（机械工程专业论文）数控轧辊双面扁头铣床的研制.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 随着国内轧钢生产线的不断增加，对轧辊的需求量不断上升，这为国内外轧辊制造 商提供了巨大商机，生产商都千方百计提高自己的生产能力，以求占领更大的市场份额， 这就要求企业自身的装备水平必须有所提高，这为数控轧辊双面扁头铣床的设计、制作 提供了有利的外部条件。 论文结合企业相关技改项目，在分析了国内外相关轧辊扁头加工技术与工艺设备优 缺点的基础上，针对企业现有扁头加工工艺的不足之处，开展了数控轧辊双面扁头铣床 样机的设计与研制工作，主要研究内容和取得的成果如下： 首先通过对轧辊双面扁头铣床中的x 轴运动部件、主轴箱部件、机床力r - r 方式、总 体结构等各种可能的结构方案的优、缺点进行对比分析，确定了数控轧辊双面扁头铣床 总体设计方案与技术参数。在此基础上对机床至关重要的主轴箱进行了结构设计与分 析，使主轴箱的结构合理，避免切削时的不利因素，保证加工要求；为确保研制的样机 成功，避免给研制的样机带来隐患；对主轴箱内的关键轴进行了强度校核；对研制过程 发现的问题进行了分析并对解决措施进行阐述，对研制的样机主要精度进行了检验。最 后选择某典型轧辊件进行进行切削加工试验，综合验证了所设计研制的数控轧辊双面扁 头铣床样机能够实现在同一工位完成整支轧辊的全部加工要求。 本论文研制的设备不仅满足了企业的生产急需，而且显著缩短了轧辊的加工工艺路 线，减少使用设备数量，降低企业生产成本。 关键词：铣床；轧辊；结构设计；加工质量 数控轧辊双面扁头铣床的研制 d e v e l o p m e n t o ft w o - s i d e df l a tr o llm ill e ro fn u m b e rc o n t r o l s a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo ft h es t e e lr o l l i n gp r o d u c t i o nl i n ei nc h i n a , h u g ea m o u n t so fr o l l sa r e d e m a n d e d s o ，i tp r o v i d el a r g eb u s i n e s so p p o r t u n i t i e sf o rt h ed o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a l m a n u f a c t u r e r s i no r d e rt oc a p t u r el a r g e rm a r k e tq u o t a ，m a n u f a c t u r e r sm u s ti m p r o v et h el e v e l o fp r o d u c t i o na n de q u i p m e n t i tp r o v i d et h eb e n e f i c i a le x t e r i o rc o n d i t i o nf o rt h ed e s i g na n d m a n u f a c t u r eo ft h et w o s i d e df l a tr o l lm i l l e ro fn u m b e rc o n t r o l s c o m b i n e dw i t ht h er e l a t i v et e c h n i c a lr e f o r m i n gp r o j e c to ft h ec o m p a n y ，t h em e r i ta n d s h o r t c o m i n go ft h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr o l l i n gp r o c e s se q u i p m e n t sa r ef i r s ta n a l y z e di n t h et h e s e ，a n dt h e nt h en e wn cm i l l i n gm a c h i n ef o rt h em i l l i n go ff l a th e a do fr o l li sd e s i g n e d a n da n a l y z e di no r d e rt oo v e r c o m ee x i s t i n gs h o r t a g eo ft h ef l a th e a dm i l l i n gp r o c e s si no u r c o m p a n y 1 1 1 em a j o rc o n t e n t so f t h ep r e s e n tw o r ka r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em e r i ta n ds h o r t c o m