陰極輥輥芯立式加工工藝方法研究

陳榮，江叔云，李文濤

（中國長江動(dòng)力集團(tuán)有限公司，武漢 430074）

0 引言

目前，國內(nèi)外銅箔的生產(chǎn)一般采用電解法，而陰極輥?zhàn)鳛辄c(diǎn)解法生產(chǎn)銅箔的核心設(shè)備，特別是大直徑陰極輥長期被國外壟斷，直至2016年才實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。陰極輥?zhàn)鳛殡娊忏~箔制造的陰極，吸引銅離子電沉積在其表面，沉積到一定厚度，經(jīng)剝離、表面處理、收卷，連續(xù)生產(chǎn)出電解銅箔。

陰極輥輥芯是陰極輥的主要結(jié)構(gòu)，陰極輥是電解銅箔生產(chǎn)的主要部件之一，是一種鈦、銅、鋼復(fù)合輥，陰極輥與陽極槽配合通過電解CuSO4溶液來生產(chǎn)銅箔, 陰極輥結(jié)構(gòu)屬于大型軸類零件, 陰極輥輥芯最佳加工工藝方法應(yīng)為臥式加工[1]，隨著市場(chǎng)對(duì)銅箔數(shù)量要求越來越多，對(duì)加工能力提高的需求也日益迫切，受臥車設(shè)備數(shù)量等限制，或有無法滿足大規(guī)模批量化生產(chǎn)要求的可能。

為解決產(chǎn)能問題，本文以φ2700 mm陰極輥的立式加工工藝方法為研究對(duì)象，考慮工件尺寸及結(jié)構(gòu)，結(jié)合車床結(jié)構(gòu)，甄別立式加工與臥式加工此類產(chǎn)品的關(guān)鍵差異，借鑒參考以往的工藝方法研究設(shè)計(jì)加工工藝，重點(diǎn)研究如何將軸類工件立式裝夾并加工，對(duì)可能涉及到的環(huán)節(jié)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。利用現(xiàn)有臥式車床、立式車床，通過對(duì)陰極輥輥芯加工工藝方法的改進(jìn)，探索，設(shè)計(jì)立車加工陰極輥輥芯工裝，利用現(xiàn)有設(shè)備和選擇切削參數(shù)等，解決了φ2700 mm陰極輥輥芯外圓加工問題，經(jīng)過實(shí)際加工驗(yàn)證，立式加工工藝方法加工的陰極輥輥芯外圓尺寸、形位公差、粗糙度均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能

1.1 陰極輥的結(jié)構(gòu)

陰極輥輥芯是陰極輥的主要結(jié)構(gòu)，陰極輥是電解銅箔生產(chǎn)的主要部件之一，是一種鈦、銅、鋼復(fù)合輥，陰極輥與陽極槽配合通過電解CuSO4溶液來生產(chǎn)銅箔,陰極輥輥芯簡圖如圖1所示。

圖1 陰極輥輥芯簡圖

陰極輥輥芯是由鋼筒、鋼襯環(huán)、銅套、軸、銅堵板、鋼堵板等零件組焊而成，組焊后車輥芯外圓。

1.2 陰極輥輥芯外圓精加工技術(shù)要求

輥芯是銅箔生產(chǎn)的重要零件之一，輥芯半精加工后單邊留有2 mm精加工余量，輥芯精車需保證輥芯外圓的形位公差設(shè)計(jì)要求，輥芯外圓相對(duì)基準(zhǔn)A和基準(zhǔn)B的同軸度為0.08 mm，直線度不大于0.08 mm，圓跳動(dòng)小于0.08 mm，表面粗糙度為Ra3.2 μm，輥芯外圓不允許有接刀痕跡。

2 陰極輥輥芯立式加工的主要難點(diǎn)

在立車上加工輥芯的難點(diǎn)較多，歸納起來大概有以下幾點(diǎn)。

2.1 不易裝夾

輥芯結(jié)構(gòu)屬于長軸類零件，適合臥車加工，但由于產(chǎn)能受限，需研究立車上加工方法，根據(jù)輥芯的長度及外圓應(yīng)選用5 m數(shù)控立車，由于兩端軸頸太細(xì)，無法通過立車卡爪夾緊，輥芯屬于空心薄壁零件，壁厚只有25 mm左右,且輥芯外圓不能有接刀痕跡，所以卡爪不能夾輥芯外圓，軸端離輥芯端面有1.2 m左右，這就給加工過程中的裝夾造成很大的困難。

2.2 刀具的選擇及合理的加工參數(shù)

