結(jié)晶器銅管內(nèi)腔加工數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與工藝研究

候 磊，魏兆成，王敏杰，馬日光

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院模具研究所，遼寧 大連 116024)

0 引言

連鑄工藝是鋼鐵廠生產(chǎn)鋼坯的主要方式，連鑄機(jī)是其所采用的主要設(shè)備，作為連鑄機(jī)“心臟”的結(jié)晶器在連鑄過程中充當(dāng)著重要的角色，其性能不僅決定連鑄機(jī)的生產(chǎn)能力，還影響鑄坯的質(zhì)量[1]。銅管是管式結(jié)晶器中的關(guān)鍵部件，相當(dāng)于一個(gè)高效的熱交換器，熔融的鋼水由結(jié)晶器上端注入至銅管內(nèi)腔中，經(jīng)水縫中的冷卻水冷卻后，鋼水凝固為固態(tài)的鑄坯。銅管內(nèi)腔多為復(fù)雜面或曲面，這對銅管內(nèi)腔的加工和修復(fù)帶來了困難[2]。

目前國內(nèi)對于單件小批量結(jié)晶器銅管內(nèi)腔的修復(fù)和加工效率較低，本文所研究的加工方法能在保證精度的情況下提高加工效率，為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益。

1 銅管加工方法選擇

結(jié)晶器銅管內(nèi)腔的加工和修復(fù)主要包括三種方法，即爆炸法、擠壓法和機(jī)械加工法。

爆炸法是利用敷在銅管毛坯表面的炸藥爆炸所釋放出來的沖擊能量使銅管毛坯產(chǎn)生塑性變形，直到其與具有標(biāo)準(zhǔn)銅管尺寸和外形的芯棒完全貼合，爆炸結(jié)束后便可以得到與芯棒表面形狀和尺寸完全一致的內(nèi)腔[3]。采用該方法加工和修復(fù)銅管內(nèi)腔之前，需獲得作為模具的芯棒，故該方法適用于大批量銅管的加工和修復(fù)。通過爆炸法可以獲得尺寸精度較高的銅管內(nèi)腔，但國內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)尚處于初期，無法成熟運(yùn)用。

擠壓法是利用凸、凹模在臥式或立式壓力機(jī)上對銅管毛坯進(jìn)行擠壓成型，使銅管毛坯發(fā)生塑性變形，進(jìn)而與具有標(biāo)準(zhǔn)銅管尺寸和外形的芯棒表面貼合，獲得的銅管內(nèi)腔與芯棒表面的形狀尺寸相同[4]。與爆炸法相似，擠壓過程中需要用到芯棒，故該方法同樣適用于大批量銅管的加工和修復(fù)。國內(nèi)主要采用擠壓法對銅管進(jìn)行加工，但通過該方法難以獲得高精度銅管。

機(jī)械加工法是利用機(jī)床或加工裝置對銅管內(nèi)腔直接進(jìn)行機(jī)械加工，由于銅管內(nèi)腔屬于深孔內(nèi)腔，故無法使用一般的數(shù)控機(jī)床或加工中心對其加工，需要設(shè)計(jì)專用的機(jī)床[5-7]。該方法不需要芯棒，不僅能獲得高精度的銅管，還縮短了加工周期，適用于單件小批量銅管內(nèi)腔的加工和修復(fù)。

機(jī)械加工法是最適合單件小批量銅管內(nèi)腔的加工方法，關(guān)鍵問題在于專用數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)。

2 銅管結(jié)構(gòu)工藝性分析

銅管根據(jù)截面形狀不同分為方坯、矩形坯、圓坯和異型坯銅管，本文以方坯銅管為例進(jìn)行專用數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)。圖1為弧形方坯結(jié)晶器銅管的結(jié)構(gòu)示意圖，該銅管具有的工藝性特點(diǎn)為： ①弧形中心線：整個(gè)銅管長度方向上的中心線為弧形線，中心線彎曲方向上所對應(yīng)的銅管內(nèi)腔面(上下面)為曲面，其余兩個(gè)面(左右面)為直面。②錐度：沿著銅管長度方向，從進(jìn)口到出口，銅管的橫截面尺寸由大變小，不同銅管具有的錐度值不同，類型也不同，包括單錐度、雙錐度、多錐度和連續(xù)錐度[5]。