i n go f t h em i l l e rs t r u c t u r e ss u c ha s t h ex s l i d i n gt a b l e ，t h es p i n d l eb o x ，t h ep r o c e s sw a yo f t h em a c h i n et o o l ，a n de t c i ，t h eg e n e r a ld e s i g ns c h e m ea n di t st e c h n i c a lp a r a m e t e r so ft h en cm a c h i n et o o la r ed e t e r m i n e d 1 1 1 e n t h es t r e n g t ho ft h es p i n d l eb o xs t r u c t u r ei sa n a l y z e dt oa v o i dd i s a d v a n t a g e sa n dt oa s s u r et h e r e q u i r e m e n to ft h em a c h i n i n g i no r d e rt oi n s u r et h es a m p l em a c h i n e t o o lt ob ed e v e l o p e ds u c - c e s s ，t h es t r e n g t ho ft h ek e ys p i n d l ei nt h em a i ns p i n d l eb o xi st h e o r e t i c a l l yv e r i f i e d ，t h ep r o b l e m si nd e v e l o p i n gp r o c e s sa r ea n a l y z e da n dt h em e t h o d st os o l v et h e s ep r o b l e m sa r es h o w n i nt h et h e s e s f u r t h e rm o r et h em a i ng e o m e t r i ca c c u r a c yo ft h es a m p l em a c h i n et o o ld e v e l o p e da r em e a s u r e da n de x p e r i m e n t a l l yd e t e c t e d s o m et y p i c a lr o l l sa r em a c h i n e d i ti s s h o w n t h a tt h em a c h i n et o o ld e v e l o p e dc a nb eu s e dt of i n i s ha l lo ft h em a c h i n i n gp r o c e s s e so ft h er o l l i nas a n l ei n s t a l l i n gp o s i t i o n p r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h em a c h i n et o o ld e v e l o p e di no u rw o r k s h o ps h o w st h a ti td o e s n o to n l ys a t i s f yt h ed e m a n do ft h ep r o d u c t i o nb u ta l s os h o r t e n st h ep r o c e s sr o u t e t h ea m o u n t o fm a c h i n ee q u i p m e n t sa n dp r o d u c t i o nc o s ta r ea l s or e d u c e dm a r k e d l y k e yw o r d ：m i l l i n gm a c h i n et o o l ；r o l l ；s t r u c t u r ed e s i g n ；m a c h i n i n gq u a l i t y i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：数控奎l 辊巫画扃达选压的婴剑 作者签名：圣查盔丛日期：上年上月日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名：迪一、 e l 期：翌年j 三月二e 1 日期： 翌2 年j 三月j 二- 日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1综述 随着国内热轧生产线的不断增加，对轧辊的需求量不断上升，这就为国内外轧辊制 造商提供了巨大的商机，各生产商都千方百计的提高自己的生产能力，提高加工质量， 以求占领更大的市场份额，这就要求对自己的装备水平有所提高，但轧辊制造企业往往 