加工變截面孔型軋輥的車床數(shù)控改造

□ 王愛春

中鋼集團(tuán)西安重機有限公司 西安 710201

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國鋼管需求量迅猛增長，高品質(zhì)、高精度的無縫冷軋鋼管生產(chǎn)量遠(yuǎn)不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。

周期式冷軋是最常用的無縫冷軋鋼管制作工藝，主要有兩輥周期式和多輥式兩種，以兩輥周期式應(yīng)用較為廣泛。周期式鋼管冷軋機主要部件是帶有軋槽的軋輥和芯棒，軋輥因孔型復(fù)雜、制作難度大等原因，限制了冷軋鋼管的發(fā)展。因此，研究周期冷軋輥的加工方法具有重要意義［1］。

1 周期冷軋輥軋槽孔型分析

周期冷軋輥軋槽孔型為變截面環(huán)狀孔型，截面在軋制鋼管時根據(jù)產(chǎn)品不同尺寸進(jìn)行選擇?？仔桶垂δ芸梢苑譃槲鍌€部分，如圖1所示。AB段是前回轉(zhuǎn)送進(jìn)段，即入口段，精度要求不高。BC段是毛坯管段，孔型是定值，加工精度要求也不高。CD段是后回轉(zhuǎn)送進(jìn)段，也是BC段與DE段之間的過渡段，對曲面形狀、精度要求光滑拼接即可。DE段是變形段，孔型截面圓弧半徑由大逐漸變小，是整個軋制過程的關(guān)鍵段，孔型要求高。EA段是精整段，孔型是標(biāo)準(zhǔn)的圓弧環(huán)狀曲面，要求是形狀精度高、表面粗糙度值低，該段加工難度小，易保證。為了使EA段與AB段圓滑過渡，可以在A點附近設(shè)計適當(dāng)?shù)那首兓€，然后逐漸過渡到線性變化［2］。由以上分析可見，冷軋輥加工實質(zhì)是一種非圓回轉(zhuǎn)曲面的復(fù)雜加工。

▲圖1 周期冷軋輥示意圖

2 周期冷軋輥加工方法

2.1 常規(guī)加工方法

周期冷軋輥是在皮爾革輥的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，常用的加工方法有以下幾種。

（1）專用車床加工。每一臺機床只能加工幾種孔型的軋輥，適用性差。

（2）專用數(shù)控磨床加工?？仔途雀?，表面粗糙度值低，但效率低，適宜小孔型軋輥的單件小批量加工。

（3）專用數(shù)控鏜床，采用成型刀具加工。刀具生產(chǎn)難度大，成本高。刀具磨損后，磨刃困難，也只能適用于小批小型軋輥的加工。

（4）加工中心加工。刀具形狀精度要求嚴(yán)格，材料要求也較高，加工效率低，難以適應(yīng)軋輥的大批生產(chǎn)制造要求。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

周期冷軋輥的加工方法比普通皮爾格輥復(fù)雜，要求刀具以高于主軸回轉(zhuǎn)頻率的頻率作高頻往復(fù)運轉(zhuǎn)，以形成非圓截面。刀具在加工過程中，切深不斷變化，以形成縱向非線性基線，導(dǎo)致加工很復(fù)雜。因為刀具的高頻運動及刀具在整個加工過程中切深的非線性變化，使刀具在各加工點上具有不同的即時速度，速度頻繁變化必然會使機械本身固有的各種非線性環(huán)節(jié)受到激勵，使整個加工過程表現(xiàn)出顯著的非線性動態(tài)時變特性。

由于軋輥的橫截面外廓曲線無法用簡單解析式表達(dá)，曲率變化很大，因此加工時必須使機床做到主軸回轉(zhuǎn)與刀具移動之間的聯(lián)動。這需要解決三個關(guān)鍵技術(shù)問題：①主軸每轉(zhuǎn)一個角度，刀具必有一個唯一的位置與之對應(yīng)，即函數(shù)關(guān)系；②進(jìn)給伺服系統(tǒng)要使刀具在對應(yīng)的時間到達(dá)對應(yīng)的位置；③軋輥在相鄰工作段間的過渡要保證光滑平衡［3-4］。

