超大型卷板機超長輥精密加工工藝技術研究

鄭九華，常 欣，楊樹田，朱宗強，李文凱

（1.山東農業大學 水利土木工程學院，山東 泰安 271018；2.泰安華魯鍛壓機床有限公司，山東 泰安 271000）

隨著造船、石油化工、鍋爐、壓力容器等行業的發展，超大型數控船用卷板機已成為目前卷板機的重要發展方向之一[1，2]。工作輥是超大型數控船用卷板機的關鍵部件，一件上輥、兩件下輥都是經過整體鍛造，并用井式爐進行熱處理后，經過加工成形，要求有足夠的韌性和表面高硬度，能在滾壓板材時輥子表面不產生壓痕，并能滿足長期滾壓鋼板的要求。因此它的加工質量精度（指加工精度和表面粗糙度），直接影響整個設備的精度和使用壽命。

1 超長輥加工工藝特點分析

通常輥軸的長度與直徑比大于20～25（即L/d≥20～25）的稱之為細長軸，而本項目的工作輥其長度為24400mm，直徑為430mm左右，長度與直徑之比約為60，屬于超細長軸。如圖1所示為實驗毛坯示意圖。

圖1 實驗超長輥毛坯圖

超細長軸車削的工藝特點如下[3-6]：

（1）超細長軸剛性很差，很容易因切削力及重力的作用而發生彎曲變形，產生振動，從而影響加工精度和表面粗糙度。在車床上車削細長軸采用的傳統裝夾方式主要采用一夾一頂的裝夾方式，其力學模型如圖2所示。

圖2 一夾一頂裝夾方式力學模型

對車削引起細長軸彎曲變形的原因進行分析研究。在車削過程中，產生的切削力可以分解為主切削力PZ、背向力PY、進給力PX。不同的切削力對車削細長軸時產生彎曲變形的影響是不同的。

（1）背向力PY的影響。背向力是垂直作用在通過細長軸軸線水平平面內的，由于細長軸的剛性較差，徑向力將會把細長軸頂彎，使其在水平面內發生彎曲變形。

（2）進給力PX的影響。進給力是平行作用在細長軸軸線方向上的，對于一般的車削加工，軸向切削力對工件彎曲變形的影響并不大，可以忽略。但是由于細長軸的剛性較差，其穩定性也較差，當軸向切削力超過一定數值時，將會把細長軸壓彎而發生縱向彎曲變形。在回轉離心力的作用下，又加劇了變形，引起了振動。

（3）超細長軸車削加工產生的切削熱，會引起工件熱伸長。在車削過程中，如果軸的兩端為固定支承，卡盤和尾架頂尖都是固定不動的，使兩者之間的距離也固定不變，這樣細長軸受熱后的軸向伸長量受到限制，導致細長軸受到軸向擠壓而產生彎曲變形。

（4）由于連續切削時間長，刀具在加工過程中不斷磨損，不及時補償，不易獲得良好的加工精度和表面質量。

（5）由于使用跟刀架，若支承工件的支承對零件壓力過小或不接觸，就不起作用，不能提高零件的剛度：若壓力過大，零件被壓向車刀，切削深度增加，車出的直徑就小，當跟刀架繼續移動后，支承塊支承在小直徑外圓處，支承塊與工件脫離，切削力使工件向外讓開，切削深度減小，車出的直徑變大，以后跟刀架又跟到大直徑圓上，又把工件壓向車刀，使車出的直徑變小，這樣連續有規律的變化，就會把細長的工件車成“竹節”形。造成機床、工件、刀具工藝系統的剛性不良給切削加工帶來困難，不易獲得良好的表面粗糙度和幾何精度。

2 超長輥加工的總體方案

針對超細長軸車削的工藝特點，加工WEF11K-40×21000超大型數控船用卷板機工作輥時采取了以下措施。

2.1 增加超長輥的剛性

（1）改進工件的裝夾方法，采用一夾一頂，如圖3所示。

在傳統一夾一頂裝夾基礎上，在卡爪與超長輥之間墊入一個開口鋼絲圈，以減少卡爪與超長輥的軸向接觸長度，消除安裝時的過定位，減少彎曲變形；同時頂尖應采用彈性活頂尖，使超長輥受熱后可以自由伸長，減少其受熱彎曲變形。