圖1 方坯銅管結(jié)構(gòu)示意圖

3 專用數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 加工與運(yùn)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2為機(jī)床的整體外形圖，呈立式布置，可加工尺寸范圍內(nèi)的方坯銅管，加工時(shí)銅管豎直裝入機(jī)床中。經(jīng)過銅管的工藝性分析后可知，銅管內(nèi)腔屬于深孔內(nèi)腔，要對其加工必須將刀具伸入至銅管內(nèi)腔中，機(jī)床的加工部分結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，刀具立柱承載著微型電主軸進(jìn)入銅管內(nèi)腔，微型電主軸驅(qū)動(dòng)刀具對銅管內(nèi)腔進(jìn)行銑削加工。具體裝配關(guān)系為機(jī)床底座6上固定有刀具立柱5，微型電主軸3嵌入在刀具立柱5的頂部，球頭銑刀4安裝在微型電主軸3上。為增大機(jī)床的整體剛度，刀具立柱的直徑在允許的情況下盡量做粗，并且在根部設(shè)置加強(qiáng)筋。圖4為機(jī)床的運(yùn)動(dòng)關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖，其運(yùn)動(dòng)形式為工件運(yùn)動(dòng)，刀具靜止。機(jī)床為四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，具有3個(gè)位移坐標(biāo)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，即x，y，z和C(定義：面向機(jī)床，水平向右為x軸正向，垂直向上為z軸正向，y軸由右手笛卡爾坐標(biāo)系確定，C為繞z軸旋轉(zhuǎn))，既可以保證銅管內(nèi)腔的成型要求，又可以使銅管在一次裝夾下完成整個(gè)內(nèi)腔的加工，易于保證銅管內(nèi)腔的精度。

1.機(jī)床天窗 2.結(jié)晶器銅管 (a) 機(jī)床主視圖 (b) 機(jī)床軸測圖 圖2 機(jī)床整體外形圖

3.微型電主軸 4.球頭銑刀 5.刀具立柱 6.機(jī)床底座

圖4 運(yùn)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 機(jī)床裝配連接

結(jié)晶器銅管內(nèi)腔加工數(shù)控機(jī)床主要包括加工部分、x向運(yùn)動(dòng)部分、y向運(yùn)動(dòng)部分和z、C向運(yùn)動(dòng)部分。圖5為y向運(yùn)動(dòng)關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖，機(jī)床的y向運(yùn)動(dòng)由滑板8與底板14之間形成的移動(dòng)副實(shí)現(xiàn)，由齒輪10與齒條9配合驅(qū)動(dòng)滑板8做前后直線運(yùn)動(dòng)，底板14固定在機(jī)床底座6上，齒條9安裝在底板14的右側(cè)，齒輪10安裝在滑板8的電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸上，立柱7與滑板8通過螺栓連接固定。

7.立柱 8.滑板 9.齒條 10.齒輪 11.上立柱滑軌 12.x向絲杠 13.下立柱滑軌 14.底板圖5 y向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖6為x向運(yùn)動(dòng)關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖，機(jī)床的x向運(yùn)動(dòng)由立板15與立柱7之間形成的移動(dòng)副實(shí)現(xiàn)，由x向絲杠12與x向螺母16配合驅(qū)動(dòng)立板15做左右直線運(yùn)動(dòng)，x向絲杠12安裝在立柱7中部，x向螺母16安裝在立板15的背面中部。

15.立板 16.x向螺母 17.z向絲杠圖6 x向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖7為z、C向運(yùn)動(dòng)關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖，機(jī)床的z向運(yùn)動(dòng)由立板15與U型板22之間形成的移動(dòng)副實(shí)現(xiàn)，由z向絲杠17與z向螺母18配合驅(qū)動(dòng)U型板22做上下直線運(yùn)動(dòng)，z向絲杠17安裝在立板15中間位置，z向螺母18安裝在U型板的背面中部。

機(jī)床的C向運(yùn)動(dòng)由U型板22與上下空心盤21、23之間形成的轉(zhuǎn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)，由蝸輪20與蝸桿19配合驅(qū)動(dòng)上下空心盤21、23做繞上下空心盤21、23中心線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，蝸輪20固定在下空心盤23的下側(cè)，蝸桿19安裝在U型板22下端電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸上。