由于輥芯的加工精度較高，外圓加工行程長，會(huì)造成刀具的磨損或損壞，會(huì)嚴(yán)重影響輥芯表面的加工質(zhì)量，所以對(duì)刀具的要求、切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量的選擇也相對(duì)較高，要根據(jù)不同的加工精度選擇合適的刀具及加工參數(shù)，在保證輥芯加工精度的同時(shí)，還要保證生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 不易找中及校正

由于輥芯立式裝夾放置，輥芯外圓相對(duì)軸的基準(zhǔn)A、B同軸度不大于0.08 mm，直線度不大于0.08 mm，對(duì)找中、校平精度要求都很高，如果找中、校平存在偏差，這對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響很大，長軸結(jié)構(gòu)類零件立車加工，要保證設(shè)計(jì)要求有相當(dāng)?shù)碾y度。

2.4 外形尺寸大

由于此零件比較高，外形尺寸大，大機(jī)床轉(zhuǎn)速低，單純依靠刀具加工外圓，不易保證Ra3.2 μm的粗糙度。

3 工藝方案

3.1 輥芯立式加工工藝流程

輥芯外圓加工精度較高，根據(jù)零件設(shè)計(jì)要求，整體工藝路線為：1）由臥車加工輥芯所需要的找中、校平基準(zhǔn)（基準(zhǔn)見圖1、圖2）；2）立車半精車、精車輥芯外圓；3）拋光打磨輥芯外圓，降低粗糙度。

3.1.1 臥車加工基準(zhǔn)

1）在驅(qū)動(dòng)端一側(cè)（即銅堵板平面），在銅堵板與鋼堵板連接孔節(jié)圓上均布三等分工藝基準(zhǔn)墊板（工藝墊板為立車精加工校平用，精加工后拆掉），并擰緊螺栓（裝配蓋板過程中注意防止異物進(jìn)入鋼筒內(nèi)）。

2）輥芯上車床，夾驅(qū)動(dòng)端托另一端φ160外圓處，找正軸兩端φ160位處跳動(dòng)不大于0.03，選取3個(gè)截面檢查鋼筒外圓跳動(dòng)。

3）查輥芯各軸向與徑向尺寸（確認(rèn)加工余量是否足夠）。

4）在鋼筒兩端距離端面30 mm處，各加工一處30 mm寬的校正帶（如圖1），粗糙度為Ra3.2 μm；在驅(qū)動(dòng)端端面上工藝墊板加工一處20 mm寬的校正帶（如圖2），粗糙度要優(yōu)于Ra3.2 μm。

3.1.2 立車精加工輥芯

1）檢查輥芯外圓及幅寬等尺寸，確認(rèn)余量充足。

2）立車工裝底座上車床，工裝按外圓找中并固定，上平面按最小加工量光刀，輥芯短軸端向下，吊入立車工裝底座，將工裝底座和輥芯外圓大致對(duì)好，保證工件和工裝貼合面間隙小于0.01 mm，如有必要，加調(diào)整墊片，調(diào)整千斤頂及卡爪，按上平面工藝墊板上校平基準(zhǔn)校平工件，外圓上下兩處基準(zhǔn)找中，要求不大于0.02 mm。利用軸端M56孔將工件適當(dāng)固定，整個(gè)輥芯質(zhì)量約為8 t，無需其他壓緊力，靠自重可以保證加工過程工件不躥動(dòng)，如圖4所示。

3）端面各孔作防護(hù)封堵，確保鐵屑不得進(jìn)入輥芯內(nèi)部；

4）軸下端裝吊環(huán)，預(yù)拉緊固定，上端面打百分表，經(jīng)實(shí)際效果測(cè)試，拉緊固定后百分表跳動(dòng)不大于0.02 mm時(shí)可保證輥芯形位公差不受影響。

5）車鋼筒外圓圖示（φ2700±0.1）mm尺寸成φ2700mm，為了精加工后表面不留有上一工序的加工痕跡和缺陷，需考慮如表面質(zhì)量、形位公差、本工序加工的安裝誤差等影響因素[2]，經(jīng)計(jì)算及試制，留0.2 mm余量，結(jié)合焊接標(biāo)準(zhǔn)，VT或PT檢查銅堵板與鋼筒焊縫區(qū)域，如有必要?jiǎng)t進(jìn)行消除缺陷處理，待處置完成后繼續(xù)加工，最后一刀須連續(xù)，加工過程中及時(shí)清理鐵屑，避免劃傷表面。