3 機床改造方案

3.1 改造背景

國內(nèi)早期生產(chǎn)異型輥時，靠手工對樣板生產(chǎn)。后來用經(jīng)改進(jìn)的液壓仿形機床加工，但效率低，僅適用于淺孔型軋輥的加工。20世紀(jì)80年代后期，引進(jìn)線切割機床、CK8480臥式車床和CK5112立式車床等數(shù)控設(shè)備，但隨著多品種多型號冷軋輥的批量生產(chǎn)任務(wù)增多，標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控設(shè)備已不能滿足工藝生產(chǎn)水平和品種、產(chǎn)量、效率的要求。在已有普通設(shè)備的基礎(chǔ)上，改造出既經(jīng)濟(jì)又實用的周期冷軋輥專用數(shù)控加工機床，是解決問題的好方法［5-6］。

3.2 加工工藝方案

車削工藝加工生產(chǎn)率高、刀具簡單，是一種高效、低成本、可批量生產(chǎn)大型軋輥的加工方法。選擇對普通車床進(jìn)行數(shù)控改造，解決周期冷軋輥的加工問題。在車削加工時，可以先加工最小截面圓弧回轉(zhuǎn)環(huán)狀坯輥，再進(jìn)行曲面加工。

3.3 機床改造前參數(shù)

▲圖2 H0-017車床整體布局

本次改造的是一臺H0-017車床，整體布局如圖2所示，主要技術(shù)參數(shù)如下：中心高520 mm，床身上工件最大回轉(zhuǎn)直徑1 000 mm，刀架上工件最大回轉(zhuǎn)直徑720 mm，工件最大長度2 000 mm，工件最大質(zhì)量6 500 kg，中拖板最大行程525 mm，主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)36，主軸轉(zhuǎn)速范圍18～400 r/min，主軸電機功率30 kW，主軸電機轉(zhuǎn)速1 450 r/min。

3.4 改造后車床基本要求

（1）能夠加工周期冷軋輥孔型，保持原機床制造精度和工件加工精度。

（2）能實現(xiàn)工件加工的自動循環(huán)要求，縮短輔助時間，提高加工效率。

（3）保持原機床所具有的加工性能，即具有車削內(nèi)外圓柱面、曲面、端平面、內(nèi)外圓錐面、螺紋等的能力。

（4）允許機床在同一工作循環(huán)中通過主軸變速，對工件表面粗糙度要求高的部分采用高速精加工操作。

（5）控制系統(tǒng)可靠，具有一定的先進(jìn)性。

改造后的車床還應(yīng)具備以下功能：控制主軸的正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)不同的切削速度；主軸具有準(zhǔn)?？刂?，能與刀架進(jìn)給實現(xiàn)三軸聯(lián)動；刀架能實現(xiàn)縱向和橫向的進(jìn)給運動，并具備在換刀點自動改變四個刀位，完成選擇刀具；啟停冷卻泵、潤滑泵；加工周期冷軋輥孔型時，能保證主軸每個角度的轉(zhuǎn)動，刀架橫縱向進(jìn)給速度和位置準(zhǔn)確［7］。

3.5 具體方案

主軸箱機械部分在原傳動基礎(chǔ)上，改為高速擋和低速擋兩擋變速。主軸電機改為伺服電機。拆除原車床的掛輪箱。對刀架進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控改造。

3.6 主軸箱改造

（1）機械部分。將主軸箱內(nèi)不需要的齒輪拆掉，僅保留原有的五級齒輪傳動。齒輪變速改為高速擋和低速擋兩擋。在主軸后端安裝編碼器及編碼器支架，并安裝零位開關(guān)及支架。

