軋輥磨床的優(yōu)化與應(yīng)用

沈海文

（上海機(jī)床廠有限公司 上海 200093）

1 引言

軋輥磨床是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的一種重要生產(chǎn)設(shè)備，軋輥主要用于冶金、造紙等行業(yè)，它的磨削機(jī)理具有一般大型外圓磨床特點(diǎn)但又不同于一般的外圓磨床，其加工運(yùn)動(dòng)復(fù)雜得多，除了砂輪與工件（軋輥）作相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（主運(yùn)動(dòng)）外，還要求砂輪和工件之間作相對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)作一定的徑向位移運(yùn)動(dòng)，而且徑向位移運(yùn)動(dòng)是不同于磨削錐度的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。因此，它的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，軋輥磨床要求除了要有良好的外觀，對(duì)其圓度、粗糙度均勻一致[1]，表面不得有振紋、劃痕之外，還要求表面不得出現(xiàn)螺旋紋、斜紋。機(jī)床工作精度要求也較高，軋輥磨床的磨削精度和表面質(zhì)量除了依靠機(jī)床精度外，還取決于磨削工藝參數(shù)的不斷優(yōu)化和改進(jìn)。

在軋輥磨削過(guò)程中產(chǎn)生螺旋紋、斜紋的主要原因有：（1）若砂輪制造商生產(chǎn)的砂輪硬度、組織不均勻，使作業(yè)人員在磨削過(guò)程中對(duì)砂輪的平衡無(wú)法完全控制，那么在旋轉(zhuǎn)磨削時(shí)就會(huì)強(qiáng)迫振動(dòng),即磨削出的軋輥產(chǎn)生螺旋紋；（2）砂輪夾盤與主軸錐面沒(méi)有很好的安裝到位，在磨削過(guò)程中會(huì)使砂輪產(chǎn)生不規(guī)則的擺動(dòng)，直接影響砂輪的平衡性，從而使砂輪產(chǎn)生跳動(dòng)；（3）冷卻液里混入過(guò)多的液壓油，會(huì)使冷卻效果變差，磨削過(guò)程中對(duì)鐵屑沖洗不凈，從而增加砂輪磨削阻力，使軋輥產(chǎn)生螺旋紋；中心架緊固托瓦過(guò)緊，使軋輥旋轉(zhuǎn)力無(wú)法釋放，軋輥易產(chǎn)生螺旋紋；（5）軋輥磨削過(guò)程中，切削電流發(fā)生波動(dòng)時(shí)，輥面形成螺旋紋；（6）磨頭負(fù)荷后壓力不穩(wěn)定，產(chǎn)生壓腔波動(dòng)，軸向間隙過(guò)大，軋輥極易產(chǎn)生螺旋紋；（7）頭架和砂輪電機(jī)皮帶過(guò)緊使軋輥產(chǎn)生振紋；（8）中心架的托瓦要一直保持接觸面良好，若發(fā)現(xiàn)有發(fā)黑現(xiàn)象，要及時(shí)刮瓦，以保證軋輥軸頸有良好的潤(rùn)滑和軋輥旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性[2]。

公司生產(chǎn)的H366機(jī)床安裝完成后進(jìn)行磨削調(diào)試，軋輥表面出現(xiàn)了螺旋紋、斜紋等缺陷，采用常規(guī)的調(diào)整方法后仍然無(wú)法解決。本文基于機(jī)床的結(jié)構(gòu)，針對(duì)軋輥磨床在調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的軋輥表面螺旋紋、斜紋問(wèn)題，采用頭架同步齒形帶優(yōu)化、液壓系統(tǒng)優(yōu)化和砂輪修整工藝優(yōu)化的策略進(jìn)行磨削工藝優(yōu)化，以滿足用戶銅箔軋輥的鏡面磨削要求。

2 機(jī)床概述

H366軋輥磨床（圖1）是為用戶開(kāi)發(fā)的一款數(shù)控專用軋輥磨床，適用于磨削冶金工業(yè)中軋機(jī)的工作輥、中間輥和支承輥及造紙、橡膠、印染、鋁箔等行業(yè)中的各種金屬壓輥。機(jī)床砂輪的進(jìn)給、工作臺(tái)的移動(dòng)，由西門子數(shù)控系統(tǒng)控制、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。軋輥中凸中凹的加工，通過(guò)機(jī)械仿型機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，機(jī)床還可磨削長(zhǎng)筒類零件、長(zhǎng)軸類零件的外圓柱面。