18.z向螺母 19.蝸桿 20.蝸輪 21.上空心盤 22.U型板 23.下空心盤圖7 z、C向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 銅管的裝夾與定位

圖8為銅管的裝夾與定位示意圖。上下空心盤21、23上各安裝有4個(gè)卡爪24，借助于卡爪24的夾緊力對銅管進(jìn)行裝夾，該裝夾方式操作簡單且夾緊可靠。下空心盤23上安裝有定位底板25，借助于定位底板25的凹槽結(jié)構(gòu)對銅管進(jìn)行定位，具體為定位底板25中間加工出一個(gè)帶臺階的凹槽，該凹槽的外形尺寸與銅管下端一致，鑒于不同形狀的銅管具有多種型號，所以需要為各種型號的銅管定制定位底板，凹槽中間貫通，這樣可以使刀具伸入到銅管內(nèi)腔中實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工，凹槽的臺階負(fù)責(zé)支撐銅管，其寬度為銅管厚度的一半，這樣既達(dá)到了支撐銅管的目的，又不會出現(xiàn)干涉刀具對銅管下端內(nèi)腔加工的情況，該定位方式原理簡便且定位準(zhǔn)確。

24.卡爪 25.定位底板圖8 機(jī)床裝夾定位示意圖

4 專用數(shù)控機(jī)床工藝研究

4.1 機(jī)床的對刀方式

4.1.1X、Y、Z方向?qū)Φ?/p>

定義銅管的工件坐標(biāo)系位置，如圖9，即X向分中、Y向距基準(zhǔn)面20mm處、Z向?qū)Φ诪榱?，具體為X方向上的坐標(biāo)零點(diǎn)位于銅管內(nèi)腔的左右對稱面內(nèi)，Y方向上的坐標(biāo)零點(diǎn)位于距Y向基準(zhǔn)面20mm處的面內(nèi)，Z方向上的坐標(biāo)零點(diǎn)位于銅管的下端面內(nèi)。

圖9 工件坐標(biāo)系位置示意圖

如圖10所示，機(jī)床的X、Y、Z向?qū)Φ队衫啄峤B公司生產(chǎn)的觸發(fā)式測頭來完成，測頭測針選用星形測針，在XY平面內(nèi)安裝3根。

圖10 機(jī)床X、Y、Z向?qū)Φ妒疽鈭D

(1)X方向?qū)Φ?/p>

測頭安裝在微型電主軸上，移動(dòng)銅管使其內(nèi)腔左壁與左側(cè)測針的測球接觸，得到測頭發(fā)出的信號后，記錄此時(shí)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)上的絕對坐標(biāo)值X1，同理，使銅管內(nèi)腔右壁與右側(cè)測針的測球接觸，得到絕對坐標(biāo)值X2，見圖11，則工件坐標(biāo)系的X方向偏置為(X2-X1)/2，即G54的X值。

圖11 X方向?qū)Φ妒疽鈭D

(2)Y方向?qū)Φ?/p>

如圖12所示，移動(dòng)銅管使其內(nèi)腔前壁與前方測針的測球接觸，得到信號后，則工件坐標(biāo)系的Y方向偏置為-20，即G54的Y值，由于測針與球頭銑刀的長度不同，需測量二者之間的差值，輸入至刀具補(bǔ)償中。

圖12 Y方向?qū)Φ妒疽鈭D

(3)Z方向?qū)Φ?/p>

如圖13所示，移動(dòng)銅管使其下端面與前方測針的測球接觸，得到信號后，則工件坐標(biāo)系的Z方向偏置為-R/2，即G54的Z值，R為測頭的半徑。

圖13 Z方向?qū)Φ妒疽鈭D

4.1.2C方向?qū)Φ?/p>

該機(jī)床屬于4軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，相對于3軸數(shù)控系統(tǒng)增加了一個(gè)C軸回轉(zhuǎn)坐標(biāo)，使得刀具軸線的控制更加靈活，一次裝卡就可以完成整個(gè)銅管內(nèi)腔的加工，由于增加了一個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)，故該機(jī)床的數(shù)學(xué)模型相對3軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型要復(fù)雜許多，但同時(shí)該機(jī)床也可以增加高檔功能RPCP，這里針對是否增加RPCP功能提出兩種C方向的對刀方法。