是历史比较悠久的企业，比如说鞍钢重机公司轧辊厂是1 9 3 5 年建厂，1 9 3 6 年投入生产， 是中国第一家轧辊厂，到目前为止已经有7 0 余年的生产历史，其厂房占地面积经过半 个多世纪的变迁已经没有进一步扩充的可能，要进行大规模的厂房改造，增加数量庞大 的机床，需要占用较大面积的厂房，这在现在看来似乎是不大可能的，同时设备的增加 需要大量的操作者，随着劳动力成本的不断增加，使用的人员越多，长期的成本越大， 同时人为操作的比例越大，在操作环节上就越容易产生差错，对产品质量产生不利影响， 正因为以上原因，轧辊生产企业普遍要求有一种专用机床，其加工效率为普通机床1 5 2 倍，或者更高，加工质量照现有设备提高一个等级或者更高，这就是数控轧辊双面扁头 铣床设计、制作的初衷。 1 1国内外轧辊扁头加工技术与设备概况 1 1 1 国内企业轧辊扁头加工技术与设备概况 国内企业对轧辊扁头的加工普遍采用普通镗床来进行，其优点是设备生产周期短， 价格低廉，机床的加工范围广，能够适应大多数的镗铣工作要求，缺点是加工效率低， 加工质量一般，不能在同一工位完成所有镗铣加工要求，对操作者的操作水平要求较高， 高精度的轧辊加工困难，辅助时间长。 一些小企业采用刨床进行扁头加工，其优点是占用生产面积小，价格十分低廉，缺 点是加工效率十分低下，加工范围适应性差，加工质量很差，基本不能满足加工质量要 求，对操作者的操作水平要求高，高精度的轧辊加工十分困难，辅助时间长。 个别企业采用龙门铣床进行加工，其优点是加工效率较高，设备生产周期较短，价 格较低，辅助时间短，机床的加工范围广，能够适应大多数的镗铣工作要求；缺点是占 用生产面积大，机床不能发挥最高效率，造成部分资源浪费，对降低加工成本不利，不 能在同一工位完成所有镗铣加工要求，加工质量一般，对操作者的操作水平要求较高， 高精度的轧辊加工困难。 普通数控镗铣床，其优点是机床的加工范围广，能够适应大多数的镗铣工作要求， 对操作者的操作水平要求不高，能够加工高精度的轧辊，加工效率较高。缺点是设备制 造周期较长，价格较高，不能在同一工位完成全部的镗铣工作，辅助时间较长。 数控轧辊双面扁头铣床的研制 采用简易数控双面扁头铣床进行加工，如鞍钢重机公司轧辊厂，这种双面扁头铣床 铣床可以理解为宽度较小的龙门铣床，其优点是加工效率较高，加工质量高，能够完成 扁头平面的加工，对操作者的操作水平要求不高；缺点是只能进行平面加工，如果要进 行圆根、倒角、键槽等的加工，辅助时间很长，甚至超过实际切削时间的2 倍以上，在 一定程度上降低了加工效率，机床维护时间较长，出现故障后，另一侧无法正常工作。 11 2 国外企业轧辊扁头加工技术与设备概况 由于劳动力成本在加工总成本中所占的比重较大，因此国外的企业普遍采用加工效 率较高的数控设备，主要有以下几种： 普通数控镗铣床，其优点是机床的加工范围广，能够适应大多数的镗铣工作要求， 对操作者的操作水平要求不高，能够加工高精度的轧辊，加工效率较高。缺点是设备制 造周期较长，价格较高，不能在同一工位完成全部的镗铣工作，辅助时间较长。 单柱式镗铣床，配备有功能强大的加工刀具库，其优点是机床的加工范围广，能够 适应大多数的镗铣工作要求，对操作者的操作水平要求不高，能够加工高精度的轧辊。 加工效率较高，能在同一工位完成全部的镗铣工作，辅助时间最小。缺点是，由于存在 功能强大的刀具库价格很高，设备制造周期很长，机床功能强大。故障率较高，一旦机 床出现故障，维修相对困难，维修周期长。会给生产秩序带来较大冲击。 图1 1 单柱式镗铣床 f i g 11s i n g l e - c o l e m n d d i i i 虺a n d m i n i n g m a c h i n e l o o l 大连理工大学专业学位硕士学位论文 采用数控双面扁头铣床进行加工，其优点是加工效率较高，加工质量高，能够完成 扃头平面的加工，对操作者的操作水平要求不高；缺点是只能进行平面加工，如果要进 行圆根、倒角、键槽等的加工，辅助时间很长，甚至超过实际切削时同的2 倍阻上的在 一定程度上降低了加工效率，机床维护时间较长，出现故障后，另一侧无法正常工作。 图l2 简易数控轧辊双面扁头铣床“ f i 9 12ms h l e m s i d e dn m m h n c m i l l e r 从以上分析可以看出，国内使用的加工设备以普通设备为主照国外企业以数控加工 设备为主，在设备装备水平上有相当大的差距，即便是国内认为比较先进的简易数控双 面扁头铣床在国外使用也不多，甚至是淘汰产品，比如说鞍钢重机公司轧辊厂使用的就 是德国淘汰的二手设备。由于设备的差异导致了加工水平的不同，轧辊外观质量明显无 法与国外制造厂商的相比，这就使轧辊使用厂家对国外轧辊产生良好的第一印象，对国 内厂家扩大轧辊的市场占有率十分不利，为改变这种不利因素，固内轧辊制造厂必须寻 找出路，提高设备装备水平，提高加工质量，提高加工效率，降低加工成本，来改善轧 辊的外在质量，专用设备能够很好的满足以上的要求，因此数控轧辊双面扁头铣床的研 制势在必行。 