用普通軋輥車床改造為花紋輥刻花機床

呂海軍

（廣西柳鋼工程技術有限公司，廣西 柳州545002）

0 引言

柳鋼熱軋廠為加大品種鋼的開發，要求要軋制花紋板，但由于公司內沒有花紋輥加工設備，嚴重制約了該產品的開發工作，如果購買一臺花紋輥加工機床需要投資180萬元左右，而且需要一年左右的設備采購及加工準備時間，在時間上顯然不能滿足生產需求，如能利用公司的閑置設備進行改造后用于加工花紋輥，這將能又快又省地解決這個問題，因此我們決定成立攻關小組利用閑置的C84100軋輥車床來進行設計改造。

1 花紋輥刻花機床的描述

1.1 產品對機床的要求

花紋輥要求在普遍軋輥表面上加工如圖1（花紋布置示意圖）所示花紋：

圖1 花紋布置示意圖

每一排花紋個數為60個，共120排7 200個花紋，每個花紋之間間隔的45 mm，每個花紋的加工深度偏差不超過0.01 mm，兩個花紋之間偏差不超過0.5 mm。相鄰兩排花紋之間的夾角為90°，加工時，先將同一方向的花紋加工完，然后將銑刀架轉動90°，依次完成另一方向的花紋加工。

為滿足花紋輥的要求，花紋輥刻花機床要具有如下功能：

（1）花紋輥的旋轉；

（2）主軸的分度定位；

（3）刀架的水平縱向運動；

（4）刀架的水平橫向運動，其中橫向運動要分兩步完成：第一步由中拖板完成切削的對刀運動，第二步由上拖板完成銑削時的進退刀恒定運動；

（5）銑刀的旋轉；

（6）銑刀架 90°轉動。

1.2 原軋輥車床基本功能分析

原軋輥車床有各種車床所共有的基本功能，但由于加工花紋輥不是用主軸旋轉來加工，主軸不旋轉，其本來的水平縱向、橫向運動就失去動力，我們只能利用原機床來支承、夾緊、轉動軋輥。其余所需的功能，如主軸的分度定位、刀架的水平縱向運動、刀架的水平橫向運動、銑刀的旋轉、銑刀架90°轉動等，就得通過必要的機械及電氣設計改造來實現。

2 機械改造

2.1 主軸的分度定位

（1）主軸分度定位的實現：通過增加一分度定位裝置來實現。如圖2（花紋輥刻花機床分度定位裝置示意圖）所示：分度定位裝置由分度盤定位裝置、分度盤、分度定位總成和定位支架等組成，分度盤通過四套分度盤定位裝置固定在機床夾盆上，定位支架固定在床身上，分度定位總成則固定在定位支架上。其中，分度盤的定位問題較為復雜，如圖3（分度盤定位裝置示意圖）所示，安裝時，要先用變徑螺桿和M30螺母等將四個定位套分別校正固定在夾爪盤上，再將分度盤固定在定位套上，這樣就解決了分度盤的安裝精度問題。

圖2 花紋輥刻花機床分度定位裝置示意圖

圖3 分度盤定位裝置示意圖

（2）主軸分度定位的工作機理：進行主軸分度定位操作時，先用點動按鈕使主軸轉動，使分度盤上的定位孔位置剛好轉到分度定位總成的分度定位軸的位置，然后將分度定位軸穿入定位孔完成定位，同時通過分度定位總成的彈簧張力使分度定位軸保持定位位置，如圖4（分度定位總成示意圖）所示。定位完成后，將整排的花紋加工好，再用同樣的方法完成其它各排花紋的加工。

圖4 分度定位總成示意圖

2.2 銑刀架的橫向及縱向運動

如圖5（銑刀架裝配示意圖）所示，將原軋輥車床刀架導軌中拖板以上部分（連同刀架）移除，另設計制作適合加工花紋輥的中拖板和上拖板。縱向運動由原機床的大拖板外加一套減速機構及動力驅動來完成。橫向運動分兩步進行：1）中拖板經絲桿用手動完成切削前的橫向對刀運動（因對刀次數較少，不需要機動）；2）上拖板外加一套減速機構及動力驅動來完成切削過程中進刀及退刀的恒定運動。由于刻花深度誤差要求在0.01 mm內，每排刻花60個，工作程序為：對刀后進行切削—退刀—橫移分格……如此循環進行，直至完成60個動作為止[1]。因此，進退刀一定要保證在怛定的數值內，為保證精度，我們選用滾珠絲桿來達到目的。

圖5 銑刀架裝配示意圖

2.3 銑刀的旋轉運動

如圖5（銑刀架裝配示意圖）所示，參照銑床的傳動機構制作一減速箱體，安裝在立柱內，立柱為中介，底面與上拖板連接，側正面與刀架連接，驅動裝在立柱內（也稱主軸箱）。通過減速箱體的輸出軸，可以將旋轉運動傳送至銑刀架的銑刀軸（刀桿）上，這樣，就使銑刀的旋轉運動問題得到了解決。至于減速箱體的內部結構、齒輪傳動的傳動比、輸出轉速等參數，均按普通銑床的有關規范來設計，在此不再作進一步闡述。

2.4 銑刀架的90°轉動

（1）銑刀架的結構：參照普通銑床銑刀架的有關規范，設計并制作如圖6（銑刀架示意圖）所示的銑刀架。銑刀架由底座、拖板、軸承座、銑刀軸（刀桿）等組成，其中，銑刀軸（刀桿）可隨拖板在底座上移動（對中心用）。

