（机械制造及其自动化专业论文）螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床的研制.pdf

硕t 学位论文 螺纹钢轧辊月牙槽数拧铣陈的研制 摘要 随着我国凶民经济的高速发展 建筑 水利 电力 路桥等行业对各种规格螺纹钢 型材等建筑材料的需求与日俱增 促使国内钢铁企业螺纹钢轧钢生产线不断增加 从而 使得对螺纹钢轧辊的需求量也不断上升 螺纹钢轧辊制造企业为提高自己的 t 产能力 占领更大的市场 就必须提高企业自身的装备水平 这为螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床的 研制提供了有利的外部条件 本文结合企业相关技术改革项目 存分析了国内外相关加工技术与工艺设备优缺点 的基础上 针对企业要求 开展了数控铣床样机的设计与研制工作 论文首先通过对已 有的月牙槽加 工艺方法进行分析比较 从中选择确定了月牙槽加工方案并考虑工序集 中原则进向推导出月牙槽加工与信息加工一体化部件 并进一步确定了机床总体设计方 案与相关技术参数 其次 对需加工的槽形进行数学建模并进行加工数据计算 以确定 实施加工时的工艺步骤 然后 对机床重要零部件进行结构设计与分析计算 尽可能使 各零部件结构合理 使用及加工要求易得到保证 为确保样机研制成功 对易损坏件一 飞刀杆进行了灵敏度分析并找出其影响最大因素 有效延长其使用寿命 最后选择某个 典型轧辊进行切削加工 对机床的总体效果进行了综合验证 结果表明 机床各项加工 精度能满足设计要求 本文研制的机床满足了企业的生产需要 能有效减轻了工人劳动强度 提高了工作 效率 进一步降低企业生产成本 关键词 数控铣床 月牙槽 结构设计 灵敏度分析 电气控制系统 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ed o m e s t i ce c o n o m y t h en e e df o ra l lk i n d so fb u i l d i n g m a t e r i a l so fp r o f i l e sr e b a r f r o mt h ei n d u s t r i e sl i k ea r c h i t e c t u r e w a t e rc o n s e r v a n c y e l e c t r i c p o w e ra n dr o a d b r i d g e i sg r o w i n gr a p i d l y t h i sr e s u l t st h ei n c r e a s eo f t h er e b a rr o l l i n gl i n e i nd o m e s t i cs t e e lc o m p a n i e s t h ed e m a n df o rr e b a rr o l l e r i sa l s or i s i n g t oi m p r o v et h e p r o d u c t i o na b i l i t ya n do c c u p yl a r g e rm a r k e t m a n u f a c t u r e r e sm u s ti m p r o v et h e m s e l v e s t h i s p r o v i d e sf a v o u r a b l ee x t e r n a lc o n d i t i o n sf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h er e b a rr o l lc r e s c e n tt r o u g h c n cm i l l i n gm a c h i n e b yc o m b i n i n gw i t h t h er e l a t e dt e c h n i c a li n n o v a t i o np r o j e c t t h ea n a l y s i sa b o u tt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e r e l a t e dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t e si n d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a le n t e r p r i s e si sc o m p l e t e d t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h e p r o t o t y p eo fc n cm i l l i n gm a c h i n ei sm a d ea c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so f t h ee n t e r p r i s e i n t h ep a p e r t h ec o m p a r i s o na m o n ge x i s t i n gc r e s c e n ts l o tp r o c e s s i n gm e t h o d e si sc a r r i e do nf i r s t t h ec r e s c e n ts l o tp r o c e s s i n gs c h e m ei st