臺(tái)金屬切削機(jī)床和3臺(tái)輔助機(jī)床設(shè)備組合而成，如圖1生產(chǎn)線各工位運(yùn)行狀態(tài)示意圖。生產(chǎn)線采用SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)來控制，其系統(tǒng)具有較高的可靠性和抗干擾能力。整線采用現(xiàn)場總線PROFIBUS來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制，在中央控制室里，設(shè)有管理服務(wù)器和維修服務(wù)器集中管理生產(chǎn)現(xiàn)場各加工設(shè)備。輸送方式采用水平輸送結(jié)構(gòu)，輸送料線被夾在機(jī)床基座的中間，所有動(dòng)作均由伺服電機(jī)控制。生產(chǎn)線采用全封閉防護(hù)，避免粉塵對數(shù)控系統(tǒng)的電磁干擾，同時(shí)保證安全環(huán)保、美觀實(shí)用。將切屑收集防塵罩安裝在所有刀具周圍，同時(shí)在石墨電極加工部位和機(jī)床防護(hù)上方分別設(shè)置大口徑的吸塵口和粉塵吸收裝置，實(shí)現(xiàn)揚(yáng)塵的二次回收。

圖1 生產(chǎn)線各工位運(yùn)行狀態(tài)示意圖

3 生產(chǎn)線各工序優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 上料、對中和測量裝置

抬起油缸將石墨電極升至預(yù)定高度，然后由油缸驅(qū)動(dòng)齒輪齒條將電極對中。由于相同規(guī)格的石墨電極毛坯長度差距較大，故采用旋轉(zhuǎn)編碼器將對中推板所處的位置數(shù)據(jù)傳輸?shù)较乱还の粰C(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)中，從而控制被加工石墨電極的加工長度。

3.2 雙面臥式粗銑端面和鏜錐形孔組合機(jī)床

由于石墨電極毛坯外徑存在橢圓、錐度等不規(guī)則外形，為最大限度保證石墨電極兩端錐形孔中心與電極本體中心的同心度，在機(jī)床設(shè)計(jì)研發(fā)過程中做了以下內(nèi)容的改進(jìn)，大大提升了產(chǎn)品的合格率。

（1）機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：機(jī)床采用雙滑臺(tái)、雙進(jìn)給結(jié)構(gòu)。夾具和銑削頭進(jìn)給機(jī)構(gòu)固定在大進(jìn)給滑臺(tái)上，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可在滑座上前后移動(dòng)，以滿足石墨電極長度由1500mm～3300mm的加工范圍要求，同時(shí)在大滑臺(tái)上安裝液壓抱緊機(jī)構(gòu)，確保設(shè)備可以穩(wěn)定加工。

（2）夾具工裝設(shè)計(jì)：夾具設(shè)計(jì)采用自定心結(jié)構(gòu)，由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)正反螺母，令?yuàn)A爪做自定心夾緊。如圖2工位I夾具示意圖所示。

（3）銑削頭主軸設(shè)計(jì)：主軸直徑為φ300mm，主軸帶氣密封和主軸中心吹氣功能，所起的作用分別是避免粉塵進(jìn)入主軸和清除加工后錐形孔內(nèi)部切削粉塵。銑削頭主電機(jī)功率為45kW。

圖2 工位I夾具示意圖

3.3 龍門式車削石墨電極外圓組合機(jī)床

（1）工藝方案設(shè)計(jì)：為提高石墨電極本體的加工效率和加工精度，電極外圓加工由安裝在龍門橫梁上的數(shù)控滑臺(tái)帶動(dòng)其上的5組車刀完成，每組車刀裝有粗車刀和精車刀各一把，各車刀的前后移動(dòng)均由各自的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，吃刀深度均可單獨(dú)調(diào)整，更容易保證電極本體外圓加工精度的一致性。

（2）夾具工裝設(shè)計(jì)：在左右兩側(cè)的動(dòng)力頭前端均裝有錐形彈性定位體和端面夾爪，前者將石墨電極對中撐起，后者將石墨電極兩端夾緊。此種方式提高了對石墨電極的定位精度，同時(shí)對已加工過的錐形孔無任何損傷。

（3）驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)：驅(qū)動(dòng)石墨電極旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力頭分別安裝在左右兩側(cè)的滑臺(tái)上，一側(cè)滑臺(tái)為數(shù)控滑臺(tái)，主要用于對石墨電極軸向的定位，另一側(cè)滑臺(tái)為液壓滑臺(tái)，采用液壓缸進(jìn)給，用于夾緊石墨電極。動(dòng)力頭主軸直徑為φ250mm，兩側(cè)動(dòng)力頭采用功率為37kW的伺服電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)。