(1)具備RPCP功能

RPCP(Rotation Around Part Center Point)[8]是5軸機(jī)床(雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu))工件旋轉(zhuǎn)中心編程的簡稱，該功能是為了補(bǔ)償工件旋轉(zhuǎn)所造成的平動(dòng)坐標(biāo)的變化。由于機(jī)床的回轉(zhuǎn)中心與銅管編程時(shí)的回轉(zhuǎn)中心不重合，故轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)會引起工件坐標(biāo)系原點(diǎn)的位移，而具備RPCP功能的數(shù)控系統(tǒng)會自動(dòng)計(jì)算并保持回轉(zhuǎn)軸中心與工件的相對位置，轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)的每一個(gè)運(yùn)動(dòng)都會被XYZ坐標(biāo)的一個(gè)直線位移所補(bǔ)償。簡而言之，具備RPCP功能的數(shù)控系統(tǒng)可以使該機(jī)床像3軸加工一樣，先輸出程序，且不需要進(jìn)行C方向?qū)Φ丁?/p>

(2)不具備RPCP功能

不具備RPCP功能的數(shù)控系統(tǒng)要求機(jī)床的轉(zhuǎn)軸中心相對于工件的位置值正好等于書寫程序時(shí)所考慮的數(shù)值，而且工件的每一次裝夾調(diào)整都必須重新書寫程序。簡而言之，必須先裝夾工件，然后進(jìn)行對刀操作，這里必須進(jìn)行C方向的對刀，最后根據(jù)C方向的對刀數(shù)據(jù)輸出編程。

圖14為C方向?qū)Φ兜脑韴D，該方法基于3點(diǎn)坐標(biāo)定圓心原理[9]。如圖所示，設(shè)測針的測球球心位于工件坐標(biāo)系原點(diǎn)A(0,0)，O(a，b)為測針的旋轉(zhuǎn)中心，測球球心由第一個(gè)位置A向右旋轉(zhuǎn)α角度至第二個(gè)位置B(x1，y1)，由第二個(gè)位置B向左旋轉(zhuǎn)2α角度至第三個(gè)位置C(x2，y2)。A、B、C的坐標(biāo)與圓心O坐標(biāo)滿足以下關(guān)系：

a2+b2=R2,

(1)

圖14 C方向?qū)Φ对韴D

由三角形ABD和ACD的勾股定理可得以下關(guān)系式：

(2)

將方程組(2)代入方程組(1)中，求解得到圓心O在工件坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值a、b：

(y1y2，a取負(fù)值)

由a、b的表達(dá)式可以看出，確定了預(yù)設(shè)角度α之后，只需要測量出第2位置點(diǎn)(B點(diǎn))、第3位置點(diǎn)(C點(diǎn))與第一位置點(diǎn)(A點(diǎn))的y方向的距離，即可得到圓心O的坐標(biāo)值。

本文所設(shè)計(jì)機(jī)床的刀具靜止，工件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖15所示，由相對運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化可得，y1值為(Y1-Y0)，y2值為(Y2-Y0)。Y0為測球位于初始位置(球心位于工件坐標(biāo)系原點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)角為0°)時(shí)距銅管內(nèi)腔的垂直距離，Y1為銅管由初始位置順時(shí)針旋轉(zhuǎn)α角度時(shí)測球距銅管內(nèi)腔的垂直距離，Y2為銅管由初始位置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)α角度時(shí)測球距離銅管內(nèi)腔的垂直距離。

Y0的具體測量方法為，銅管處于初始位置，移動(dòng)銅管使測頭與銅管內(nèi)腔接觸，獲得接觸信號后記錄y向所移動(dòng)的距離，即Y0；Y1的具體測量方法為，將銅管由初始位置順時(shí)針旋轉(zhuǎn)α角度，分別沿x和y方向移動(dòng)銅管，使其內(nèi)腔與測頭接觸，記錄x向和y向的移動(dòng)距離，即AC和AB。由三角形ABC的幾何性質(zhì)，可解出AD的長度值，即Y1；Y2測量方法與Y1相同。