11 3 课厦的来源及研究的目的和意义 鞍钢重机公司轧辊厂，历经七十余年的生产历史，设备陈旧，已经跟不上产品加工 数控轧辊双面扁头铣床的研制 的要求，与同行业相比设备能力明显落后，产品加工质量明显无法与国外甚至是国内同 行业相比，加工效率相对较低，为保证加工质量，提高加工效率，稳定，提高市场占有 率，厂决定自行研究、制造专用机加工设备，这就为数控轧辊双面扁头铣床的研制提供 了先决条件，同时解决了研究经费问题。 数控轧辊双面扁头铣床研制成功后，将改变现有的操作环境，变以操作者的技术水 平、工作状态、计算能力等人为因素为主的加工生产模式，为以设备精度为主的加工生 产模式，从而减少人为因素的影响，提高产品质量，降低操作者的劳动强度，提高产品 质量。 数控轧辊双面扁头铣床研制成功后，将实现轧辊在同一工位完成同一支轧辊全部扁 头、圆根、倒角、键槽的加工，保证轧辊扁头对称度、键槽对称度，保证加工粗糙度， 提高加工效率，彻底改变轧辊扁头等部位的加工方式，显著缩短轧辊的加工工艺路线， 减少使用设备数量，提高加工效率，降低企业生产成本。 数控轧辊双面扁头铣床研制成功后，将使我厂轧辊加工各工序均具备数控加工设 备，使轧辊加工能够在全数控状态下完成，给轧辊用户一个强烈的暗示鞍钢重机轧 辊厂有很强的机械加工能力，高精度轧辊加工不存在加工困难的现象，从而相信鞍钢重 机轧辊厂的实力，愿意将轧辊订货合同交给鞍钢重机轧辊厂，从而达到鞍钢重机轧辊厂 稳定、提高市场占有率的目的。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 企业现有轧辊产品的工艺分析 2 1 热轧生产对轧辊产品的技术要求分析 热轧带钢厂近几年发展迅猛，由2 1 世纪初的1 0 余条生产线，发展到目前投产、已 建、在建7 0 余条的水平。由于新生产线的大量涌现，使用了大量的新技术、新工艺， 能够满足高精度轧材的需要，为满足轧机的使用要求，使用者对轧辊的生产制造水平要 求有相应的提高，使之与轧机的设备状况相适应，以某厂轧辊为例，其扁头对称度要求 为0 0 5 m m ，平行度为0 0 2 m m ，表面粗糙度r a 0 8pi l l ，键槽对称度为0 0 2 m m ，这与以前 相比有很大的差异，以前扁头对称度要求为0 1 m m 以上或没有要求，平行度为0 1 m m 以 上或没有要求，表面粗糙度r a l 6 - 3 2um ，键槽对称度没有要求，为应对这种差异，要 求对加工设备精度有大幅度提高。 图2 1 轧辊扁头加工示意图 f i g 2 1 t h es k e t c ho f t h er o l lf l a tp r o c e s s 以某热轧厂轧辊( 改进型高镍铬轧辊、高铬轧辊、高速钢轧辊幢1 1 ) 为例，如图2 1 扁 头加工示意图所示，扁头两侧的平面要求与轧辊轴线的对称度要求为0 0 5 m m ，平行度为 0 0 2 m m ，键槽对称度为0 0 2 r a m 。如果扁头对称度超差将导致轧辊与轧辊传动接手无法正 常装配，即便是偏差较小，轧辊与轧辊传动接手可以装配，也可能导致使用结束后轧辊 与轧辊接手不能正常分离的结果，无论是不能正常装配还是不能实现正常分离，都将导 致轧机非正常停机，影响用户的生产，从而产生质量异议；如果扁头平行度超差，将导 致轧辊与轧辊接手由面接触变为线甚至是点接触，从而导致接触点接触应力过大，出现 接触点、线压溃现象，从而导致轧辊或轧辊接手寿命短，轧辊使用厂家不满意的现象， 数控轧辊双面扁头铣床的研制 发生质量异议；键槽对称度超差将直接导致传动键不能同时装配到轧辊键槽、回转工件 的键槽内，从而无法实现传动间的正常作用，再次产生质量异议。 为避免质量异议的产生就必须严格按照图纸进行加工生产，但是现有的加工设备很 难保证所有加工要求，主要体现在以下几个方面： 1 ) 扁头加工余量通过计算确定后，实际加工了多少测量困难哺3 。作为大型轧辊， 扁头加工一侧后，使用千分尺，这能测量到少数几点的实际的加工量，其余部 位加工量由于量具的原因无法实现测量，这就造成了测量不充分，导致出现加 工误差。 2 ) 扁头单侧依次进行加工，平行度难以保证。由于轧辊需要重新进行找正，紧固 的操作，同时找正存在一定的误差，二者误差累计将导致平行度难以保证。 3 ) 扁头对称度的测量困难。扁头对称度按照现有的检测设备都需要较为严格的测 量基准，而测量基准是铣削加工面，为保证测量基准的精度，只有提高铣削平 面的平面度，这在普通镗床上是较难实现的，同时，测量仪器的测量范围小， 只能确定扁头根部的对称度，其他部位无法测量，这就造成了测量不充分，导 致出现加工误差。 4 ) 键槽对称度难以保证。键槽加工定位主要依靠划线进行，操作者在加工操作时 也是依靠观察线的位置进行，加工定位精度很差，键槽对称度难以保证。 正是以上原因的存在，造成热轧离心轧辊加工困难，数控轧辊双面扁头铣床投入生 产后会很好的解决以上问题。 2 2 轧辊产品现有制造工艺分析 重机公司轧辊厂现有各类镗床4 台，简易数控双面扁头铣床1 台。由于简易数控双 面扁头铣床是德国的二手设备，虽然电器系统经过大修，但是机械传动精度很差，无法 满足高精度轧辊扁头的n i 要求，主要用于精度要求较低的轧辊扁头加工( 如果对该机 床的机械传动部分进行大修，恢复机械传动精度，该机床完全能够满足精加工的要求) ， 镗床用于各种类型轧辊扁头加工，主要工艺过程如下： 由于普通镗床没有坐标显示，所有加工都要靠划线钳工所划基准线及配合尺寸链计 算来进行n i 1 ，其加工精度主要取决于划线钳工的划线水平和镗床操作者的实际操作 水平，同时，每一名操作者在不同的时间、情绪状态等的影响下，其加工水平表现出不 同的等级，也就是说加工精度受到太多的人为因素的影响，其加工出来的产品质量也就 参差不齐，严重影响产品的外观质量；对于键槽来说，就只能按照划线作为基准，使加 工精度十分低下。 