3.4 雙面臥式精加工端面、梳銑螺紋組合機(jī)床

為避免電極與接頭的不良連接，減少電極損耗，解決電極接頭連接處通電燒斷的痼疾，必須提高電極螺紋中心線與端面的垂直度、電極螺紋的位置及加工精度，在機(jī)床設(shè)計(jì)研發(fā)過程中如何實(shí)現(xiàn)電極與接頭的“理想連接”是關(guān)鍵問題。

（1）機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：夾具和橫向數(shù)控滑臺(tái)固定在大進(jìn)給滑臺(tái)上，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可在滑座上前后移動(dòng)，同時(shí)在大滑臺(tái)上安裝液壓抱緊機(jī)構(gòu)，保證設(shè)備穩(wěn)定加工。精銑端面銑削頭和螺紋銑削頭及各自的數(shù)控滑臺(tái)均安裝在橫向數(shù)控滑臺(tái)上。

（2）夾具工裝設(shè)計(jì)：夾具采用自定心結(jié)構(gòu)，夾具的旋轉(zhuǎn)是由伺服電機(jī)帶動(dòng)蝸桿，驅(qū)動(dòng)與渦輪連接的花鍵軸帶動(dòng)左右夾具同時(shí)旋轉(zhuǎn)。夾具夾緊是由液壓缸帶動(dòng)擺桿通過夾緊盤上的楔鐵機(jī)構(gòu)傳給三個(gè)夾爪實(shí)現(xiàn)對石墨電極進(jìn)行夾緊。如圖3工位III夾具示意圖所示。

圖3 工位III夾具示意圖

（3）銑削頭主軸設(shè)計(jì)：銑削分為半精銑和精銑加工，精銑頭采用電主軸驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高速銑削（主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到2000r/min），兩序加工提高了端面的平面度、光潔度，并且使表面美觀。精銑端面銑削頭主軸直徑為φ140mm，主軸帶氣密封，銑削頭主電機(jī)功率為18.5kW。

螺紋銑削頭由5.5kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)，硬質(zhì)合金梳銑刀安裝于動(dòng)力頭的刀盤上，動(dòng)力頭沿斜導(dǎo)軌進(jìn)行銑削。主軸直徑為φ140mm，主軸帶氣密封和主軸中心吹氣功能。

4 結(jié)束語

本生產(chǎn)線通過對石墨電極加工的工藝方案、切削參數(shù)、機(jī)床設(shè)備結(jié)構(gòu)等一系列的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅滿足了多種規(guī)格石墨電極的加工要求，也使得石墨電極的加工精度達(dá)到并超出了預(yù)期的目標(biāo)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。目前，我國碳素加工行業(yè)所使用的設(shè)備陳舊，故障率高，加工產(chǎn)品合格率低，操作環(huán)境惡劣。本生產(chǎn)線的研制成功填補(bǔ)了我國高端石墨電極本體數(shù)控加工生產(chǎn)線的制造空白。

［1］李洪.機(jī)械加工工藝手冊［M］.北京：北京出版社，1990.

［2］機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］王光斗，王春福.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版公司，2000.

［4］謝家瀛.組合機(jī)床設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［5］漆軍，何冰強(qiáng).數(shù)控加工工藝［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［6］陳志雄.零件數(shù)控車削工藝設(shè)計(jì)、編程與加工［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

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（編輯 李秀敏）

Development of Domestic High-end G raphite Electrode Body CNC M achining Production Line

LIU Yan，GUAN Chang-ming，LIU Dian-you，JIANG Li
（Technical Center，Dalian Machine Tool Group Corp.，Dalian Liaoning 116021，China）

In order to solve the domestic graphite electrode bodymachining can only rely on imported equipment to achieve the problem such as efficient production and high precisionmachining etc，this paper introduces themost econom ical and reasonable process scheme for the graphite electrode body machining，based on CNCmachining production linew ithin the structure optim ization design，design of external dust collection and the adjustment of cutting parameters in each process，not only to meet the efficient production of graphite electrodes body a variety of specifications and the security requirements of environmental protection in the process of production，but also the accuracy of the product has been significantly improved.

graphite electrode；CNC machining；production Line

TH122；TG506

A

1001-2265（2015）07-0150-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.07.042

2015-03-03；

；2015-05-08

劉晏（1957-），男，遼寧大連人，大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司工程師，從事組合機(jī)床、生產(chǎn)線、柔性線項(xiàng)目研發(fā)和設(shè)計(jì)工作，（E-mail）liuyan1957@126.com；通訊作者：關(guān)長明（1983-），男，遼寧大連人，大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司工程師，從事組合機(jī)床、生產(chǎn)線、柔性線項(xiàng)目研發(fā)和設(shè)計(jì)工作。