圖15 C方向?qū)Φ妒疽鈭D

4.2 基于VERICUT的加工仿真驗(yàn)證

4.2.1 虛擬加工仿真

(1)NX輸出機(jī)床模型

將上述設(shè)計(jì)的專用數(shù)控機(jī)床NX模型拆分為6個(gè)部分，即基礎(chǔ)件、X線性件、Y線性件、Z線性件、C旋轉(zhuǎn)件和夾具。利用NX的模型導(dǎo)出功能將以上6個(gè)部分分別輸出為STL格式的模型。

(2)定義機(jī)床組件邏輯結(jié)構(gòu)

為正確地實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)床的仿真加工，需對機(jī)床組件的邏輯結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確定義[10]。根據(jù)所設(shè)計(jì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，確定各機(jī)床組件相互間的子父級關(guān)系，由此定義其邏輯結(jié)構(gòu)，如圖16所示。

圖16 機(jī)床組件邏輯結(jié)構(gòu)圖

(3)導(dǎo)入程序

利用NX的編程模塊，生成銅管內(nèi)腔的加工程序，經(jīng)后處理后導(dǎo)入VERICUT仿真文件中。指定上文所述工件坐標(biāo)系位置，銅管內(nèi)腔曲面為復(fù)雜曲面，故選擇多軸銑中的“可變輪廓銑”加工策略，加工刀具為D5的球頭銑刀，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，生成刀具路徑，如圖17所示。

圖17 刀具路徑圖

(4)加工仿真

機(jī)床仿真控制器選用hei530，刀具和工件坐標(biāo)系設(shè)置完成后，開始進(jìn)行加工仿真[11]，圖18為仿真過程。

圖18 加工仿真過程圖

4.2.2 仿真結(jié)果驗(yàn)證

(1)碰撞檢測

碰撞檢測可以驗(yàn)證加工程序和機(jī)床運(yùn)動(dòng)關(guān)系、結(jié)構(gòu)尺寸的正確性，依據(jù)圖19所示內(nèi)容設(shè)置碰撞檢測，將仿真方式設(shè)定為碰撞時(shí)停止仿真，觀察整個(gè)過程是否存在碰撞。整個(gè)內(nèi)腔加工完成后，發(fā)現(xiàn)并無出現(xiàn)碰撞，可確定刀具軌跡無明顯錯(cuò)誤，機(jī)床運(yùn)動(dòng)關(guān)系合理，結(jié)構(gòu)尺寸符合要求。

圖19 碰撞檢測設(shè)置

(2)過切、殘余分析

過切、殘余分析可以驗(yàn)證運(yùn)行所編程序能否得到符合要求的銅管內(nèi)腔，根據(jù)工廠的銅管零件圖尺寸要求，圖紙上最小公差為±0.1，設(shè)置殘余和過切允許值為0.1，經(jīng)分析計(jì)算，得到結(jié)果，如圖20所示，可以發(fā)現(xiàn)在允許值得范圍內(nèi)不存在殘余和過切，證明所編程序基本可以滿足銅管內(nèi)腔尺寸要求。

圖20 殘余、過切檢測驗(yàn)證

5 結(jié)論

(1)針對單件小批量結(jié)晶器銅管內(nèi)腔加工效率低的問題，設(shè)計(jì)一種專用的數(shù)控機(jī)床，該機(jī)床通用性強(qiáng)，可加工不同截面形狀的銅管內(nèi)腔，結(jié)構(gòu)方面充分考慮了銅管裝夾的方便性和定位的準(zhǔn)確性，且保證在一次裝夾下完成整個(gè)銅管內(nèi)腔的成型加工，避免了多次裝夾造成的精度下降。

(2)基于所設(shè)計(jì)的專用數(shù)控機(jī)床，進(jìn)行了銅管內(nèi)腔的工藝研究。文中所提出的對刀工具和對刀方法可快速地完成對刀操作，提高了加工效率。借助于VERICUT的仿真加工功能，根據(jù)碰撞和殘余、過切的檢測結(jié)果，驗(yàn)證了加工程序與機(jī)床運(yùn)動(dòng)關(guān)系可以滿足銅管內(nèi)腔成型要求。