h e nc h o s e b yc o n s i d e r i n gt h ei n r t e g r a t i o np r i n c i p l eo f t h eo p e r a t i o n t h ei n t e g r a lc o m p o n e n to np r o c e s s i n gc r e s c e n ts l o ta n di n f o r m a t i o nc h a r a c t e r s i sd e t e r m i n e d t h e n t h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m ea n dr e l a t i v et e c h n i c a lp a r a m e t e r si sc o n f i r m e d m a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n dc a l c u l a t i o no ft h ed a t at ob ep r o c e s s e da b o u tt h eg r o o v e p r o c e s s e di sc o m p l e t e d w h i c hd e t e r m i n e dt h ed e t a i l e dp r o c e s s i n gs t e p s t h es t r u c t u r eo f t h e k e yp a r t si n t h em a c h i n ea r ed e s i g n e d c a l c u l a t e da n da n a l y z e d w h i c hm a k e ss u r et h e i r r e a s o n a b i l i t yi ns t r u c t u r ea n dm e e t st h ed e m a n d si nu t i l i z a t i o na n dp r o c e s s i n g t oe n s u r et h a t t h ep r o t o t y p ew i l lb ed e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y t h es e n s i t i v i t ya n a l y s i sa b o u tt h ef l y i n gc u t t e r s t e mw h i c hi sw e a rr a p i d l yi sf i n i s h e dt of i n do u tt h em o s ti n f l u e n c i a lf a c t o r s t h es e r v i c el i f e o fa t y p i c a lr o l lp r o l o n g e de f f e c t i v e l y i nt h ee n d at y p i c a lr o l l e ri sc h o s e t of i n i s ht h ec u t t i n g p r o c e s sw h i c hv e r i f i e d t h eo v e r a l le f f e c tt h em a c h i n e t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t t h e m a c h i n i n ga c c u r a c yc a nm e e tr e q u i r e m e n t so f t h ed e s i g n t h i sm a c h i n ew a sd e v e l o p e dt om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h ee n t e r p r i s e i tc a nr e d u c et h e l a b o ri n t e n s i t ye f f e c t i v e l y i m p r o v ew o r ke f f i c i e n c y a n dr e d u c et h ep r o d u c t i o nc o s tf u r t h e r k e yw o r d m i l l i n gm a c h i n e o fc n c r i b b e ds l o t s t r u c t u r a ld e s i g n rs l o ts e n s i t i v i t y a n a l y s i s e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m l l 硕士学位论文 螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床的研制 1 绪论 1 1 引言 随着我国国民经济的高速发展 尤其是南水北调 西气东输 三峡工程 西部开发 2 0 0 8 年奥运会场馆 2 0 1 0 年世博场馆和全国范围的城镇建设等大型房地产项目的相继 启动 给建筑 水利 电力 路桥等行业带来了史无前例的发展机遇 各种规格螺纹钢 又称热轧带肋钢筋 其牌号由h r b 和牌号的屈服点最小值构成 h r b 分别为热轧 h o t r o l l e