（2）電氣部分。主軸電機采用西門子伺服電機，主軸上安裝有編碼器，可以對主軸轉(zhuǎn)角進(jìn)行反饋，對轉(zhuǎn)動位置進(jìn)行校正。

3.7 刀架改造

周期冷軋輥是復(fù)雜非圓環(huán)狀工件，在車削過程中，不但在縱向截面內(nèi)刀具的角度在變化，在橫向截面內(nèi)刀具的前后角也在不停變化，還會出現(xiàn)負(fù)前角，使加工過程中切削抗力增大，所以在粗加工時采用三把不同方向的偏刀，即正反115°刀和45°偏刀進(jìn)行加工，以提高加工效率。刀架必須具有加工過程中自動換刀的功能，本方案選用煙臺機床附件廠生產(chǎn)的AK21240×4型電動刀架。

3.8 進(jìn)給系統(tǒng)改造

將原有機床的掛輪箱、絲杠、光杠及刀架全部拆除，去掉溜板箱，制作螺母支架固定于大拖板上。在原掛輪箱部位制作電機支架安裝伺服電機，溜板的縱向進(jìn)給由固定在掛輪箱部位的伺服電機經(jīng)聯(lián)軸器與滾珠絲杠聯(lián)結(jié)，再經(jīng)螺母帶動溜板實現(xiàn)。改造后機床進(jìn)給系統(tǒng)如圖3所示。

▲圖3 改造后進(jìn)給系統(tǒng)

改造后H0-017車床主要參數(shù)變化如下：主軸箱變速擋數(shù)兩擋；主軸轉(zhuǎn)速低速范圍1.5～95 r/min，高速范圍 3～190 r/min；主軸電機功率 35 kW，轉(zhuǎn)速 0～3 000 r/min；刀架橫縱向進(jìn)給速度0～20 m/min。

改造后的H0-017數(shù)控車床總體布局如圖4所示。

▲圖4 改造后H0-017車床數(shù)控整體布局

3.9 數(shù)控系統(tǒng)選型

本著可靠、滿足功能、經(jīng)濟(jì)、維護(hù)方便的四項原則，筆者選擇了西門子SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有如下特點［8］。

（1）可控四個數(shù)字進(jìn)給軸和一個數(shù)字或模擬主軸，適用于車削、鉆削、銑削和車銑中心。

（2）支持輪廓編程和參數(shù)化編程。

（3）具有加速度優(yōu)化和補償功能，解決加工輪廓在拐點處由于加速度突變造成的機床高頻振動問題，實現(xiàn)恒線速切削。

4 機床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計

進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計是車床數(shù)控改造的關(guān)鍵。進(jìn)給系統(tǒng)必須滿足橫向和縱向兩個方向聯(lián)動的數(shù)控進(jìn)給，并且與主軸轉(zhuǎn)速聯(lián)動，即三軸聯(lián)動。進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計包括伺服驅(qū)動方式選擇和電機功率計算兩部分。

4.1 進(jìn)給系統(tǒng)伺服電機的選擇

周期冷軋輥加工時，刀具在整個加工過程中運動速度和加速度變化很大，屬于高頻動態(tài)切削，因此對刀架的性能要求是高精度、大行程和一定的頻響，可采用的形式有伺服電機加滾珠絲杠、電液伺服、壓電陶瓷、電磁鐵、金屬靠模、直線電機等。結(jié)合周期冷軋輥直徑較大、材料硬度高、受切削速度限制等特點，經(jīng)比較選用了伺服電機加滾珠絲杠的驅(qū)動方式［9］。

4.2 進(jìn)給運動分析

車刀與工件間的運動關(guān)系如圖5所示。取主軸中心線為Z軸，垂直于Z軸的水平方向為X軸,與X軸、Z軸坐標(biāo)垂直的方向為Y軸。

▲圖5 車刀與工件間運動關(guān)系

進(jìn)給運動是在X軸、Z軸方向運動，與主軸聯(lián)動。主軸作勻速轉(zhuǎn)動，在一周內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度為θ，時間為t，則有：

