螺紋鋼軋輥月牙槽專用數控銑床設計

魏建華

( 南通紡織職業技術學院機電系，江蘇南通226007)

隨著我國國民經濟的高速發展，尤其是南水北調、西氣東輸、三峽工程、西部開發、2008 年奧運會場館、2010 年世博場館和全國范圍的城鎮建設等大型房地產項目的相繼啟動，給建筑、水利、電力、路橋等行業帶來了史無前例的發展機遇，各種規格螺紋鋼(又稱熱軋帶肋鋼筋，其牌號由HRB 和牌號的屈服點最小值構成)應用范圍日益擴大，據國家相關統計數據在2008 年建筑用螺紋鋼用量達到1 億噸。為滿足需求，各鋼廠螺紋鋼軋制項目相繼上馬。

螺紋鋼軋輥是軋鋼機上的重要零件，利用一對或一組螺紋鋼軋輥滾動時產生的壓力來軋碾不同規格螺紋鋼型材。軋碾出的螺紋鋼筋與光圓鋼筋的區別在于其表面有縱筋與橫筋，通常為兩道縱筋和若干沿長度方向均勻分布的橫筋。在熱軋成形螺紋鋼的加工過程中，螺紋鋼軋輥的使用壽命主要受高溫、高壓、高速等引起的動、靜載荷及惡劣工作環境的影響，易出現磨損、點蝕甚至是斷裂等破壞現象。為了進一步提高軋輥的使用壽命，以碳化鎢作為基體、以金屬鈷或鈷和鎳為粘結材料制成的硬質合金軋輥，因具有硬度高、耐磨損的性能，被廣泛應用于高速線材精軋機組。燒結碳化鎢軋輥具有非常好的耐磨性，很容易達到使用要求，但韌性卻不容易達到，故一般采用分體式結構，即利用燒結碳化鎢制成輥環，如圖1 所示;軋輥主體則由韌性較好的塑性材料制成，裝配后進行螺紋鋼軋制。

圖1 燒結碳化鎢輥環

所設計機床需實現的主要功能是實現在碳化鎢軋輥的環形槽內加工月牙槽，同時需考慮軋輥所軋制的螺紋鋼上的商標、文字及圖案的加工要求。

1 月牙槽加工方案確定

當前，無論國內還是國外，螺紋鋼軋輥月牙槽數控加工機床作為加工螺紋鋼軋輥的首選機床已被所有螺紋鋼軋輥制造企業所接受。但長期以來，由于使用廠家要求的不斷提高而機床生產廠家又受到技術開發水平和實踐經驗的限制，使現有的各種型號數控螺紋鋼軋輥月牙槽銑床在功能、結構上都存在很多不足。故作者在機床設計過程中首先對現有機床進行深入分析，在吸取其優點的同時摒棄缺陷，以滿足設計要求。目前螺紋鋼軋輥月牙槽加工機床設計方案按月牙槽銑削加工部分結構功能的不同可分為銑頭擺動切削式和飛刀切削式兩種。

1.1 銑頭擺動切削式

如圖2 所示，利用數控系統控制完成工件回轉、銑頭擺動及深度進給補償各軸的運動控制，使高速旋轉的指狀成型銑刀遵循軋輥環槽的圓弧曲線在軋輥環槽內一次(或分次)成型切削出滿足要求的月牙槽。其特點是在切削過程中指狀成型銑刀基本垂直于被加工的軋輥圓弧環槽面，這樣能最大限度地以指狀成型銑刀來保證加工槽型的質量，并能同時實現工序集中，完成所需任意商標、文字及圖案等信息加工刻制，且自動化程度較高，產品質量也容易保證。但其致命的缺點有: (1)專用指狀成型銑刀的切削狀態極差，刀尖處的切削線速度幾乎等于零，極易磨損，特別對于高硬度碳化鎢軋輥加工更是力不從心;(2)月牙槽切削加工不是連續進行，加工效率低下。

圖2 銑頭擺動式

1.2 飛刀切削式

如圖3 所示，銑床的刀桿軸與工件(軋輥)回轉軸互成90°交角，刀桿軸軸線置于軋輥環形槽中心，刀桿刀頭中心位于過工件軸線并與刀桿軸線垂直的平面。機床工作時利用數控系統控制完成飛刀、工件回轉及月牙槽深度進給補償等各軸的運動控制，使安裝在飛刀桿上的成型銑刀與工件(軋輥)完成旋轉插補運動，同時刀桿軸作趨向工件中心的進給運動，直至刀桿軸軸線到達要求的軋輥月牙槽投影弧中心。以前，純機械的飛刀切削機床只能使刀桿與工件回轉成固定的(一次加工)比例傳動，以保證不同要求的月牙槽螺旋夾角，但同時也犧牲了槽間距的標準要求?，F在的數控系統已可以實現一段月牙槽加工運動(刀桿軸轉一圈)的任意分段插補控制，消除了機械傳動式的加工誤差及加工原理缺陷，同時，也使生產出的軋輥月牙槽完全符合國家及廠商的相關標準要求，而且其連續切削的加工方式使加工效率得到成倍的提高。因此飛刀銑削式機床已成為現今軋輥月牙槽加工的主流。但它最大的缺陷是不能在軋輥上刻制商標、文字及圖案，不能實現工序集中以進一步提高加工效率。

圖3 飛刀切削式

1.3 確定加工方案

采用了飛刀切槽機構與銑頭擺動刻字結構一體化設計方案，實現了對現有的螺紋鋼軋輥加工——飛刀銑削月牙槽和擺動式高速主軸雕銑商標、文字、圖案在一臺機床上的完美結合，可高效率地完成月牙槽飛刀銑削與文字、圖案雕刻加工。