d 带肋 r i b b e d 钢筋 b a r s 应用范围日益扩大 整个社会对各种规格 螺纹钢型材等建筑材料的需求与日俱增 据国家相关统计数据在2 0 0 8 年建筑用螺纹钢 用量达到1 亿吨 为满足需求 各钢厂螺纹钢轧制项目相继上马l l j 螺纹钢轧辊是轧钢机上的重要零件 利用一对或一组螺纹钢轧辊滚动时产生的压力 来轧碾不同规格螺纹钢型材 轧碾出的螺纹钢筋与光圆钢筋的区别在于其表面有纵筋与 横筋 通常为两道纵筋和若于沿长度方向均匀分布的横筋 在热轧成形螺纹钢的加工过 程中 螺纹钢轧辊的使用寿命主要受高温 高压 高速等引起的动静载荷及恶劣工作环 境的影响 易出现磨损 点蚀甚至是断裂 必须经常进行修复或更换 为提高轧辊的使 用寿命 轧辊材料一般会选用经过热处理的高速钢材料 但螺纹钢高速线材精轧机组采 用集体传动 十架连轧 出口速度达到7 0m s 高速钢材料轧辊易磨损 轧制时难于保 证连轧关系 且产品精度较低 为此以碳化钨作为基体 以金属钴或钴和镍为粘结材料 制成的硬质合金轧辊 因其具有硬度高 耐磨损的性能 被广泛应用于高速线材精轧机 细 2 1 碳化钨轧辊属于复合材料的范畴 由较硬的碳化钨颗粒 和金属粘结材料烧结而成 烧结碳化钨的性能主要取决于粘 结金属的成分和碳化物的晶粒度 碳化钨的密度比钢大 用 作热轧辊的烧结碳化钨密度为1 2 7 9 c m 3 1 4 8 9 c m 3 烧结 碳化钨有非常好的耐磨性 且耐磨性随着钴含量及碳化钨平 均晶粒度的减小而增加 烧结碳化钨具有极高的刚度 减少 粘结金属体积含量 弹性模量会迅速提高 一般为钢的2 3 倍 烧结碳化钨的线性膨胀系数较低 仅为钢的0 5 0 6 5 热传导率约为钢的两倍 铜的三分之一左右 烧结碳 化钨轧辊具有非常好的耐磨性 很容易达到使用要求 但韧 性却不容易达到 故一般用于分体式轧辊 即利用烧结碳化 钨制成辊环他1 如图1 1 所示 轧辊主体则由韧性较好的塑 性材料制成 装配后进行螺纹钢轧制 图1 1 烧结碳化钨辊环 l 绪论 硕士学位论文 但既便采用烧结碳化钨等材料所制成的轧辊 轧辊的消耗仍然很快 所以每个钢铁 制造企业对轧辊数量的需求依然很大 为保证各行业对高品质螺纹钢不断增长的需求 在轧辊质量上也提出了越来越高的要求 此外 为了与国际接轨并宣传企业的产品品牌 满足企业生产管理和产品质量跟踪的需要 必须标注各种型材产品对应的标识和生产批 号 国内许多螺纹钢轧辊制造企业大多采用普通卧式铣床加以机械传动改造 使之成为 螺纹钢轧辊加工专用机床 用飞刀法切削月牙槽后 再移至电加工机床用电极法 o n 电 火花 进行文字信息的加工 这类方法有四大缺点 第一 由于刀具刚度不足而导致月牙槽加工困难 在普通卧式铣床用飞刀法加工月 牙槽时 需根据螺纹钢的不同规格选用不同挂轮 月牙槽加工困难 且由于轧辊坚硬 材 料一般为碳化钨 而普通卧式铣床传动链长 传动间隙大 刀杆直径较小刚度不足 极易出现刀杆折断 刀头损坏 同时普通卧式铣床的结构性质也决定了改造后轧辊月牙 槽铣床承重能力小 加工成本高 第二 电加工机床进行文字信息加工困难 加工不同文字标识时需要定做不同的标 识电极 生产准备周期过长 且电极磨损快 生产成本高 同时加工过程中是将已加工 好月牙槽的轧辊转到另一台加工设备上 辅助时间长 加工效率低下 此外 电火花在 加工轧辊标识时极易产生有害气体 对环境造成污染 不利于操作工人的身体健康 同 时易引发火灾事故 第三 难以达到月牙槽间距的标准要求 机械传动改造后的螺纹钢轧辊加工专用机 床主要 b n r 月牙槽升角与月牙槽间距升角完全一致的螺纹钢轧辊 对于升角不一致的无 法进行加工 第四 机械传动改造后的螺纹钢轧辊加工专用设备的生产准备周期较长 需根据不 同月牙槽升角进行传动链挂轮的搭配 在当前单件小批占机械加工主流的情况下 经济 效益不显著 并且这类 刚性 机床的调整困难 有时甚至从技术上无法实现 因此 传统加工方法制作螺纹钢轧辊是钢铁企业螺纹钢加工的一个瓶颈 4 1 数控加工设备与传统机械加工设备相比有突出的优越性 数控机床只要更换一个程 序 就可实现另一工件 o n r 的自动化 从而使单件和小批生产得以自动化 加工零件的 精度高 尺寸分散度小 可实现多工序的集中 减少零件在机床间的频繁搬运 拥有自 动报警 自动监控 自动补偿等多种自律功能 因而可实现加工中无需操作人员的参与 正是由于数控加工设备具有的多项优势 国内外针对螺纹钢轧辊的加工研制出多种适用 的数控机床 现在 国内生产螺纹钢轧辊月牙槽专用数控铣床的厂家由于起步晚 技术 储备低 只开发生产出加工轧辊直径在巾4 8 0 m m 以一1 的螺纹钢轧辊 高速钢材料 数 控机床 目前还没有针对中小型螺纹钢轧辊 轧辊直径巾2 3 0 m m 以下 轧辊环形槽在 由6 巾1 2 之间 材料为碳化钨 的专用数控加工设备 从围外 意大利等国 进口数 控专用铣床购置费用昂贵 而且正常投产后 其f 1 常的配套维修费用也很高 螺纹钢轧 2 硕上学位论文 螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床的研制 辊制造企业也难以承受 因此 研制一种中小型螺纹钢轧辊制造的数控专用铣床 用于 加工成系列中小型螺纹钢月牙槽及相应文字信息 并获得更高的精度 更稳定的质量 更高的生产率是十分必要的 而且拥有一种经济实用 适用性好的具有自主知识产权的 螺纹钢轧辊月牙槽专用数控铣床对一个民营企业的市场竞争力则显得尤为重要 螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床的研制是一个复杂的系统工程 涉及机械设计 制造 数控技术等专业知识 