圖3 一夾一頂裝夾方式的改進

（2）采用中心架和輔助可調定位支撐套支承。采用中心架和輔助可調定位支撐套支承，可在車床導軌上移動，使在加工過程中能隨時調整，如圖4所示，相當于在細長軸上增加了一個或兩個輔助可調支撐，增加了細長軸的剛度，可有效減少徑向切削力對細長軸的影響。通過輔助可調定位支撐套進行調整，可改善托架與工件的接觸狀態為最佳，車削時穩定，不易產生振動。

圖4 中心架和托架支承

2.2 減小切削力、切削熱的影響

采用反向切削法車削超長輥。反向切削法是指在細長軸的車削過程中，車刀由主軸卡盤開始向尾架方向進給，如圖5所示。這樣在加工過程中產生的軸向切削力使細長軸受拉，消除了軸向切削力引起的彎曲變形。同時，采用彈性的尾架頂尖，可有效補償刀具至尾架一段的工件的受壓變形和熱伸長量，避免工件的壓彎變形。

圖5 反向切削法

2.3 合理選擇刀具的幾何參數

超長輥采用了粗車、半精車、精車的加工工序，各工序要選擇合理的刀具，如圖6所示。刀具幾何參數選擇不當，會造成切削力過大，輥軸發生彎曲變形和表面質量差。

圖6 車刀

（1）主偏角。主偏角的大小直接影響引起細長軸彎曲變形的背向力、進給力的比例分配關系。主偏角增大，進給力增大，而背向力減小。當采用反向切削時，進給力增大，加強了工件的拉伸作用；背向力減小，減小細長軸的彎曲變形和振動，兩者都有利于提高加工精度。車超長輥時，粗車主偏角取45°，精車主偏角取75°。

（2）刃傾角。刃傾角對進給力、背向力的影響趨同于主偏角。粗車時刃傾角取-2°，增加刀刃抗沖擊性；精車取2°，使切屑排向待加工面，同時刀具易切入工件，減小切削力，防止崩刀。

（3）前角。前角增大，使刀具的刃口鋒利，可以降低切削力和切削熱。根據前角的選用原則，選取25°。

（4）后角。一般采用大的進給量，同時又是強力切削，切削熱較高，為增加刀具耐用度，選用較小的后角，取5°。

（5）刀尖圓弧半徑。刀尖圓弧半徑增大，進給力減小。為防止振動，應選用較小的刀尖圓弧半徑。

根據超長輥車削工藝特點，選用車刀的幾何參數如表1所示。

表1 車刀幾何參數

2.4 選擇合適的切削用量

刀具切削用量選擇不當，會造成切削力過大，產生彎曲變形，表面質量差。在盡量大的進給量的前提下，盡可能提高切削速度和背吃刀量。切削參數如表2所示。

表2 加工中的切削參數

2.5 提高幾何形狀精度、表面粗糙度

超長輥的加工工藝采用了中心架和輔助可調定位支撐套支承，工件在分段加工中，造成多次換刀、對刀，這樣就出現了接刀痕跡，影響表面粗糙度。為此，自制拋光輪，在精加工后，對輥子表面進行拋光，解決了超長輥接刀痕跡，提高了表面粗糙度。圖7為拋光輪圖，圖8為超長輥拋光前后對比圖。

圖7 拋光輪圖

圖8 拋光前后對比圖

3 研究成果

通過對超長輥制造技術的研究，采用一系列有效措施，使加工的超長輥，表面粗糙度達到Ra3.2以上，橢圓度為0.05mm，圓跳動為0.15mm，且工效大大提高，完全滿足本項目的要求，加工好的超長輥如圖9所示。

圖9 加工好的超長輥

4 結論

通過對超長輥加工工藝特點的分析，采用增加超長輥的剛性，減小切削力、切削熱的影響，合理選擇刀具的幾何參數和選擇合適的切削用量等措施，使超長輥的加工質量大提高，滿足了加工要求，提高了關鍵件的制造效率，取得良好的效益。

參考文獻：

[1] M Hua，Y H Lin.Large Deflection Analysis of Elastoplastic Plate in Steady Continuous Four roll Bending Process[J].International Journal of Material Sciences，1999，（41）：1461-1483.

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