軋輥磨床的優化與應用

沈海文

（上海機床廠有限公司 上海 200093）

1 引言

軋輥磨床是現代工業生產中不可缺少的一種重要生產設備，軋輥主要用于冶金、造紙等行業，它的磨削機理具有一般大型外圓磨床特點但又不同于一般的外圓磨床，其加工運動復雜得多，除了砂輪與工件（軋輥）作相對回轉運動（主運動）外，還要求砂輪和工件之間作相對縱向運動的同時作一定的徑向位移運動，而且徑向位移運動是不同于磨削錐度的復合運動。因此，它的傳動機構比較復雜，軋輥磨床要求除了要有良好的外觀，對其圓度、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螺旋紋、斜紋。機床工作精度要求也較高，軋輥磨床的磨削精度和表面質量除了依靠機床精度外，還取決于磨削工藝參數的不斷優化和改進。

在軋輥磨削過程中產生螺旋紋、斜紋的主要原因有：（1）若砂輪制造商生產的砂輪硬度、組織不均勻，使作業人員在磨削過程中對砂輪的平衡無法完全控制，那么在旋轉磨削時就會強迫振動,即磨削出的軋輥產生螺旋紋；（2）砂輪夾盤與主軸錐面沒有很好的安裝到位，在磨削過程中會使砂輪產生不規則的擺動，直接影響砂輪的平衡性，從而使砂輪產生跳動；（3）冷卻液里混入過多的液壓油，會使冷卻效果變差，磨削過程中對鐵屑沖洗不凈，從而增加砂輪磨削阻力，使軋輥產生螺旋紋；中心架緊固托瓦過緊，使軋輥旋轉力無法釋放，軋輥易產生螺旋紋；（5）軋輥磨削過程中，切削電流發生波動時，輥面形成螺旋紋；（6）磨頭負荷后壓力不穩定，產生壓腔波動，軸向間隙過大，軋輥極易產生螺旋紋；（7）頭架和砂輪電機皮帶過緊使軋輥產生振紋；（8）中心架的托瓦要一直保持接觸面良好，若發現有發黑現象，要及時刮瓦，以保證軋輥軸頸有良好的潤滑和軋輥旋轉的穩定性[2]。

公司生產的H366機床安裝完成后進行磨削調試，軋輥表面出現了螺旋紋、斜紋等缺陷，采用常規的調整方法后仍然無法解決。本文基于機床的結構，針對軋輥磨床在調試過程中出現的軋輥表面螺旋紋、斜紋問題，采用頭架同步齒形帶優化、液壓系統優化和砂輪修整工藝優化的策略進行磨削工藝優化，以滿足用戶銅箔軋輥的鏡面磨削要求。

2 機床概述

H366軋輥磨床（圖1）是為用戶開發的一款數控專用軋輥磨床，適用于磨削冶金工業中軋機的工作輥、中間輥和支承輥及造紙、橡膠、印染、鋁箔等行業中的各種金屬壓輥。機床砂輪的進給、工作臺的移動，由西門子數控系統控制、伺服電機驅動。軋輥中凸中凹的加工，通過機械仿型機構實現。同時，機床還可磨削長筒類零件、長軸類零件的外圓柱面。

圖1 H366數控軋輥軸磨床

頭架采用交流變頻電機驅動、變頻器控制，帶動工件回轉。調速范圍寬、速度調節運轉平穩，可實現對工件撥盤的無級調速。頭架撥盤由高精度滾動軸承支承回轉。頭架頂尖為死頂尖結構。頂尖為公制#100高強度鑲硬質合金固定頂尖。

砂輪主軸軸承采用高壓靜壓軸承，經大節流比節流器實現高壓、高剛性主軸支承，潤滑油由獨立供油系統提供。該系統配有油溫控制裝置，進油壓力穩定，并具有可靠的壓力保護裝置，保證砂輪主軸的高精度、高剛度、高負荷、高可靠性的要求。砂輪主軸的轉動由交流電機通過三角帶及皮帶輪傳動，通過交流變頻調速系統實現砂輪轉速的無級調整，如表1所示為軋輥磨床主要規格參數。

表1 軋輥磨床主要規格參數

液壓系統的主要液壓元件包括各類控制閥、壓力保護元件、潤滑元件、蓄能器等采用進口或國內合資企業產品。潤滑油箱配有溫度控制系統，以保證潤滑系統的正常工作，適應溫差較大的地區使用。

3 問題分析及磨削工藝優化策略

3.1 頭架傳動部分優化

軋輥磨床頭架采用窄 V形三角帶，通過 PLC聯動變頻器固定區域一鍵抖動循環及數控 M 指令編輯差速度變頻抖動，功能項可有效消除磨削常見三大紋路中的螺旋紋、斜紋等，同時，窄V三角帶在長短不均勻的情況下，傳遞力矩會對其有效運行平穩產生影響，從而難以消除磨削時的螺旋紋和斜紋。相比原設計同步帶傳動中帶與帶輪靠嚙合傳遞運動和動力，雖同步帶綜合了帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動各自的優點，更具有傳動平穩、速比恒定且傳動比大的特點，但在高精度軋輥磨削應用中則凸顯出帶與帶輪齒形嚙合時調整皮帶漲緊力不能很好的控制嚙合間隙的問題，嚙合間隙較小時，傳動呼呼發震；間隙較大時，傳動圓周失圓。由于漲緊偏心套用H7/g6間隙公差配合，在傳遞有效載矩時不能有效保持水平方向和垂直方向的帶輪周切穩定性，故改作運行更加平穩有效的V形三角帶作為恒力矩輸出的載矩，同時固定所有相關傳動鏈調整部位的間隙并加以強化固定。同時優化頭架傳動鏈的變循環抖動功能，在三角帶無縫銜接的情況下進行頻率2～3Hz的變循環抖動無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循環，使之能滿足有色金屬行業特定要求，頭架傳動鏈如圖2所示。