利用数控技术设计的螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床 螺纹钢轧辊的 所有加工 月牙槽铣削 商标 规格等字符信息铣削 在一台机床的 次装夹中完成 达到方便 快捷 高质量地效果 1 2 螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床国内外发展现状 螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床不仅将大大提高了螺纹钢轧辊的产品外观质量 降低生 产成本 还具有自动化程度高 加工精度高 工作效率高及操作方便 安全可靠 劳动 强度低等特点 解决钢厂螺纹钢出口与国际接轨的瓶颈问题 1 国外螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床的发展 意大利 荷兰 日本等国的螺纹钢轧辊月牙槽加工机床的研制从二十世纪7 0 年代 开始起步 n 十世纪8 0 年代 加工质量 功能 系列 控制各方面的技术都已经成 熟起来 随着市场需求的日新月异及数控技术的迅速发展 为适应用户少批量 多品种 短周期的加工需求和高精度 多功能 灵活性好的设备需求 螺纹钢轧辊月牙槽数控铣 床应运而生 进一步提高了螺纹钢轧辊月牙槽加工机床的性能和质量 实现了工序集中 提高了加工效率 减少了工件的存放和运输 数控系统实现对轧辊各功能参数的控制 使螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床能适应不同的加工条件 更好地适应市场快速变化的需 求 2 国内螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床的发展 国内螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床的发展经历了以下几个阶段 1 普通卧式铣床加以机械传动改造或手工制作 在二十世纪七 八十年代 国内钢铁公司主要对普通卧式铣床加以机械传动改造的 方式进行轧辊月牙槽加工 如前所述存在着机械传动误差及加工原理缺陷 而一些企业 甚至以手工方式进行轧辊月牙槽加工 工人劳动强度极大 加工质量极不稳定 2 设备引进 二十世纪9 0 年代以前 螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床均由国外引进 但成本较高 维护困难且机床数量受到一定的限制 3 普通轧辊铣床数控化改造 在普通轧辊铣床的基础上引入数控技术 对铣床进行了数控化改造 刀具运动由数 控系统控制 按程序要求加工轧辊 用自动控制方式实现机床操作 但数控化改造的铣 3 1 绪论 硕士学位论文 床采用开环伺服系统 虽然具有经济 易于实现等优点 但系统采用步进电机进行伺服 驱动 其伺服运动速度和精度较低 4 专用螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床的研制开发 随着我国国民经济的高速发展 各种规格螺纹钢应用范围日益扩大 需求不断增加 9 0 年代起我国开始仿制各类专用螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床 如南通机床厂于1 9 9 2 年 开始研制螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床 现已有多种类型产品 但随着企业改制等多方面 因素 一批技术骨干流失 设备的研制处于停滞状态 近几年一直不能紧跟市场要求开 发新品 而当前很多的民营企业则由于企业原有技术储备少 工程设计人员技术种类单 一 虽能了解市场需求 但无技术力量进行开发 目前就螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床的 研制 开发与国外相比 国内螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床技术落后了l o 年左右 差距 主要体现在自动化控制 机电一体化技术方面 3 1 1 3 论文的课题背景及意义 本课题来源于南通精育机械有限公司为 钢铁公司碳化钨轧辊加工设计专用螺 纹钢轧辊月牙槽数控铣床项目 钢铁公司在加工此类轧辊月牙槽及商标 规格等字 符信息时多采用传统机械制造 手工的方式进行加工 耗时费力 工人劳动强度极大 而加工质量却非常之差 针对这种情况 钢铁公司提出了本课题 由于本课题的研究 内容涉及机械结构及传动设计 数控技术 机床电气控制等专业知识 属机电一体化研 究领域 课题组由施南飞 南通精育机械有限公司 魏建华 施永辉 王荣芳 南通 纺织职业技术学院 组成 本课题完成后可以使 x 钢铁公司在投资较小的情况下彻底解决困扰该公司多年 的产品质量及外观形象不佳的问题 提高该公司产品的市场竞争力 1 4 论文研究的内容 1 通过对螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床功能需求研究 确定机床总体布局及相应的 机械结构 主要技术参数 并科学设计其主传动 进给传动及伺服系统中机械传动部分 并着藿于月牙槽铣削加工部分的实现 2 对关键零件一飞刀刀杆进行有限元分析以达到提高刀杆强度 刚度 缩短生产 周期和降低生产成本的目的 3 根据企业的实际要求及当前数控技术发展的条件完成对数控系统的选用 功能 拓展及电气原理图的设计及各种转换接口的设计 本论文预期达到的成果是设计并生产出符合用户各种功能需求的螺纹钢轧辊月牙 槽数控铣床 该机床可根据轧辊的材质和规格的不同 在一定范围内无级调速以适应加 工需求 可实现自动更换环槽 精度保持性好 效率高 