刀具路徑方向為α，主軸每轉(zhuǎn)一周，即角度2π時，刀具路徑改變一次方向，則有：

每一個θ對應(yīng)的孔型圓半徑R為：

μ（θ）是一個周期函數(shù)，周期為 2π，即：

式中：n 為整數(shù)。

刀具位置函數(shù)為：

在刀具每一次循環(huán)過程中，α視為定值，則有：

4.3 最大加速度計算

周期冷軋管的一般尺寸范圍為φ89～φ219，軋輥直徑相應(yīng)為φ450～φ700，在相同的切削線速度下，加工小輥的主軸轉(zhuǎn)速加快，刀架移動的頻率增大，移動速度、加速度也將提高。在此以φ450軋輥加工為例，坯管為φ108×6，精管為φ89×3.5對刀架移動最大加速度進(jìn)行分析。

φ450軋輥零件如圖6所示。軋輥截面圓弧半徑R隨轉(zhuǎn)角θ變化曲線如圖7所示。

在一個周期內(nèi)，刀架的位置在段和段是不變化的，即半徑變化為0，移動速度為0，加速度也為0。通過計算刀架在段段和段的移動加速度，可知加工段時，刀具移動的加速度最大為aABmax=2.453 m/s2。

4.4 進(jìn)給電機功率計算

進(jìn)給電動機功率Nf可按下式計算：

式中：N1為切削加工消耗的功率，kW；N2為克服摩擦力消耗的功率，kW；N3為克服慣性力所需的功率，kW。

通過計算，得 N1=0.104 kW，N2=0.442 kW，N3=0.552 kW。將數(shù)值代入式（9），得Nf=1.098 kW。

確定電機扭矩MG=7.85 N·m。

由于在加工軋輥回轉(zhuǎn)面時切削量大，需要較大切削功率，因此X軸方向和Z軸方向的電機均選用8.5 kW、27 N·m、3 000 r/min伺服電機。

5 結(jié)束語

▲圖6 φ450軋輥零件圖

在軋輥廠按照所述方案對車床進(jìn)行數(shù)控改造［10-11］，應(yīng)用Unigraphics軟件構(gòu)建周期冷軋輥實體模型，應(yīng)用Mastercam軟件編制孔型加工工藝程序，實現(xiàn)了對大型周期冷軋輥復(fù)雜截面孔型的數(shù)控加工,具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，可進(jìn)行專業(yè)化批量生產(chǎn)。實踐證明，這是一次成功的技術(shù)改造，對相關(guān)行業(yè)具有借鑒意義。

▲圖7 截面圓弧半徑Rx隨轉(zhuǎn)角θ變化曲線圖

［1］李耀群.周期式冷軋管機的發(fā)展［J］.鋼管,2002，31（4）：1-8.

［2］李剛.二輥周期式冷軋管機動平衡研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2014.

［3］羅和平，王彪，汲軍.加工仿真技術(shù)在數(shù)控加工中的應(yīng)用［J］.機械制造，2017，55（5）：45-51.

［4］劉濤，王霞琴.基于雙圓弧插補法的變截面渦旋盤的數(shù)控加工［J］.機械制造,2014，52（9）：43-45.

［5］盧彬.機床再制造技術(shù)與再制造工藝的研究［J］.機械制造，2017，55（5）：55-57.

［6］藏昭農(nóng).重型臥式車床及軋輥車床數(shù)控化改造設(shè)計［J］.機械工程師，2004（1）：89-90.

［7］戚翠芬，張景進(jìn)，歐陽元陟，等.C84125普通軋輥車床的數(shù)控化改造及在型鋼軋輥切削中的數(shù)控應(yīng)用［J］.河北冶金，2004（3）：52-54.

［8］劉奕，黃庭梅，明佳，等.西門子828D系統(tǒng)在激光毛化專機上的應(yīng)用［J］.機械制造，2014，52（10）：46-48.

［9］王正君，溫殿英，張立路.機床數(shù)控改造中進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機的選擇［J］.機床與液壓，2001（3）：109-110.

［10］李學(xué)輝，藏欣宇.車床數(shù)控改造及編程加工技巧［J］.鋼管,2003，32（5）：35-38.

［11］吳正洪，朱建能，盧耀暉，等.基于UG NX的數(shù)控車削編程及加工［J］.機械制造，2013，51（8）：54-57.