（2）銑刀架的90°轉動：如圖6（銑刀架裝配示意圖）所示，當銑刀架在初始位置（同水平面的夾角45°）時，加工如圖1（花紋布置示意圖）所示的第二排、第四排等花紋，當同一方向的花紋全部加工完后，將銑刀架逆時針轉動90°，用銷軸定位并緊固后，依次將第一排、第三排等花紋加工好。

圖6 銑刀架示意圖

3 電氣改造

3.1 動力的分配

原機床的主軸點動利用原有動力拖動，刀架的縱向運動由一臺3 kW的異步電機拖動，刀架的橫向運動由另一臺3 kW的異步電機拖動，刀軸的旋轉由一臺2.2 kW的異步電機拖動。

3.2 P L C選型

花紋輥刻花機床電氣控制系統中的輸入點有：主軸（刀桿）旋轉控制的3個點；水平主軸箱的橫向和縱向運動控制8個點，銑刀控制2個點，行程開關5個點，變頻器保護2個點，電機過載保護1個點。輸出點有：主軸正反旋轉接觸器2個點；水平主軸箱的橫向和縱向運動接觸器6個點，銑刀旋轉控制2個點，電源保護1個點 ，因此它共需要21個輸入點，11個輸出點，我們選用的是歐姆龍的PLC。

3.3 變頻器的選型

由于銑刀的旋轉速度要根據刀型和軋輥硬度進行無級調速，其控制電機的功率為2.2 kW，我們選用富士FRENIC5000G11G變頻器；同樣水平主軸箱的縱向運動控制關系到每個花紋的加工深度，它要和銑刀的旋轉速度相配合，才能保證工花紋深度的精度，所以也必須采用無級調速控制，其控制電機的功率為2.2 kW，所以我們同樣選用富士FRENIC5000-G11G變頻器來控制。

3.4 P L C程序設計

花紋輥刻花機床電氣控制系統可分為：

（1）電源啟動與停止；

（2）主軸正反向點動與停止；

（3）銑刀旋轉與停止；

（4）橫向運動控制（含快速、左右向常速運動）；

（5）縱向運動控制；

（6）計數。

其中要實現如下自動加工過程：進刀（加工）--退刀—橫移—計數--再進刀（加工）--退刀—橫移—計數……直至加工一排完畢，如圖7（花紋輥刻花機床電氣控制梯形圖）。

圖7 花紋輥刻花機床電氣控制梯形圖

機床上電后，按下右向加工按鈕0.02，PLC輸出點20.01導通，滾刀繼電器得電工作，輸出一個正向旋轉信號給1#變頻器REV端，變頻器按設定的頻率輸出電壓給滾刀電機帶動滾刀旋轉；同時PLC輸出點20.02導通，縱向進給繼電器得電工作，輸出一個正向旋轉信號給2#變頻器REV端，變頻器按設定的頻率輸出電壓給縱向電機帶動水平刀架縱向加工；加工到達尺寸后，時間繼電器T000動作，PLC輸出點20.02斷開，縱向進給加工停止，同時PLC輸出點20.03導通，縱向退刀繼電器得電工作，輸出一個反向旋轉信號給2#變頻器FWD端，變頻器按設定的頻率輸出電壓給縱向電機帶動水平刀架縱向退刀；退到達尺寸后，時間繼電器T001動作，PLC輸出點20.03斷開，縱向退刀停止，PLC輸出點20.04導通，橫移接觸器得電工作，橫移電機得電后帶動刀架水平移動，同時給計數器CNT000一個計數信號，計數器記錄機床加工了一個齒，當刀架移動到位后，時間繼電器T002動作，PLC輸出點20.03斷開，橫移停止，此時PLC輸出點20.02又導通，開始下一個齒的加工，直至計數器達到設定的數值時，計數器動作，使整個自動加工過程結束。當下一個加工過程開始時，只要按下右向加工按鈕（0.02）或左向加工按鈕（0.03）就可使計數器復位。

4 結論

我們只花了兩個月半時間就完成了花紋輥加工機床設計改造所需的零部件制作，并且為熱軋廠加工出多個品種的花紋輥，加工出來的花紋輥比原來從英國帶來的花紋輥效果還好，兩個齒之間深度誤差不超過0.005 mm，完全達到或者說超過了原來的設想，尤其在增加了分度定位裝置后，由于在定位上有了更精確的保障，使加工出來的花紋排列更加整齊，同排花紋之間排列更加統一，每兩排花紋之間的間距誤差更小。所以說經過機械和電氣兩個方面的改造，閑置的軋輥車床得到了很好地使用，創造了較大的經濟價值。特別是在使用歐姆龍PLC和富士變頻器電氣改造以后，大大優化了電路設計，減少了硬件配置，簡化了電氣線路，提高了系統的性能，提高了設備的加工精度和設備的自動化加工程度，提高了加工效率，保證了加工質量，減輕了操作人員的勞動強度。此外，經過設計改造，節約了大筆資金，改造費用只花了不到二十萬元，而購買新的花紋輥加工機床需要投資180萬左右，僅此一項就節省了大約160萬元的設備投入，同時，熱軋廠由于我們及時給其加工出花紋輥，也獲得了很好的經濟效益，每年可完成22000噸花紋板的軋制，創產值約1.05億元，為公司增加利潤約為1430萬元。