提高加工质景 调整使用方便 4 硕士学位论文 螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床的研制 加工范围广 设计中尽一切可能的提高刀具的耐用度以减少换刀的次数 有效减轻了工 人劳动强度 提高了工作效率 在生产成本增加不多的前提下尽量使机床具有一定的通 用性 以适应当前机械加工发展的方向 为xx 钢铁公司螺纹钢筋成材率和产量的提高 做出贡献 5 2 螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床总体结构分析与设计 硕t 学位论文 2 螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床总体结构分析与设计 当前 无论国内还是国外 螺纹钢轧辊月牙槽数控加工机床作为加工螺纹钢轧辊的 首选机床已被所有螺纹钢轧辊制造企业所接受 但长期以来 由于使用厂家要求的不断 提高而机床生产厂家又受到技术开发水平和实践经验的限制 使现有的各种型号数控螺 纹钢轧辊月牙槽铣床在功能 结构上都存在很多不足 故论文在机床设计过程中首先对 现有机床进行了深入分析 在吸取其优点的同时摒弃缺陷 以满足设计要求 2 1 月牙槽铣削加工方案确定 所设计机床需实现的主要功能是实现在轧辊的环形槽内加工月牙槽 如图2 1 所示 在机床加工条件允许下可考虑同时加工出相关标识字符 蜜 纩 闵 鋈 蘩 釜 雾 萋 j 一 爻 渤 图2 1 轧辊月牙槽 目前螺纹钢轧辊月牙槽加工机床设计方案按月牙槽铣削加工部分结构功能的不同 可分为铣头摆动切削式和飞刀切削式两种 1 铣头摆动切削式 如图2 2 所示 利用数控系统控制完成工件回转 铣头摆动及 深度迸给补偿各轴的运动控制 使高速旋转的指状成型铣刀遵循轧辊环槽的圆弧曲线在 轧辊环槽内一次 或分次 成型切削出满足要求的月牙槽 其特点是在切削过程中指状 成璎铣刀基本垂直于被加工的轧辊圆弧环槽面 这样能最大限度的以指状成型铣刀来保 证加工槽型的质量 并能同时实现工序集中 完成所需任意商标 文字及图案等信息加 工刻制 且自动化程度较高 产品质最也容易保证 但其致命的缺点有 专用指状成型铣刀的切削状态极差 刀尖处的切削线速度几乎等于零 极易磨 损 特别对于现在冶金轧钢行业推广的高速线材轧制设备中使用的高硬度碳化 钨轧辊加工更是力不从心 月牙槽切削加工不是连续进行 加工效率低下 6 硕士学位论文 螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床的研制 图2 2 铣头摆动切削图2 3 飞刀切削 2 飞刀切削式 如图2 3 所示 铣床的刀杆轴与工件 轧辊 回转轴互成9 0 交 角 刀杆轴轴线置于轧辊环形槽中心 刀杆刀头中心位于过工件轴线并与刀杆轴线垂直 的平面 机床工作时利用数控系统控制完成飞刀 工件回转及月牙槽深度进给补偿等各 轴的运动控制 使安装在飞刀杆上的成型铣刀与工件 轧辊 完成旋转插补运动 同时 刀杆轴作趋向工件中心的进给运动 直至刀杆轴轴线到达要求的轧辊月牙槽投影弧中 心 以前 纯机械的飞刀切削机床只能使刀杆与工件回转成固定的 一次加工 比例传 动 以保证不同要求的月牙槽螺旋夹角 但同时也牺牲了槽间距的标准要求 现在的数 控系统已可以实现一段月牙槽加工运动 刀杆轴转一圈 的任意分段插补控制 消除了 机械传动式的加工误差及加工原理缺陷 同时 也使生产出的轧辊月牙槽完全符合国家 及厂商的相关标准要求 而且其连续切削的加工方式使加工效率得到成倍的提高 因此 飞刀铣削式机床已成为现今轧辊月牙槽加工的主流 但它最大的缺陷是不能在轧辊上刻 制商标 文字及图案 不能实现工序集中原则以进一步提高加工效率 如何选择合理的月牙槽铣削加工方案及完善螺纹钢轧辊月牙槽加工机床的结构功 能成为本次机床研制的主攻项目 为此 课题组前后共设计了三套方案 设计方案一 在数控飞刀铣削机床上安装铣头固定的刻字结构 利用数控系统的三 轴联动控制功能完成轧辊环槽内商标 文字及图案的刻制 但它只能进行轧辊月牙槽截 面底部3 0 的圆弧段加工 铣刀直径及刀具强度受限制 且在轧辊月牙槽侧边刻铣槽型 有明显的刀具干涉现象 这是大多数使用厂家所不能接受的 设计方案 采用飞刀切槽机构和铣头摆动切削式机构的整体更换来达到月牙槽与 文字 图案加工的切换 这是一个浩大 烦琐的辅助工作 机构更换 安装定位及重新 对刀占据了大部分的操作时间 加工效率低下 设计方案三 采用了飞刀切槽机构与铣头摆动刻字结构一体化设计方案 实现了对 现有的螺纹钢轧辊加工 飞刀铣削月牙槽和摆动式高速主轴雕铣商标 文字 图案在 一台机床上的完美结合 可高效率的完成月牙槽飞刀铣削与文字 图案雕刻加工 经与机床使用厂家多次磋商协调 最终决定采用第三种设计方案 该方案充分应用 7 2 螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床总体结构分析与设计硕士学位论文 了现代数字控制技术与新型传动结构 克服了前两种轧辊月牙槽加工机床设计方案的缺 陷 吸取其长处 采用了新颖的飞刀切削机构与铣头摆动机构一体化的设计方案 即尽 可能地将飞刀切槽机构与铣头摆动刻字结构模块化 成组化 使得所设计的专机不仅能 完成高速铣削碳化钨辊环月牙槽和在碳化钨辊环上刻制商标 文字及图案的目标 也能 将之系列化并在其它规格螺纹钢轧辊加工机床上得到应用 实现技术突破 2 2 运动分析 1 月牙槽铣削加工运动分析 月牙槽铣削加工需要飞刀旋转 工件的回转运动 并且两者间应有明确的运动关系 即应构成范成插补运动 为实现月牙槽加工的不同切深的深度方向进给运动及多个工位加工时工作位置的 调整运动 2 商标 文字及图案等信息加工运动分析 