國內高端石墨電極本體數控加工生產線的研制

劉 晏，關長明，劉殿友，姜 立

（大連機床集團有限責任公司技術中心，遼寧大連 116021）

國內高端石墨電極本體數控加工生產線的研制

劉 晏，關長明，劉殿友，姜 立

（大連機床集團有限責任公司技術中心，遼寧大連 116021）

為解決國內石墨電極本體加工只能依賴進口設備份能達到高效生產和高精加工等問題，文章介紹了最經濟、最合理的石墨電極本體加工工藝方案，通過對數控加工生產線內部的結構優化設計、外部的防塵吸塵設計以及各工序切削參數的調整，不僅滿足了石墨電極本體多種規格的高效生產和生產過程中的安全環保要求，而且使產品精度得到了顯著的提升。

石墨電極；數控加工；生產線

0 引言

我國20世紀70、80年代對石墨電極本體加工多采用在改造過的普通車床上完成，直到80年代末90年代初才從國外引進了較為先進的石墨電極本體加工生產線，當時的生產線具有自動化程度高，操作方便，生產效率高，加工精度高等特點。但隨著國內電極規格的大型化發展和全國鋼標準化技術的提高，當時的自動生產線在工藝特點、夾具工裝、除塵環保、數控技術等方面已不能滿足現階段要求。故我公司結合目前國內現有石墨電極數控加工機床的加工工藝特點，遵循國際先進的設計思路，借鑒已有的數控加工機床優點，設計出了一條具有高效率、高精度、高穩定性、高可靠性、高安全環保性和高技術經濟性的石墨電極本體數控加工生產線。

1 生產線整體方案的制定

1.1 被加工零件規格

毛坯直徑：φ350mm～φ850mm；

毛坯長度：1500mm～3300mm；

毛坯重量：最大3500kg。

1.2 生產效率

2.5分鐘/根。

1.3 工序內容

毛坯上線（上料）；

工位I：自動裝料、對中測量；

工位II：粗加工兩端面和錐形孔；

工位III：粗、精車削外圓；

工位IV：對中測量；

工位V：半精、精加工端面和梳銑錐螺紋；

成品下線（下料）。

1.4 產品加工精度

檢查項目實測值

外圓圓柱度0.1mm

外圓圓度0.06mm

端面中凹度0.025mm/200mm

螺紋有效直徑誤差0～+0.05mm

螺紋孔錐度誤差（9°27′44"）±30"

螺紋單牙螺距誤差±0.015mm

螺紋螺距累計誤差0.06mm/150mm

螺孔中心線與端面的垂直度0.015mm/φ250mm

螺孔中心線與電極中心線的同軸度0.05mm

螺紋齒形半角偏差±10′

1.5切削參數

生產線各工位專機切削參數見表1。

表1 各專機切削參數

2 生產線整體布局

本生產線由3臺金屬切削機床和3臺輔助機床設備組合而成，如圖1生產線各工位運行狀態示意圖。生產線采用SIEMENS 840D數控系統來控制，其系統具有較高的可靠性和抗干擾能力。整線采用現場總線PROFIBUS來實現網絡控制，在中央控制室里，設有管理服務器和維修服務器集中管理生產現場各加工設備。輸送方式采用水平輸送結構，輸送料線被夾在機床基座的中間，所有動作均由伺服電機控制。生產線采用全封閉防護，避免粉塵對數控系統的電磁干擾，同時保證安全環保、美觀實用。將切屑收集防塵罩安裝在所有刀具周圍，同時在石墨電極加工部位和機床防護上方分別設置大口徑的吸塵口和粉塵吸收裝置，實現揚塵的二次回收。

圖1 生產線各工位運行狀態示意圖

3 生產線各工序優化設計

3.1 上料、對中和測量裝置

抬起油缸將石墨電極升至預定高度，然后由油缸驅動齒輪齒條將電極對中。由于相同規格的石墨電極毛坯長度差距較大，故采用旋轉編碼器將對中推板所處的位置數據傳輸到下一工位機床的數控系統中，從而控制被加工石墨電極的加工長度。

3.2 雙面臥式粗銑端面和鏜錐形孔組合機床

由于石墨電極毛坯外徑存在橢圓、錐度等不規則外形，為最大限度保證石墨電極兩端錐形孔中心與電極本體中心的同心度，在機床設計研發過程中做了以下內容的改進，大大提升了產品的合格率。

（1）機床結構設計：機床采用雙滑臺、雙進給結構。夾具和銑削頭進給機構固定在大進給滑臺上，由伺服電機驅動，可在滑座上前后移動，以滿足石墨電極長度由1500mm～3300mm的加工范圍要求，同時在大滑臺上安裝液壓抱緊機構，確保設備可以穩定加工。