圖1 H366數(shù)控軋輥軸磨床

頭架采用交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)、變頻器控制，帶動(dòng)工件回轉(zhuǎn)。調(diào)速范圍寬、速度調(diào)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工件撥盤的無(wú)級(jí)調(diào)速。頭架撥盤由高精度滾動(dòng)軸承支承回轉(zhuǎn)。頭架頂尖為死頂尖結(jié)構(gòu)。頂尖為公制#100高強(qiáng)度鑲硬質(zhì)合金固定頂尖。

砂輪主軸軸承采用高壓靜壓軸承，經(jīng)大節(jié)流比節(jié)流器實(shí)現(xiàn)高壓、高剛性主軸支承，潤(rùn)滑油由獨(dú)立供油系統(tǒng)提供。該系統(tǒng)配有油溫控制裝置，進(jìn)油壓力穩(wěn)定，并具有可靠的壓力保護(hù)裝置，保證砂輪主軸的高精度、高剛度、高負(fù)荷、高可靠性的要求。砂輪主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)由交流電機(jī)通過(guò)三角帶及皮帶輪傳動(dòng)，通過(guò)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)砂輪轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)整，如表1所示為軋輥磨床主要規(guī)格參數(shù)。

表1 軋輥磨床主要規(guī)格參數(shù)

液壓系統(tǒng)的主要液壓元件包括各類控制閥、壓力保護(hù)元件、潤(rùn)滑元件、蓄能器等采用進(jìn)口或國(guó)內(nèi)合資企業(yè)產(chǎn)品。潤(rùn)滑油箱配有溫度控制系統(tǒng)，以保證潤(rùn)滑系統(tǒng)的正常工作，適應(yīng)溫差較大的地區(qū)使用。

3 問(wèn)題分析及磨削工藝優(yōu)化策略

3.1 頭架傳動(dòng)部分優(yōu)化

軋輥磨床頭架采用窄 V形三角帶，通過(guò) PLC聯(lián)動(dòng)變頻器固定區(qū)域一鍵抖動(dòng)循環(huán)及數(shù)控 M 指令編輯差速度變頻抖動(dòng)，功能項(xiàng)可有效消除磨削常見(jiàn)三大紋路中的螺旋紋、斜紋等，同時(shí)，窄V三角帶在長(zhǎng)短不均勻的情況下，傳遞力矩會(huì)對(duì)其有效運(yùn)行平穩(wěn)產(chǎn)生影響，從而難以消除磨削時(shí)的螺旋紋和斜紋。相比原設(shè)計(jì)同步帶傳動(dòng)中帶與帶輪靠嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，雖同步帶綜合了帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)各自的優(yōu)點(diǎn)，更具有傳動(dòng)平穩(wěn)、速比恒定且傳動(dòng)比大的特點(diǎn)，但在高精度軋輥磨削應(yīng)用中則凸顯出帶與帶輪齒形嚙合時(shí)調(diào)整皮帶漲緊力不能很好的控制嚙合間隙的問(wèn)題，嚙合間隙較小時(shí)，傳動(dòng)呼呼發(fā)震；間隙較大時(shí)，傳動(dòng)圓周失圓。由于漲緊偏心套用H7/g6間隙公差配合，在傳遞有效載矩時(shí)不能有效保持水平方向和垂直方向的帶輪周切穩(wěn)定性，故改作運(yùn)行更加平穩(wěn)有效的V形三角帶作為恒力矩輸出的載矩，同時(shí)固定所有相關(guān)傳動(dòng)鏈調(diào)整部位的間隙并加以強(qiáng)化固定。同時(shí)優(yōu)化頭架傳動(dòng)鏈的變循環(huán)抖動(dòng)功能，在三角帶無(wú)縫銜接的情況下進(jìn)行頻率2～3Hz的變循環(huán)抖動(dòng)無(wú)火花恒電流拋光磨削，使工件表層受力面積始終能在一定單位量的壓刀力下重復(fù)循環(huán)，使之能滿足有色金屬行業(yè)特定要求，頭架傳動(dòng)鏈如圖2所示。