由前所述 飞刀切槽机构无法实现商标 文字及图案等信息的加工 拟采用铣头摆 动刻字结构 故其在加工时需要指状成型铣刀的高速回转切削主运动 指状成型铣刀 铣 头 的左右摆动 工件的回转运动 为实现信息加工的不同切深的深度方向进给运动及多个工位加工时工作位置的调 整运动 3 两种加工运动的成组化 从两种加工的运动分析即可看出对于该号机设计来说 工件的回转运动 深度方向 进给运动及多个工位加工时工作位置的调整运动是完全相同的 不同的仅在于月牙槽铣 削加工需要飞刀回转运动而信息加工需要指状铣刀切削主运动及左右摆动 而飞刀回转 运动和指状铣刀左右摆动均属于进给运动 且均需在运动中保持与工件回转运动的比例 关系 故只需在设计过程中将两者传动链有机结合 用同一驱动单元进行驱动 在简化 机械结构设计的同时也使得数控系统的控制轴数能有效减少 2 3 机床坐标系的设定及各运动的实现 根据机床加工运动的需要 已被使用的同 类机床使用习惯及螺纹钢国家标准要求 本机 床所采用的坐标系各轴设定与常规的右手笛卡 尔直角坐标系不同 本机床各运动轴的坐标设 定如图2 4 所示 x 轴 刀杆的刚转轴及指状铣刀左右摆动 轴 从上往下看顺时针为正 由数控装置控制 8 图2 4 机床啦标系 硕上学位论文螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床的研制 的伺服电机驱动 选用机械传动形式 经不同传动链将运动分别传至飞刀轴或铣头摆动 机械 采用齿轮传动 工作可靠 y 轴 工件的回转轴 从尾座向头架主轴看逆时针为正 根据螺纹钢筋国标 g b l 4 9 9 2 2 0 0 7 可知螺旋升角及间距并由此计算出y 轴与x 轴的比例关系 飞刀回 转半径确定后x 轴转速确定后由比例关系计算出y 轴转速 其转速较低 可由数控装 置控制的伺服电机驱动 利用蜗轮蜗杆传动副对伺服电机输出的转速作较大幅度的减速 传动 z 轴 刀杆沿垂直工件轴线方向运动的深度方向进给运动轴 趋近工件为正 由数 控装置控制的伺服电机直接驱动滚珠丝杠螺母副将回转运动转化为直线运动来实现 a 轴 刀杆沿平行工件轴线方向运动的工作位置调整运动轴 离开工件为正 由数 控装置控制的伺服电机直接驱动滚珠丝杠螺母副将回转运动转化为直线运动来实现 在进行信息加工时 指状铣刀切削主运动可由主运动电机经传动链完成 对月牙槽的加工采用了如图2 5 所示的飞刀切削式原理结构 机床的刀杆轴 x 轴 与安装轧辊的头架回转轴 y 轴 互成9 0 交角 刀杆轴轴线置于轧辊环形槽中心 刀 杆刀头中心位于工件轴线且与刀杆轴垂直的平面 机 床工作时刀杆轴 x 轴 与轧辊轴 y 轴 完成旋转 插补运动 以在轧辊环形槽内切出要求螺旋升角的月 牙槽 机床在完成主要切削插补运动的同时 刀杆轴作 趋向轧辊中心 z 轴方向 的进给运动 直至被加工 的轧辊月牙槽到达要求深度 结束轧辊一个环形槽内 l u 厂 m y o 寸 x l 谇j 图2 5 飞刀切削式原理结构 月牙槽加工后刀杆轴先沿z 轴方向退出 沿轧辊轴向 a 轴方向 移动 进入下一个环形槽内加工 2 4 月牙槽铣削加工工艺路线及坐标零点设定 2 4 1 月牙槽加工工艺分析 由于同一轧辊上月牙槽的深度 螺旋升角及槽间距必须与国标或企业标准保持一 致 因此 在铣槽加工过程中 必须保证轧辊的 日l 转运动和飞刀的回转分度运动之间有 确定的比例关系 由于被加工件材料为碳化钨 w c 切削过程为断续切削 且由于加 工要求飞刀轴径受限 虽可从材质及热处理方面使刀具系统整体刚度有 定提高 但主 要通过减小切削用量的方式以防止由于冲击量过大造成刀具或工件的损坏 9 2 螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床总体结构分析与设计 硕士学位论文 2 4 2 工艺路线及坐标零点设定 月牙槽飞刀加工工艺路线一般为 a z 向对刀一z 向进给一起始段一月牙槽加工 一结束段一回零一加工结束 1 对刀 将刀杆的回转轴线沿a 向调整到轧辊环形槽的中心平面 如图2 6 a 所 示的刀具r 中心与轧辊槽r 中心a 轴坐标一致 x y 轴回复机械零点 如图2 6 b 所 示 刀杆轴在z 轴趋近轧辊环形槽 但保持一定间隙6 各轴清零 向 a b 图2 6 月牙槽加工工艺路线示意图 2 z 向进给 刀杆轴沿z 向进给一定行程 实现深度方向进给 3 起始段 如图2 7 所示刀具与轧辊轴按直线插补由x 轴机械零点o 空行至a 点 图2 7 机床刀杆轴机床参考点设置 4 月牙槽n z 如图2 7 所示以a 点作为起始点 按直线插补完成口 一c 的月牙槽 加工工作行程和q a 的槽间距空行程 i 作为计数器判断值 在工作行程的终点c 判 断在一次z 向进给下的月牙槽加工是否结束 即其值有无大于所需槽数值 如大于则加 工结束 未结束的继续执行该第4 个步骤 5 结束段回x 轴机械零点 如判断月牙槽一次z 向进给已加工结束 刀具与轧辊 轴按直线插补由c 点空行至x 轴机械零点o 6 加工结束 判断月牙槽是否已达到要求深度 刀杆轴退出轧辊环形槽 加工结 束 否则继续执行2 5 的循环 1 0 一 秘v 一 硕士学位论文 螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床的研制 2 5 机床总体布局 2 5 1 铣床的类型 轧辊为短圆柱形 月牙槽加工时轧辊回转轴线水平放置 飞刀轴回转轴线与之相垂 直布置 所以铣床类型可定义为立式铣床 在加工时一般需根据要求同时加工出多件轧 辊 又需在进行月牙槽铣削和文字信息加工两个工序交换时有合适的操作空间 故z 向 运动距离较大 执行部件有x 向和y 向两个方向的回转进给运动 操作者站在立式铣 