一6 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 2 1在镗床上加工扁头时的工艺过程 图2 2 尺寸链示意图 f i 9 2 2 t h es k e t c hm a po fs i z ec h a i n ( 1 ) 使用外径千分尺测量扁头所在轴的实际尺寸a ； ( 2 ) 根据扁头尺寸b 所要求的公差水平及对称度的要求，通过尺寸链计算，得出 每侧的加工余量及其公差c ； ( 3 ) 找正结束后按照计算得出的尺寸c 进行加工，去除加工余量； ( 4 ) 当第一面加工完成后进行检查，当检查结果在c 的尺寸范围内时，加工完成； ( 5 ) 将轧辊旋转1 8 0 。后进行找正，然后按照计算得出的尺寸c 及扁头实际尺寸 b 进行加工，去除加工余量； ( 6 ) 当第二面加工完成后进行检查，当检查结果在b 的尺寸范围内，对称度满足 加工要求时，加工完成； 在以上过程中，由于人为因素很多，同时受到设备状态的影响，加工质量经常出现 波动，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 计算偏差。由于每名操作者的文化水平不同，计算能力相差很多，同时受当 时的情绪影响，计算的准确率有很大的差别，如果由技术人员根据各部位的要求，经过 理论计算，将各品种的c 计算出来发给操作者，往往会因为扁头所在轴的尺寸公差很大， 不能很好的保证扁头b 的公差及对称度的要求，出现超差现象。 ( 2 ) 找正偏差。划线在该部位虽然仅是一个参考，主要加工精度是靠理论计算得 出的尺寸链进行加工，但它的位置水平直接影响到键槽的加工位置，当找正出现偏差时， 往往使键槽不能满足加工要求，出现质量差错。 ( 3 ) 机床精度影响。由于机床服役时间较长，各部位磨损严重，往往是不能很好 的满足加工精度的要求。如在加工扁头平面时，机床导轨的直线度超差，导致扁头平面 不平，出现波浪状起伏，由于扁头公差要求很严，这使一部分扁头加工掉的尺寸c 未进 差，一部分已进差，甚至有的部分已经超差，只能人为的去除未进差的部分的加工余量， 这就给旋转1 8 0 。后的找正造成困难。 ( 4 )测量偏差。由于扁头平面度不良，在选择扁头不同位置做基准平面时，出 现基准不同，测量数据不相同的现象，这就可能出现操作者认为已经加工完成，而成品 数控轧辊双面扁头铣床的研制 检查员或是使用厂家认为加工不合格的现象，影响轧辊的外在质量。 ( 5 ) 上道工序的直线度误差，为找正带来的偏差。如果上道工序在加工过程中出 现直线度偏差，下道工序操作者未能及时发现，这就将使镗床操作者找正发生偏差，直 接影响产品的质量。 2 2 2 镗床上加工键槽的工艺过程 ( 1 ) 将工件安放在工作台的定位v 型铁上，并按照划线位置进行找正，直到满足 要求； ( 2 ) 更换合适的键槽铣刀； ( 3 ) 进行键槽试切； ( 4 ) 进行键槽测量，如果不满足图纸要求，重新进行调整，直至满足要求为止； ( 5 ) 进行键槽加工； 在以上过程中，同样由于人为因素很多，同时受到设备状态的影响，加工质量经常 出现波动，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 划线与找正偏差。划线在该部位就是加工依据，如果产生偏差，加工结果就 一定会产生偏差，同样划线的粗细等也影响找正精度；由于操作者的工作习惯不同，往 往在按线找正时出现“线里、线外的现象，影响找正精度，同时受到操作者责任心、 精神状态的影响，每一支轧辊找正时的精度不能相同，这就导致所生产的一批轧辊外观 质量参差不齐，影响产品的加工质量和外观质量； ( 2 ) 刀具影响。由于轧辊上的键槽多数为非标准键槽，其宽度尺寸较大，深度尺 寸较深，这就为刀具的选择增加了难度，如果采用普通机夹刀具往往因为切深不足( 如 果分为2 刀或2 刀以上进行加工，因为设备主轴回转精度不良等原因，在接刀位置会产 生接刀痕迹，影响产品质量) ，宽度尺寸无法补偿而无法正常加工：如果采用整体硬质 合金键槽铣刀，因为轧辊硬度较高，刀具磨损严重，刃磨困难，成本高而不能广泛使用； 现在普遍采用自制键槽铣刀杆，焊接硬质合金刀具后进行刃磨使用的方法进行加工，由 于成本较低，能够1 次加工较深的键槽；只是这种加工方法需要有很高的刃磨技术，对 操作人员的技术水平要求高，重复刃磨后，尺寸减小，不利于长期使用，只能够在刃磨 2 - 3 次后，该品种的刀具就将报废，只能刃磨成下一级的键槽铣刀；每个规格的键槽配 有专用的键槽铣刀，造成键槽铣刀的数量非常庞大； ( 3 ) 机床回转、走行精度的影响。由于机床老化，不能保证很好的回转精度和走 行精度，造成键槽宽度超差，深度深浅不一； 通过以上分析，可以得出结论，现有的工艺技术、装备已经不能满足高精度轧辊铣 大连理工大学专业学位硕士学位论文 削工序的要求，需要进一步的改善，也就是需要高精度的机床配合相应的加工工艺进行 满足要求的加工。 