圖2 頭架傳動(dòng)鏈

同時(shí)工件線速度vw增加，單位時(shí)間內(nèi)切除的金屬量增加，提高了生產(chǎn)效率。但是，隨著工件線速度的增加，工件表面單位面積上進(jìn)行切削的磨粒數(shù)減少，每個(gè)磨粒切下的磨屑厚度增加，使磨削力增加，工件表面上的凹痕間的殘留面積增加。vw也不能過(guò)小，否則工件表面和砂輪接觸時(shí)間長(zhǎng)，工件表面溫度上升容易引起表面燒傷。根據(jù)長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在選擇工件線速度vw時(shí)應(yīng)與砂輪線速度vs之間保持一定的比例關(guān)系[3]：

其中：vw工件線速度m/min；vs砂輪線速度 m/s。

因?yàn)橥鈭A磨砂輪的線速度一般為35m/s，則vw=13～26(m/min)，所以需通過(guò)電氣技術(shù)使頭架線速度在13～26 m/min之間，根據(jù)實(shí)際工件圓周線速度不停的切換以達(dá)到表面質(zhì)量要求。以下是通過(guò)機(jī)械結(jié)合電氣相關(guān)參數(shù)設(shè)置功能優(yōu)化PLC示例為高頻變循環(huán)源程序示例：頭架轉(zhuǎn)速在時(shí)間繼電器的作用下不斷地做加速度到指定頻率波段 ，到達(dá)指定頻率后不斷地做減速度恢復(fù)到初始設(shè)定頻率的動(dòng)作。

為了達(dá)到頭架轉(zhuǎn)速不斷震蕩變化的效果，在變頻器中設(shè)置了4檔速度，分別用4個(gè)按鈕和M指令實(shí)現(xiàn)手動(dòng)及自動(dòng)模態(tài)下的切換動(dòng)作。以下是一檔速度切換的PLC程序示例：

接通速度1（M156.1）后，通過(guò)T10和T11兩個(gè)時(shí)間繼電器，控制（M156.2）交替通斷，即接通3秒，斷開(kāi)3秒。

通過(guò) M156.2，帶動(dòng)繼電器線圈地址 Q1.3，繼電器觸發(fā)變頻器的多檔速度1。

3.2 液壓系統(tǒng)優(yōu)化

由于托板靜壓油壓過(guò)高導(dǎo)致浮升量增大產(chǎn)生托板運(yùn)動(dòng)時(shí)漂浮，床身導(dǎo)軌失去導(dǎo)向作用。故拖板浮升量控制在0.005～0.008 mm，精磨光刀時(shí)拖板浮升量調(diào)整為0.001～0.003 mm，在滿足拖板不爬行的情況下，盡可能讓工作臺(tái)與床身導(dǎo)軌貼合緊實(shí)；同時(shí)，在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的能量損失有壓力、流量及機(jī)械三方面的因素，特別是在壓力較高、流量較大的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)化為大壓力低流量低浮起量的精磨過(guò)程中。液壓控制部分需利用 PLC功能塊隨時(shí)隨地的改變工作臺(tái)導(dǎo)軌及砂輪架導(dǎo)軌浮起量進(jìn)行高低壓處理以及M指令及時(shí)運(yùn)用到磨削程序中，從而使機(jī)床在磨削過(guò)程中能進(jìn)行快速度粗精磨削，并且使工件在精磨狀態(tài)下能保持良好穩(wěn)定的恒電流工藝磨削（由于導(dǎo)軌液壓浮起過(guò)高的不穩(wěn)定性，切削電流表發(fā)生波動(dòng)時(shí)，極易在輥面形成螺旋紋斜紋，切削電流的穩(wěn)定對(duì)軋輥磨削質(zhì)量非常重要）。由于磨床大多采用液體靜壓導(dǎo)軌支撐，使其形成支撐摩擦面，建立承載油膜而將摩擦面分開(kāi)，故能使其在不同的速度、不同的載荷下均能實(shí)現(xiàn)純液體摩擦。本次改進(jìn)主要針對(duì)用高速度粗磨與低速精磨進(jìn)行自動(dòng)化互切換承載油膜進(jìn)而達(dá)到粗磨快速磨除精磨承載穩(wěn)定不漂移，增加高低壓電磁開(kāi)關(guān)使其能在自動(dòng)程序下控制高低的分流作用，如圖3所示。