床前面操作机床 2 5 2 机床总体布局 设计机床总体布局如图2 8 所示 该机床本体包括床身 头架 拖板 飞刀及摆动 铣头一体化传动结构等部件 夹持工件的夹具 自动胀套 安装在头架主轴上 由头架 伺服电机驱动完成y 轴圆周进给运动或实现圆周分度运动 蜗轮蜗杆副头架拖板z 轴电机飞刀及摆动铣头飞刀轴高速主轴 图2 8 机床总体布局 为达到如前所述的飞刀回转机构与指状成型铣刀摆动机构一体化设计 由同一伺服 电机驱动经不同传动链完成月牙槽铣削加工所需的飞刀回转运动和信息加工所需要指 状铣刀左右摆动的目的 设计如图2 9 所示的月牙槽铣削加工回转及信息加工摆动一体 化传动结构 运动自伺服电机输出经同步带轮传动 锥齿轮改变 口1 转方向 最后经斜齿 l l 2 螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床总体结构分析与设计硕 k 学位论文 轮分流 一路传递至飞刀回转轴 另一路通过电磁离合器吸合将运动经扇齿轮传递至指 状铣刀摆动部分 在分析设计过程中原设想在飞刀回转轴上也安装离合器 后来考虑到 安装高度的影响最终将之取消 这样一来在飞刀回转时由于电磁离合器脱开指铣刀摆动 部件不会运动 但在信息加工指铣刀摆动时 飞刀安装轴会跟随回转 设计过程中需考 虑此时的干涉及安全操作问题 指铣刀回转轴 飞刀 图2 9l s 刀变速机构传动方案图 月牙槽铣削加工时将飞刀杆安装在飞刀主轴孔内 由电机经减速后带动飞刀旋转完 成x 轴运动 由于进行文字信息加工的摆动铣头所需摆动进给运动的执行元件和飞刀轴 电机为同一电机 故在加工时需通过电磁离合器断开与飞刀主轴联系 接通摆动铣头 而此时的切削主运动由高速铣削主轴完成 加工下一工位轧辊所需的纵向直线运动由伺 服电机通过滚珠丝杠螺母副驱动头架实现a 轴运动 螺旋槽及文字信息的切削深度或切 出退回所需的z 轴直线运动由另一伺服电机通过滚珠丝杠螺母副驱动工作台来实现 一般机床的纵 横向直线运动均由工作台完成 在本机床设计时考虑如果都由工作 台去完成会导致机床总体刚性较差 而月牙槽加工时产生的较大切削力会影响到加工精 度 刀具寿命及加工表面质量 故纵向直线运动由伺服电机通过滚珠丝杠螺母副驱动头 架实现 横向直线运动由另一伺服电机通过滚珠丝杠螺母副驱动工作台来实现 根据工件的尺寸要求 多个工件加工时的相对位置及加工安全等方面确定本机床设 计需考虑的a z 轴直线移动行程为 z 向2 5 5 m m a 向2 3 0 m m 1 2 硕士学位论文螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床的研制 2 5 3 夹具方案 根据工件的特点 选用自定心胀套作夹具 且胀力应可控 其结构如图2 1 0 所示 安装辊环时 首先将压紧螺钉放松 夹具体中填充的硅胶料回流 胀套径向弹性变形恢 复直径减小至可装入工件 安装时注意定位关系 辊环孔与胀套配合的同时工件左端面 需紧靠径向定位氆块 实现五点定位 接着旋紧压紧螺钉推动推销向左运动 夹具体中 填充的硅胶料沿流道迫使胀套径向弹性变形 在定心的同时夹紧工件 2 5 4 刀具系统 飞刀采用分体式结构 其刀杆结构形状如图2 1 l 所示 刀具系统组装时 先沿刀 具安装孔装入刀片 沿顶针孔装入顶针 项针一端为斜端面 斜度与所需加工的月牙槽 螺旋升角相当 另一端为平端面 在压紧螺杆的作用下推动顶针沿刀杆轴线向左夹紧刀 片 完成刀片在刀杆中的定位夹紧 图2 1 1 刀杆结构形状 刀片为钢结硬质合金涂层刀片 结构形状如图2 1 2 所示 涂层为人造聚晶金刚石 p c d 其具有以下特点 1 有极高的硬度与耐磨性 加工材料越硬 这一特点越突出 1 3 2 螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床总体结构分析与设计 硕士学位论文 2 与被切削金属的摩擦系数低 3 切削刃锋利能切下极薄的切屑 4 耐热性差 强度低 脆性大 对振动敏感 只宜微量切削 图2 1 2 刀片结构形状图 为尽量提高刀具强度 取飞刀刀片刀尖角为8 0 9 0 对称布置 即k r 4 0 4 5 前角为7 n r 中在保证刀具强度同时为防止后刀面与已加工表面磨擦 采用 双后角设置 铲背 1 4 硕士学位论文 螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床的研制 3 轧辊月牙槽槽形数学建模及加工参数设定 为了从所加工的轧辊中获得必要加工信息 必须根据螺纹钢轧辊月牙槽加工图样 按照已经确定的加工工艺路线进行相应数学处理 获得为满足加工需要而输入至数控系 统的数据 3 1 月牙槽基本几何参数设定及相关加工参数计算 3 1 1 月牙槽基本几何参数设定 由国标g b t 1 5 0 3 2 0 0 x 中螺纹钢轧辊尺寸标注如图3 1 图3 2 所示 设定月牙槽 加工基本几何参数如表3 1 p 钐形 尸 8 j 1 钐彩 jl j o 图3 1 轧辊环形槽截面视图 图3 2 轧辊周向展开的环形槽视图 表3 1 月牙槽加工基本几何参数表 几何参数 参数说明 d 轧辊外径 轧辊环形槽截面的圆弧环形槽直径 各种规格环形槽均有相戍的标准d 值 但厂家 d 可根据自己的工艺调整 月牙槽投影弧半径 即加工时刀具半径 月牙槽槽深 届 槽在轧辊环形槽上的包角 标准要求 1 4 4 月牙槽的圆弧角 刀具的工作行程角 根据环形槽的不同规格其值在1 6 0 6 1 7 8 之间 加工编程时为保证实际工作行程内具有良好的切削参数 一般取 p 2 0 0 计 p 算值 轧辊环形槽规格为 6 巾1 8 的月牙槽加 e p 1 9 0 计算值 轧辊环形槽规 格为巾2 0 中5 0 