数控轧辊双面扁头铣床的研制 3 数控轧辊双面扁头铣床总体方案设计 数控轧辊双面扁头铣床的设计方案经过数次论证，最终定稿。主要分为两大类，1 0 余小类，下面分别进行叙述与比较。 两大类为机床采用龙门移动式、工作台移动式。 小类为切削进给方式有：主轴伸缩式、主轴箱移动式、方滑枕移动式，两侧主轴箱 上下移动方式有：同步移动式、异步移动式，用于联接刀具的旋转轴数量有2 、3 、4 、5 、 6 ，切削方式为干式切削与湿式切削，它们与两大类组合，可以派生出数十种组合方案。 这数十种方案不能一一列举，只做优势、略势分析后，确定最终的组合方案。 3 1 x 轴移动方案 311 龙门移动式 图3i 龙门移动式数控轧辊双面铣床示意图 f i 醇i t h es k c l c h o f t h e t w o - s i d e d 肪a g 蚰g 啦孵n c n u l t e r 从图3 1 可以看出该类型机床具备如下特点： ( 1 ) 机床加工工件的重量不受限制。由于龙门移动而工作台不移动，机床在x 轴 移动时，龙门总重量一定、最大切削力变化不大，因此载荷相对稳定，基本不存在超载 大连理工太学专业学位硕士学位论文 的问题，因此只要机床基础足够坚固，加工工件的重量将不受制约。 ( 2 ) 机床占地面积大。 ( 3 ) 机床制造成本高，制作周期较长。 ( 4 ) 设各维护较为田难，对维修人员的技术水平要求较高。 ( 5 ) 机床精度调整困难，对提高加工精度不利。 ( 6 ) 工件装夹、拆卸等操作需要跨过一侧防护罩，操作者操作不便。 3 1 2 工作台移动式 图32 工作台移动式数控轧辊双面铣床示意圉 f i 32 t h es h o f 血er o l i t w c - s i d e d n c m i l l e t w i t b n 口r w o r k l a b k 从图3 2 可以看出该类型机床具备如下特点； ( 1 ) 机床加工工件的最大重量受到限制。由于工件装卡在工作台上，当工作台移 动时必须带动工件移动，而驱动工作台的电机、谈璩丝杠。支撑工作台的支撑块等均对 最大承受载荷有限制因此综合各方面的因素后，机床能够加工工件的最大重量受到限 制”。 ( 2 ) 机床占地面积相对较小。 ( 3 ) 机床制造成本低，制作周期较短。 ( 4 ) 设备维护较为简单，对维修人员的技术水平要求不是很高。 ( 5 ) 机床精度调整相对容易，可以保证较高的加工精度。 数控轧辊双面扁头铣床的研制 ( 6 ) 工件装夹、拆卸等操作比较方便。 通过以上比较，并结合现场实际条件，前道工序设备最大承重量及现场起重设备的 最大起重量的实际情况和该设备主要用于加工高精度的轧辊，保证加工精度是主要问 题，因此最终确定机床采用工作台移动的方式，最大承重量为3 0 t ，工作台长度5 0 0 0 m m ， 工作台行程8 5 0 0 m m ，最大加工工件直径为1 0 0 0 m m 。 3 2z ( w ) 轴进给方式的确定 3 2 1 镗杆伸缩式 这种工作方式的优势是：使用、维护灵活、方便、适用范围广泛； 正因为具备了以上的特性该种工作方式在各类镗铣床上得到广泛应用。 该种工作方式也存在一定的缺点： ( 1 ) 主轴伸出后刚度不足，不能保证强力切削的要求； ( 2 ) 镗杆伸出的长度不同，在相同切削力的作用下产生的变形量不同，这样就不 利于稳定加工质量； ( 3 ) 由于镗杆在工作过程中在箱体内既有旋转运动又有直线运动，在作为数控镗 铣床使用时，安放光栅尺较困难，对于提高设备精度不利； ( 4 ) 长度尺寸较大，占用较大空间； ( 5 ) 成本较高； 3 2 2 主轴箱移动式 这种工作方式的优势是： ( 1 ) 价格适中； ( 2 ) 使用、维护较为灵活、方便； ( 3 ) 制造周期短； ( 4 ) 结构尺寸紧凑，占用空间不大； ( 5 ) 机床刚性好； ( 6 ) 光栅尺位置安放容易，有利于提高设备精度； 该种工作方式存的缺点是：主轴箱移动使主轴箱端部的部分组件与机床卡具、工件 发生干涉，限制了部分工件的加工； 3 2 3 方滑枕移动式 这种工作方式的优势是： ( 1 ) 使用、维护较为灵活、方便； 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 2 ) 制造周期较短； ( 3 ) 结构尺寸紧凑，占用空间不大； ( 4 ) 机床刚性很好； ( 5 ) 光栅尺位置安放容易，有利于提高设备精度； 该种工作方式存在的缺点是： ( 1 ) 主轴箱移动使主轴箱端部的部分组件与机床卡具、工件发生干涉，限制了部 分工件的加工； ( 2 ) 机床价格高； 由于轧辊扁头平面加工时切削余量较大，要求加工精度较高；同时该设备是专用机 床，卡具可以特殊制作，避免相互干涉的问题；资金有限，尽可能的在满足要求的情况 下减少投入，因此最终选择了主轴箱移动的进给方式。 