（2）夾具工裝設計：夾具設計采用自定心結構，由液壓馬達驅動正反螺母，令夾爪做自定心夾緊。如圖2工位I夾具示意圖所示。

（3）銑削頭主軸設計：主軸直徑為φ300mm，主軸帶氣密封和主軸中心吹氣功能，所起的作用分別是避免粉塵進入主軸和清除加工后錐形孔內部切削粉塵。銑削頭主電機功率為45kW。

圖2 工位I夾具示意圖

3.3 龍門式車削石墨電極外圓組合機床

（1）工藝方案設計：為提高石墨電極本體的加工效率和加工精度，電極外圓加工由安裝在龍門橫梁上的數控滑臺帶動其上的5組車刀完成，每組車刀裝有粗車刀和精車刀各一把，各車刀的前后移動均由各自的伺服電機驅動，吃刀深度均可單獨調整，更容易保證電極本體外圓加工精度的一致性。

（2）夾具工裝設計：在左右兩側的動力頭前端均裝有錐形彈性定位體和端面夾爪，前者將石墨電極對中撐起，后者將石墨電極兩端夾緊。此種方式提高了對石墨電極的定位精度，同時對已加工過的錐形孔無任何損傷。

（3）驅動裝置設計：驅動石墨電極旋轉的動力頭分別安裝在左右兩側的滑臺上，一側滑臺為數控滑臺，主要用于對石墨電極軸向的定位，另一側滑臺為液壓滑臺，采用液壓缸進給，用于夾緊石墨電極。動力頭主軸直徑為φ250mm，兩側動力頭采用功率為37kW的伺服電機同步驅動。

3.4 雙面臥式精加工端面、梳銑螺紋組合機床

為避免電極與接頭的不良連接，減少電極損耗，解決電極接頭連接處通電燒斷的痼疾，必須提高電極螺紋中心線與端面的垂直度、電極螺紋的位置及加工精度，在機床設計研發過程中如何實現電極與接頭的“理想連接”是關鍵問題。

（1）機床結構設計：夾具和橫向數控滑臺固定在大進給滑臺上，由伺服電機驅動，可在滑座上前后移動，同時在大滑臺上安裝液壓抱緊機構，保證設備穩定加工。精銑端面銑削頭和螺紋銑削頭及各自的數控滑臺均安裝在橫向數控滑臺上。

（2）夾具工裝設計：夾具采用自定心結構，夾具的旋轉是由伺服電機帶動蝸桿，驅動與渦輪連接的花鍵軸帶動左右夾具同時旋轉。夾具夾緊是由液壓缸帶動擺桿通過夾緊盤上的楔鐵機構傳給三個夾爪實現對石墨電極進行夾緊。如圖3工位III夾具示意圖所示。

圖3 工位III夾具示意圖

（3）銑削頭主軸設計：銑削分為半精銑和精銑加工，精銑頭采用電主軸驅動，實現高速銑削（主軸轉速達到2000r/min），兩序加工提高了端面的平面度、光潔度，并且使表面美觀。精銑端面銑削頭主軸直徑為φ140mm，主軸帶氣密封，銑削頭主電機功率為18.5kW。

螺紋銑削頭由5.5kW電機驅動，硬質合金梳銑刀安裝于動力頭的刀盤上，動力頭沿斜導軌進行銑削。主軸直徑為φ140mm，主軸帶氣密封和主軸中心吹氣功能。

4 結束語

本生產線通過對石墨電極加工的工藝方案、切削參數、機床設備結構等一系列的優化設計，不僅滿足了多種規格石墨電極的加工要求，也使得石墨電極的加工精度達到并超出了預期的目標，提高了產品質量和生產效率。目前，我國碳素加工行業所使用的設備陳舊，故障率高，加工產品合格率低，操作環境惡劣。本生產線的研制成功填補了我國高端石墨電極本體數控加工生產線的制造空白。

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（編輯 李秀敏）

Development of Domestic High-end G raphite Electrode Body CNC M achining Production Line

LIU Yan，GUAN Chang-ming，LIU Dian-you，JIANG Li
（Technical Center，Dalian Machine Tool Group Corp.，Dalian Liaoning 116021，China）

In order to solve the domestic graphite electrode bodymachining can only rely on imported equipment to achieve the problem such as efficient production and high precisionmachining etc，this paper introduces themost econom ical and reasonable process scheme for the graphite electrode body machining，based on CNCmachining production linew ithin the structure optim ization design，design of external dust collection and the adjustment of cutting parameters in each process，not only to meet the efficient production of graphite electrodes body a variety of specifications and the security requirements of environmental protection in the process of production，but also the accuracy of the product has been significantly improved.

graphite electrode；CNC machining；production Line

TH122；TG506

A

1001-2265（2015）07-0150-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.07.042

2015-03-03；

；2015-05-08

劉晏（1957-），男，遼寧大連人，大連機床集團有限責任公司工程師，從事組合機床、生產線、柔性線項目研發和設計工作，（E-mail）liuyan1957@126.com；通訊作者：關長明（1983-），男，遼寧大連人，大連機床集團有限責任公司工程師，從事組合機床、生產線、柔性線項目研發和設計工作。