2 機床運動分析

2.1 月牙槽銑削加工運動分析

月牙槽銑削加工需要飛刀旋轉、工件的回轉運動，并且兩者間應有明確的運動關系即應構成范成插補運動，以實現月牙槽加工的不同切深的深度方向進給運動及多個工位加工時工作位置的調整運動。

2.2 商標、文字及圖案等信息加工運動分析

由前所述，飛刀切槽機構無法實現商標、文字及圖案等信息的加工。擬采用銑頭擺動刻字結構，故其在加工時需要指狀成型銑刀的高速回轉切削主運動、指狀成型銑刀(銑頭)的左右擺動、工件的回轉運動，以實現信息加工的不同切深的深度方向進給運動及多個工位加工時工作位置的調整運動。

2.3 兩種加工運動的成組化

從兩種加工的運動分析即可看出對于該專機設計來說，工件的回轉運動、深度方向進給運動及多個工位加工時工作位置的調整運動是完全相同的，不同的僅在于月牙槽銑削加工需要飛刀回轉運動而信息加工需要指狀銑刀切削主運動及左右擺動，而飛刀回轉運動和指狀銑刀左右擺動均屬于進給運動，且均需在運動中保持與工件回轉運動的比例關系，故只需在設計過程中將兩者傳動鏈有機結合，用同一驅動單元進行驅動，在簡化機械結構設計的同時也使得數控系統的控制軸數能有效減少。

3 機床總體布局

設計機床總體布局如圖4 所示，該機床本體包括床身、頭架、拖板、飛刀及擺動銑頭一體化傳動結構等部件。夾持工件的夾具(自動脹套)安裝在頭架主軸上，由頭架伺服電機驅動完成工件圓周進給運動或實現圓周分度運動。

為達到如前所述的飛刀回轉機構與指狀成型銑刀擺動機構一體化設計，由同一伺服電機驅動經不同傳動鏈完成月牙槽銑削加工所需的飛刀回轉運動和信息加工所需要的指狀銑刀左右擺動的目的，設計如圖4所示的月牙槽銑削加工回轉及信息加工擺動一體化傳動結構，運動自伺服電機輸出經同步帶輪傳動、錐齒輪改變回轉方向，最后經斜齒輪分流，一路傳遞至飛刀回轉軸，另一路通過電磁離合器吸合將運動經扇齒輪傳遞至指狀銑刀擺動部分。在分析設計過程中，原設想在飛刀回轉軸上也安裝離合器，后來考慮到安裝高度的影響最終將之取消，這樣一來在飛刀回轉時由于電磁離合器脫開指銑刀擺動部件不會運動，但在信息加工指銑刀擺動時，飛刀安裝軸會跟隨回轉，設計過程中需考慮此時的干涉及安全操作問題。

圖4 機床總體布局

4 飛刀銑削及擺動銑頭一體化結構工作原理

如圖5 所示，飛刀銑削機構與擺動式雕銑機構為一體化部件，由同一電機驅動。伺服電機經同步齒帶輪及圓錐齒輪副29 (圖中未畫出)、4 將動力和轉動位置信號傳遞到中間軸5，經其余傳動部件及相關的控制元件分配后分別實現兩種方式的加工切削功能。

圖5 一體化機構工作原理圖

4.1 飛刀銑削

中間軸經圓柱齒輪副3、2 直接驅動刀桿主軸20，控制刀桿主軸與軋輥旋轉的比例插補關系從而實現飛刀銑削月牙槽功能。為提高加工時飛刀軸19 的切削剛度，采用一夾一頂的裝夾方式，并在受力最大處由固定支撐座17、可調支撐墊塊18 予以支撐。在飛刀銑削狀態時，擺動式銑頭本體14 處于擺動方向的中間位置(0 位)。安裝在銑頭體底面的固定板11用銷12 與回轉支座25 連接定位，螺釘13 鎖緊;齒輪軸6 上的牙嵌式電磁離合器8 脫開，齒輪9 只在齒輪軸6 上空轉。

4.2 雕銑文字信息

機床需擺動式雕銑文字信息時，牙嵌式電磁離合器8 首先吸合，中間軸經圓柱齒輪副3、9 驅動齒輪軸6，最后通過齒輪軸端部齒輪與銑頭體底部齒圈7嚙合，帶動銑頭體作擺動運動。擺動式銑頭體的回轉中心孔采用一向心滑動軸承23 及兩個推力滾針軸承22、24 空套在回轉支座25 上，銑頭體的回轉中心與飛刀刀桿主軸的旋轉軸線重合。為加強銑頭體的整體剛性，特別在銑頭體與回轉支座之間安裝了新型的滾動圓弧導軌10。在擺動式雕銑狀態時，需拆除銑頭體底面的固定板11 與回轉支座25 聯結的定位銷及鎖緊螺釘，并卸下前端的飛刀刀桿固定支撐座17 及飛刀軸19 并將頂尖翻轉，藏在銑頭本體內的電主軸15伸出至要求位置并鎖緊，裝上指成形銑刀具后就可進行雕銑加工。

該機構實現了對現有的兩種軋輥月牙槽加工方式在一套機構上的完美結合。通過簡單的切換操作，可自由選擇飛刀銑削月牙槽或擺動式高速主軸雕銑的工作方式。整套裝置的轉換過程只需10 min 即可完成，且兩套加工方式的性能、精度互不干涉。

5 結束語

通過對現有同類型數控機床的優缺點、加工工藝及加工功能需求進行分析，尤其是對月牙槽加工運動原理以及信息加工運動原理實現的研究，提出了月牙槽銑削加工和銑頭擺動信息加工一體化結構，達到了適應高硬度材料加工、能實現連續切削、體現工序集中原則的設計目標。

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