圖2 頭架傳動鏈

同時工件線速度vw增加，單位時間內切除的金屬量增加，提高了生產效率。但是，隨著工件線速度的增加，工件表面單位面積上進行切削的磨粒數減少，每個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也不能過小，否則工件表面和砂輪接觸時間長，工件表面溫度上升容易引起表面燒傷。根據長期實踐經驗，在選擇工件線速度vw時應與砂輪線速度vs之間保持一定的比例關系[3]：

其中：vw工件線速度m/min；vs砂輪線速度 m/s。

因為外圓磨砂輪的線速度一般為35m/s，則vw=13～26(m/min)，所以需通過電氣技術使頭架線速度在13～26 m/min之間，根據實際工件圓周線速度不停的切換以達到表面質量要求。以下是通過機械結合電氣相關參數設置功能優化PLC示例為高頻變循環源程序示例：頭架轉速在時間繼電器的作用下不斷地做加速度到指定頻率波段 ，到達指定頻率后不斷地做減速度恢復到初始設定頻率的動作。

為了達到頭架轉速不斷震蕩變化的效果，在變頻器中設置了4檔速度，分別用4個按鈕和M指令實現手動及自動模態下的切換動作。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T10和T11兩個時間繼電器，控制（M156.2）交替通斷，即接通3秒，斷開3秒。

通過 M156.2，帶動繼電器線圈地址 Q1.3，繼電器觸發變頻器的多檔速度1。

3.2 液壓系統優化

由于托板靜壓油壓過高導致浮升量增大產生托板運動時漂浮，床身導軌失去導向作用。故拖板浮升量控制在0.005～0.008 mm，精磨光刀時拖板浮升量調整為0.001～0.003 mm，在滿足拖板不爬行的情況下，盡可能讓工作臺與床身導軌貼合緊實；同時，在液壓傳動系統中的能量損失有壓力、流量及機械三方面的因素，特別是在壓力較高、流量較大的工作狀態轉化為大壓力低流量低浮起量的精磨過程中。液壓控制部分需利用 PLC功能塊隨時隨地的改變工作臺導軌及砂輪架導軌浮起量進行高低壓處理以及M指令及時運用到磨削程序中，從而使機床在磨削過程中能進行快速度粗精磨削，并且使工件在精磨狀態下能保持良好穩定的恒電流工藝磨削（由于導軌液壓浮起過高的不穩定性，切削電流表發生波動時，極易在輥面形成螺旋紋斜紋，切削電流的穩定對軋輥磨削質量非常重要）。由于磨床大多采用液體靜壓導軌支撐，使其形成支撐摩擦面，建立承載油膜而將摩擦面分開，故能使其在不同的速度、不同的載荷下均能實現純液體摩擦。本次改進主要針對用高速度粗磨與低速精磨進行自動化互切換承載油膜進而達到粗磨快速磨除精磨承載穩定不漂移，增加高低壓電磁開關使其能在自動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 砂輪修整的參數調整

對于光磨時間久而造成的螺旋紋、斜紋，在調整砂輪線速度、切削電流、拖板速度、軋輥轉速均未能有效消除螺旋紋、斜紋（如圖4所示），應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切削，拖板正方向運動時使砂輪后邊角易帶出螺旋線，反之砂輪前腳易帶出螺旋線，造成砂輪作用力無法集中吻合在同一點，故修整磨削工藝特別要求將砂輪修整為中凸 0.01～0.05mm（視實際情況而定）。

圖4 砂輪形狀未改進前磨削軌跡示意圖

砂輪圓弧修整源程序示例如下：

通過數控程序實現砂輪圓弧輪插補成型，砂輪修整后的形狀如圖5所示，此時切削作用力集中在砂輪中間點，拖板正方向與反方向磨削時，砂輪作用力集中吻合在同一點，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，必須提高各個伺服軸的定位精度與重復定位精度，尤其是修整砂輪時U軸、Z軸的定位精度與重復定位精度。各種復雜曲面的修型均需依靠U軸與Z軸的插補完成對砂輪復雜曲面的修整。但由于絲杠與導軌在制造和裝配過程中存在一定的誤差，為了消除這一誤差，各個伺服軸的絲杠需進行正反向的螺距誤差補償及反向間隙的補償以得到更高的曲線定位精度與重復定位精度，保證更高的磨削精度及砂輪曲面形狀。同時在拋光表面處理時，配合頭架磨削高頻變循環及工件線速度、砂輪線速度、拖板速度的配比，主要是根據工件直徑、當前砂輪直徑及砂輪應用的軟硬等級來試驗并論證砂輪轉速、工件轉速、工作臺移動速度等建立恒電流切削的配比速度，以滿足實際需求。

4 優化改進效果

通過強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為未優化前輥面表面樣式，無法滿足技術要求。根據上述優化措施的思路，對原問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，微觀痕跡無規律可循，達到了技術要求。

圖6 未優化前軋輥磨削工件

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 結語

軋輥磨床傳動結構復雜，磨削時遇到問題在所難免，解決問題才是重中之重?；跈C床的現有結構，通過對頭架傳動鏈、液壓浮起量、砂輪修整優化等策略對磨削工藝進行改進，實現了鏡面銅箔軋輥高效率、高品質、高價值磨削，滿足了用戶的要求。本文的方法，在一定范圍內可以應用于需要鏡面磨削所需的有色金屬軋輥的磨削，具有很大的推廣價值。