3 3两侧主轴箱上下移动方式 3 3 1 同步移动式 图3 1 、图3 2 显示的均是垂直方向上同步移动两侧主轴箱、主轴箱做进给运动的 视图，可以看出，同步移动式在主轴箱上下移动时，由同一台电机驱动，无论是否需要， 两侧主轴箱都同时移动，具有结构简单的特点，但也存在一定的缺点： ( 1 ) 加工单侧部位时另一侧同时移动，造成能源浪费； ( 2 ) 由于在安装过程中产生的高度误差或是在使用过程中传动链磨损不一致，将 不能保证两侧主轴中心处于同一水平位置，当同时加工对称键槽等部位时，至少有一侧 的对称度超差，也就是说，除了平面、圆根、倒角以外，不能两侧同时加工，否则将产 生质量差错； ( 3 ) 为保证加工质量，减少振动，当两侧同时切削平面时，要求两侧刀盘不在同 一中心线上，上下要有一定的距离1 ，这种时而在一条中心线上，时而不在一条中心线 上的加工要求是同步移动式所不能满足的； 3 3 2 异步移动式 图3 3 显示的是异步移动两侧主轴箱的视图，可以看出，异步移动式在主轴箱上下 移动时，由两台电机分别驱动，可以实现两侧主轴箱分别移动的控制要求，具有控制结 构简单，加工方式灵活多变，适应性很强的特点，但也存在一定的缺点： 多一个控制轴，在最终选择控制系统时可能由西门子8 0 2 d 改为西门子8 4 0 d ，造成 成本增加；因为异步移动式能够满足加工的各方面的要求，同时加工方式灵活多变，适 数控轧辊双面扁头铣床的研制 应性很强，因此得到了广泛的认同，只是在更改系统时需要一次性投入较大，也正是因 为控制系统的更换，使后面的选择更加灵活，同时异步移动式为两侧使用标准的右旋刀 盘成为可能，这就在刀具选择上提供了方便条件，使长期使用成本有降低的可能，现有 数控设备的操作系统以西门子8 4 0 d 居多，现场维护人员已经积累了一定的维护经验， 如果使用西门子8 4 0 d 控制系统，一旦控制系统出现问题能够在相对较短的时间内恢复 设备运行，降低故障时间，综合以上的原因最终选择了主轴箱异步上下移动的工作方 式。 固3 3 主轴箱异步移动式数控轧辊双面铣床 f 盹3 3 t h es k e t c h o f g m er o l l t w o - s i d e d n c m i l l e r w i t h n 洲e r 辩s p i n d 】e b o x w i t h d i 丘b 坤n t s t e p 3 4 用于联接刀具的旋转轴数量确定 34 1 两个旋转主轴 用于联接刀具的两个旋转主轴水平分布在两个主轴箱内，用于联接各类加工刀具对 工件进行加工。 为提高加工效率，使用的盘铣刀直径大、重量高，更换时需要使用起重设备，辅助 时间较长，该种工作方式与现在使用的简易数控双面扁头铣床相同。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 4 2 三个旋转主轴 用于联接刀具的三个旋转主轴水平分布在两个主轴箱内，其中右侧主轴箱内有两个 主轴，一个主轴锥孔与左侧的相同为b t 6 0 ，另一个为b t 5 0 ，锥孔为b t 5 0 的主轴位于锥 孔为b t 6 0 的主轴的斜上方。锥孔为b t 6 0 的主轴用于联接盘铣刀，锥孔为b t 5 0 的主轴 用于联接球头铣刀、倒角铣刀、键槽铣刀等刀具对工件进行加工。 该方案虽然避免了拆卸铣刀盘，降低了部分工作强度，但是因只有一个辅助主轴， 工件两端的圆根、倒角等部位的加工均需要对工件转换工位，重新进行找正，同时需要 更换数次刀具，工作较繁杂，辅助时间依旧很长，加工效率低下。 3 4 3 四个旋转主轴 用于联接刀具的四个旋转主轴水平分布在两个主轴箱内，每侧主轴箱内有两个主 轴，一个主轴锥孔为b t 6 0 ，另一个为b t 5 0 ，锥孔为b t 5 0 的主轴位于锥孔为b t 6 0 的主 轴的斜上方。锥孔为b t 6 0 的主轴用于联接盘铣刀，锥孔为b t 5 0 的主轴用于联接球头铣 刀、倒角铣刀、键槽铣刀等刀具对工件进行加工。 该方案避免了拆卸铣刀盘，降低了工作强度，可以同时加工工件两端的圆根、倒角 等部位而无需转换工件工位，同时减少了更换刀具的次数，使工作变得简单有效。辅助 时间的减少，大大地提高了加工效率，但由于工件的不同，该种方案还是不能保证在同 一工位完成工件的全部加工要求，比如上母线上有键槽时，该种方案只能转换工件工位 进行加工，还是不能使加工效率最大化。 3 4 4 五个旋转主轴 用于联接刀具的五个旋转主轴有四个水平分布在两个主轴箱内，每侧主轴箱内有两 个主轴，一个主轴锥孔为b t 6 0 ，另一个为b t 5 0 ，锥孔为b t 5 0 的主轴位于锥孔为b t 6 0 的主轴的斜上方；一个锥孔为b t 5 0 的主轴垂直位于右侧箱体的辅助伸缩滑枕上。锥孔 为b t 6 0 的主轴用于联接盘铣刀，锥孔为b t 5 0 的水平辅助主轴用于联接球头铣刀、倒角 铣刀、键槽铣刀等刀具对工件进行加工，垂直辅助主轴由于加工上母线键槽。 该方案避免了拆卸铣刀盘，降低了工作强度，可以同时加工工件两端的圆根、倒角 等部位而无需转换工件工位，同时减少了更换刀具的次数，使工作变得简单有效。辅助 时间减少，大大地提高了加工效率，该种方案能够保证在同一工位完成工件的全部加工 要求，能够使使加工效率最大化，只是左右两侧箱体的结构不同，不符合传统的对称结 构的要求，同时由于左右结构不对称，不能使用同一套图纸进行两端箱体的的设计制作， 增加了部分设计工作量。 