圖3 拖板浮升量液壓原理圖

3.3 砂輪修整的參數(shù)調(diào)整

對(duì)于光磨時(shí)間久而造成的螺旋紋、斜紋，在調(diào)整砂輪線速度、切削電流、拖板速度、軋輥轉(zhuǎn)速均未能有效消除螺旋紋、斜紋（如圖4所示），應(yīng)考慮砂輪修整有一定的影響，考慮到砂輪寬度較寬，切削為面切削而非點(diǎn)切削，拖板正方向運(yùn)動(dòng)時(shí)使砂輪后邊角易帶出螺旋線，反之砂輪前腳易帶出螺旋線，造成砂輪作用力無(wú)法集中吻合在同一點(diǎn)，故修整磨削工藝特別要求將砂輪修整為中凸 0.01～0.05mm（視實(shí)際情況而定）。

圖4 砂輪形狀未改進(jìn)前磨削軌跡示意圖

砂輪圓弧修整源程序示例如下：

通過(guò)數(shù)控程序?qū)崿F(xiàn)砂輪圓弧輪插補(bǔ)成型，砂輪修整后的形狀如圖5所示，此時(shí)切削作用力集中在砂輪中間點(diǎn)，拖板正方向與反方向磨削時(shí)，砂輪作用力集中吻合在同一點(diǎn)，從而使其相互作用力恒定，滿足恒電流切削要素。

圖5 修整后的砂輪外形

軋輥磨床為得到較高磨削精度，必須提高各個(gè)伺服軸的定位精度與重復(fù)定位精度，尤其是修整砂輪時(shí)U軸、Z軸的定位精度與重復(fù)定位精度。各種復(fù)雜曲面的修型均需依靠U軸與Z軸的插補(bǔ)完成對(duì)砂輪復(fù)雜曲面的修整。但由于絲杠與導(dǎo)軌在制造和裝配過(guò)程中存在一定的誤差，為了消除這一誤差，各個(gè)伺服軸的絲杠需進(jìn)行正反向的螺距誤差補(bǔ)償及反向間隙的補(bǔ)償以得到更高的曲線定位精度與重復(fù)定位精度，保證更高的磨削精度及砂輪曲面形狀。同時(shí)在拋光表面處理時(shí)，配合頭架磨削高頻變循環(huán)及工件線速度、砂輪線速度、拖板速度的配比，主要是根據(jù)工件直徑、當(dāng)前砂輪直徑及砂輪應(yīng)用的軟硬等級(jí)來(lái)試驗(yàn)并論證砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速、工作臺(tái)移動(dòng)速度等建立恒電流切削的配比速度，以滿足實(shí)際需求。

4 優(yōu)化改進(jìn)效果

通過(guò)強(qiáng)光燈照射被加工表面較小間距間峰谷所組成微觀幾何形狀特征，研究磨削后留下的微觀痕跡的集合，觀察散布在最外層表面上尖銳的輪廓（泛指螺旋紋、斜紋）。圖6為未優(yōu)化前輥面表面樣式，無(wú)法滿足技術(shù)要求。根據(jù)上述優(yōu)化措施的思路，對(duì)原問(wèn)題處理后得到的效果如圖7和圖8所示。圖7為9Cr2Mo材料的軋輥表面燈效果圖，圖8為有色金屬冷軋銅箔表面效果圖。工件表面粗糙度由Ra0.32μm提高到Ra0.08 μm內(nèi)，微觀痕跡無(wú)規(guī)律可循，達(dá)到了技術(shù)要求。

圖6 未優(yōu)化前軋輥磨削工件

圖7 9Cr2Mo軋輥表面燈效果圖

圖8 有色金屬冷軋銅箔表面效果圖

5 結(jié)語(yǔ)

軋輥磨床傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，磨削時(shí)遇到問(wèn)題在所難免，解決問(wèn)題才是重中之重?；跈C(jī)床的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)頭架傳動(dòng)鏈、液壓浮起量、砂輪修整優(yōu)化等策略對(duì)磨削工藝進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了鏡面銅箔軋輥高效率、高品質(zhì)、高價(jià)值磨削，滿足了用戶的要求。本文的方法，在一定范圍內(nèi)可以應(yīng)用于需要鏡面磨削所需的有色金屬軋輥的磨削，具有很大的推廣價(jià)值。