的月牙槽加t 刀具的宅程角 3 6 0 一p 1 5 3 轧辊月牙槽槽形数学建模及加工参数设定步骤硕士学位论文 口 轧辊分度角 9 轧辊工作角 加工一个月牙槽轧辊转过的角度 厂轧辊空程角 槽间距升角 9 月牙槽的螺旋升角 3 1 2 轧辊基本加工参数的计算 轧辊基本加工参数如图3 3 所示 注 图中加口的为公式中各角度所对应的弧线长 如lp 对应声 其中虚线为沿月牙槽投影弧展开的视 图 轧辊按周向展开 刀具运动沿月牙槽投影弧 展开展开后很容易就可以发现在实际加工中刀杆 轴回转运动与轧辊轴回转运动完成的是直线运动 d 斜线段 斜率与月牙槽的螺旋升角 或与槽间距 升角 有关 为在加工时准确确定其明确的比例关 系 实现直线插补控制 需获得各角度所对应的弧 度值 痧 岁 j 么张 围 周 厂 彦 穸 固 1 一 由 表3 2 轧辊基本加工参数计算 图3 3 环形槽视图 周向展开 加 参数参数说明 计算 一 计o p月牙槽圆弧角投影弧长p 1 8 0 口 轧辊工作角 0 6 一 0 一黑竽一2 r p t g f l d 刀d1 8 0 加 一 6 葫g p 弋u r o f t g p 目轧辊工作角弧长 f 1槽间距标注值 n 月牙槽数 生 四舍五入取整 f l l r d f 槽间距实际值 数值调整用 t n 口 轧辊分度角 q 3 6 0 n 一 口 轧辊分度角弧长 r d n y 轧辊窀程角 口一9 3 6 0 n 一2 r p t g f l d y轧辊空程角弧长 尹 t d n r p t g f l 1 8 0 月牙槽的投影升角 有时月牙槽 a r c t g 8 h a r c t g z t r p t g f l 18 0 2 r a r c t g 17 8 4 n t g f l 3 6 0 夕 的螺旋升角用投影升角 来标 或 a r c t g 3 6 0 t g f l 17 8 4 石 注 式中p a l 7 8 4 1 6 硕士学位论文螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床的研制 3 2 单头月牙槽切削数学模型及切削加工的计算 3 2 1 数学模型 ji y 一 循环单段旷1 次 一 h 起始段 二单段 一 一 单段 一一结束段一 判所回摹 b 一0 o 们 c 卜1一一 一 虱i a 1 1 一一一 a 2 虱i c l 一 一 少 x g0 尘0 一 p 一 母 一一 p 一一 巾 一一 p 一 垂丝 一 3 6 0 一 3 6 0 一 图3 4 单头月牙槽数学模型 图3 4 以平面数学模型示意了轧辊环形槽内一整圈月牙槽的加工过程 实际加工时 刀具的背吃刀量有严格限制 要保证月牙槽的加工深度需进行z 次加工循环完成 z 8 h a 四舍五入取整 z 背吃刀量标注值 背吃刀量实际值 万 初始时刀具与工件的间隙值 3 2 2 切削速度的计算及确定 f 万 h z 数值调整 轧辊轴与刀杆轴的运动关系如图3 5 所示 由此可计算各轴的切削速度如表3 3 ji y一 单段 a b1 l c 一 必 f 巨 a li 一回7 一一圈一 一 2 靠r 表3 3 切削速度计算 图3 5 轧辊轴与刀杆轴的运动关系 切削速度说明计算 国一 轧辊t 作旋转角速度 m i n 3 6 0 x d 2 r t g f l 0 p d f e 轧辊t 作角圆周线速度 m m m i n f e 姻 e 3 6 0 轧辊空程角圆周线速度 r a m r a i n z d 0 t 3 6 0 1 7 3 轧辊月牙槽槽形数学建模及加t 参数设定步骤 硕士学位论文 0 7 轧辊空程角旋转速度 m i n 缈 3 6 0 f r r i d 国p 刀具工作旋转角速度 m i n 缈p 1 8 0 刀 1 8 0 f p 刀r t g p d 0 7 0 2 r t g f l c 刀具工作角圆周线速度 m m m i n 乃 t g f l 唧 v i y 1 0 7 刀具空程旋转角速度 n f m 缈 3 6 0 一p 3 6 0 n 一2 r t g f l d n d 0 7 3 6 0 p 3 6 0 d 一2 r n p t g 夕 f刀具工作行程切削线速度 m m m i n f f e s i np n d a 8 3 6 0 s m f l 3 3 多头月牙槽数学模型及切削加工的计算 多头切削的加工方式是指刀具按多头 间隔若干槽 以双头月牙槽加工为例 的 规律进行月牙槽加工 加工方式如图3 6 所 示 双头月牙槽加工的数学模型如图3 7 所 示 由此轧辊在多头切削方式时的调整参数 分别为 m 轧辊加工头数 口 轧辊多头分度角 单位 倪1 3 6 0 m n 1 8 口 7 扩 汐 所 驴冀 b l 形 o 图3 6 双头月牙槽加工方式 7 轧辊多头空程角 单位 7 口 一0 3 6 0 m n 一2 r p t g f l d 刀具多头空程旋转角速度 单位 m i n ji y c i 2 j a i 吨 乡 c i 一一 a i 1 4 a i x p 一一 咖 一 一 p 一 一 3 6 0 一 图3 7 双头月牙槽数学模型 缈 妒 y 缈 3 6 0 p 3 6 0 m n 一2 r p t g f l d 多头切削的差要目的是为了将机床机械部分的工作状态及刀具的切削参数调整到 硕士学位论文 螺纹钢轧辊月牙槽数控铣床的研制 最佳 因此从各轴的运动控制要求确定 1 在切削加工中轧辊匀速旋转 2 刀具工作角旋转速度国p 与刀具空程角旋转速度吼相同或接近 刀具等于或接 近匀速旋转 由计算式表达为 轧辊匀速旋转速度 嘶 g t o 彩 2 r t g s c o p d 刀具匀速旋转速度 缈p 国妒 d 国 3 6 0