数控轧辊双面扁头铣床的研制 3 4 5 六个旋转主轴 用于联接刀具的六个旋转主轴有四个水平分布在两个主轴箱内，每侧主轴箱内有两 个主轴，一个主轴锥孔为b t 6 0 ，另一个为b t 5 0 ，锥孔为b t 5 0 的主轴位于锥孔为b t 6 0 的主轴的斜上方，一个锥孔为b t 5 0 的主轴垂直位于两侧箱体的辅助伸缩滑枕上。锥孔 为b t 6 0 的主轴用于联接盘铣刀，锥孔为b t 5 0 的辅助水平主轴用于联接球头铣刀、倒角 铣刀、键槽铣刀等刀具对工件进行加工，垂直辅助主轴由于加工上母线键槽。 该方案避免了拆卸铣刀盘，降低了工作强度，可以同时加工工件两端的圆根、倒角 等部位而无需转换工件工位，同时减少了更换刀具的次数，使工作变得简单有效。辅助 时间的减少，大大地提高了加工效率，该种方案能够保证在同一工位完成工件的全部加 工要求，能够使使加工效率最大化，左右两侧箱体的结构相同，符合传统的对称结构的 要求，同时由于左右对称结构，能使用同一套图纸镜像后进行两端箱体的的制作，减少 了部分设计工作量，但是垂直主轴只能进行工件上母线的键槽，每个工件只有一条上母 线，也就只有一个上母线键槽，拥有两个辅助主轴的设备只能有一个工作，另一个只能 作为备用系统存在。因为垂直辅助主轴的结构简单，故障率很低，即便是损坏后也可以 通过改变工位的加工方式来进行生产，待设备修复后再恢复正常的生产顺序。也就是说， 双面扁头铣床拥有一个辅助垂直主轴就能够满足加工要求，拥有两个只能使制作成本增 加，并不能为加工生产带来更大的好处。 通过以上的分析，从既要满足加工生产的要求，又不能使功能过剩，同时要合理使 用费用，最终确定用于联接刀具的旋转轴数量为五个。 3 5 切削方式的确定 铸铁加工通常都不使用切削液，是最典型的干式切削加工方式。我厂目前所生产轧 辊9 5 的材质为铸铁，完全符合干式切削加工的要求，另外5 的产品完全可以使用现有 设备进行加工，减少机床的部分功能，降低设计、制造费用，同时该设备投产后最多能 够满足现有生产任务的3 0 - 4 0 ，并不能含盖1 0 0 的产品，仅能满足5 0 产品的加工要求， 因此完全没有必要设计、制造冷却液供应及回收装置。同时以现有设备的使用经验来看， 部分不经常使用的设备功能，在长期搁置后再次使用时往往出现这样那样的问题，使设 备不能正常运转，一方面增加了维护成本，另一方面在需要使用时不能很好的发挥作用。 另外，随着人们对环境保护意识的增强和研究的不断深入，切削液所带来的负面影响越 来越明显，侵蚀地面、污染水源和空气。此外，切削液种类繁多，添加剂各式各样，使 其处理难度越来越大，处理费用不断增加。同时切削液供应装置也使得工艺系统变得复 杂。为了消除切削液带来的负面效应，最有效的方法就是取消切削液，进行干式切削。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 最后确定该机床采用千式加工的切削方式，不设计、制造冷却液供应及回收装置。“， 至此数控轧辊双面扁头铣床的设计方案形成，如图3 4 所示： ( 1 ) 机床采用工作台移动的x 轴运动方式； ( 2 ) z ( w ) 轴进给方式为主轴箱进给； ( 3 ) 两侧主轴箱上下移动方式为异步式 ( 4 ) 用于联接刀具的旋转轴数量为五个 ( 5 ) 不设计、制造煳1 液发生及回收装置 w 。意燃鬈翳勰慧营竺麟勰刚。 3 6 总体设计方案及技术参数 3 6 i 机床的结构布局 机床由床身，工作台，立柱，横粱，主轴箱，x 轴y 、y 1 轴，z 、z t 轴进给系统， 水平辅助主轴，垂直铣头滑枕及其主传动系统和进给系统( _ 轴) ，液压系统，重力平衡 系统，润滑系统，电气控制系统组成。 机床的结构采用龙门式，两主轴箱分别安装在两侧的立柱上，可分别沿立柱上下移 动，并分别可作水平进给运动。工件装夹在工作台上，v 型铁定位，工作台可作纵向进 给。 数控轧辊双面扁头铣床的研制 左右两主轴箱各安装一个锥孔为b t 6 0 的标准主轴，用于安装铣削扁头平面的大直 径端铣刀；在该主轴的一侧，安装与其平行、锥孔为b t 5 0 的辅助主轴，用于加工扁头 根部圆弧和扁头平面上的孔、倒角、键槽等；在右侧主轴箱的上方安装一个辅助滑枕， 滑枕端部安装主轴锥孔为b t 5 0 、中心线与b t 6 0 主轴垂直的垂直铣头，用于加工工件上 母线的键槽。为避免垂直铣头与主轴干涉，该滑枕有独立的进给系统和主轴电机；在加 工扁头平面时缩回。 机床的组成参见3 5 图。 3 6 2 主轴传动方案 为了保证机床的生产率，主轴传动的设计必须保证在3 0 r m i n 以上使电机满负荷工 作。主电机采用西门子1 p h 7 交流主轴电机，其额定功率4 0 k w ，额定转速1 2 5 0 r m i n ， 在s 6 运行模式下最大功率为5 8 k w 。主轴变速箱设置三档机械变速，可使主轴的极限速 度范围为o 一4 3 5 r m i n ，连续满载运行的恒功率范围为2 3 4 3 5 r m i n ，在切削时可为主轴 提供最大为1 3 4 4 6 n m 的输出转矩( 按传动效率8 0 9 6 计) 。 图3 5 机床总体示意图 f i g 3 5 t h et o t a ls k e t c ho f t h em a c h i n et