3.1.3 磨削外圓

為達(dá)到提高表面加工質(zhì)量，精車后將電動(dòng)拋光百葉輪夾持裝在車床刀座上。啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，拋光輪拋光鋼筒外圓表面，保證連續(xù)工作，中途不得停止，拋光鋼筒外圓至Ra3.2 μm。為提高生產(chǎn)率和獲得較好的磨削表面質(zhì)量，生產(chǎn)中常常是一開始采用較大的徑向進(jìn)給量，最后幾次減小進(jìn)給量，并進(jìn)行光磨[3]。

圖3 輥芯的立式裝夾

3.2 設(shè)備選用

根據(jù)工件外形尺寸和設(shè)計(jì)要求加工設(shè)備我們選擇了5 m數(shù)控立車，設(shè)備主要參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)備主要參數(shù)

上述設(shè)備設(shè)備參數(shù)可以滿足陰極輥輥芯的外圓加工。

3.3 立式裝夾工裝的設(shè)計(jì)

因?yàn)檩佇玖⑹窖b夾時(shí)端面立軸端有1200 mm左右，不穩(wěn)定也不好裝夾，所以須設(shè)計(jì)一個(gè)過渡架使輥芯端面能夠落在工裝（如圖4）上，才能保證加工過程中的穩(wěn)定性[4]，同時(shí)考慮起吊高度及設(shè)備的高度限制，在加工工裝上部設(shè)計(jì)一個(gè)比軸的直徑大的缺口，起吊時(shí)工件就無需吊得過高，可以從外側(cè)缺口進(jìn)入工裝，工裝外圓略小于輥芯外圓，這樣可以保證一次裝夾可以完成整個(gè)滾面的加工。

圖4 輥芯立式加工

3.4 輥芯精車加工方法及加工參數(shù)

由于輥芯重心高，本體材料較軟，且為空心薄壁件，加工過程中，如果刀具和切削參數(shù)選用不合理，就會(huì)造成工件抖動(dòng)、刀具磨損過快、排屑不暢、產(chǎn)生夾屑等一系列情況，無法保證其加工精度，為此選用合適的刀具和合理的加工參數(shù)極為重要。

3.4.1 刀具選用

由于工件材質(zhì)軟、直徑大、加工行程長、線速度高、重心較高，且為空心薄壁零件，這一系列問題都會(huì)影響加工質(zhì)量與加工效率，因此在加工過程中選用合適的刀具就極為重要。由于工件本體材料較軟（半成品零件材料為Q235, 成品零件材料為鈦合金），且加工行程達(dá)到1330 mm，并且外圓直徑大，線速度較高，勢(shì)必會(huì)造成在切削過程中斷屑困難，極易產(chǎn)生纏屑和積屑瘤；由于工件加工行程長，線速度高，如果刀具抗磨性能不足，就會(huì)在加工時(shí)形成磨損，無法保證加工精度；由于工件重心高，且為空心薄壁零件，如果刀具選用不合理，造成切削力過大，就會(huì)在加工過程中造成工件抖動(dòng)或者由于零件內(nèi)部空心原因產(chǎn)生諧振，從而無法保證加工精度及相對(duì)位置度。

綜上所述，在選用刀具時(shí)要滿足以下幾點(diǎn)：1）容易斷屑且不容易夾屑；2）抗磨性能優(yōu)良；3）切削力小。總結(jié)以上三點(diǎn)，選用35°可轉(zhuǎn)位機(jī)夾車刀，刀片選用CVD涂層的特固克TT8125刀片最為合適[5]，粗車刀片為VNMG160412-PC，精車刀片為VNMG160408-PC。該刀片基體采用YT15硬質(zhì)合金，表面為氮化鉻涂層。

3.4.2 切削參數(shù)的選用

刀具的類型選用合理后，還需要搭配使用合理的加工參數(shù)，才能保證加工精度、提高加工效率。因此針對(duì)此類型的陰極輥零件，在前期加工試驗(yàn)中通過不斷嘗試，在保證加工精度、加工效率、加工經(jīng)濟(jì)性的前提下，得到了表2所示的比較合理的加工參數(shù)供大家參考使用。

表2 加工參數(shù)表

4 結(jié)論

通過對(duì)輥芯裝夾、刀具選用、加工過程等方面的研究，進(jìn)行加工工藝方法的改進(jìn)和探索，設(shè)計(jì)立車加工輥芯工裝，利用現(xiàn)有立車設(shè)備和選擇切削參數(shù)等，解決了φ2700 mm陰極輥外圓加工問題。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用陰極輥立式加工能滿足設(shè)計(jì)要求，為后期長軸類輥芯類零件的立式加工提供了參考。