數控車床銑削功能改造與應用

馬紹華，周前寬，張 昭，鄭國升，石建璋

（甘肅酒鋼集團西部重工股份有限公司，甘肅 嘉峪關 735100）

1 概述

花紋鋼板的外觀因美觀大方、防滑效果好，廣泛的應用在建筑、工業、交通行業中。酒鋼每年生產2萬噸的花紋鋼板。需要加工/修復花紋軋輥。因沒有專用的加工設備，長期外委加工，生產成本居高不下。同時給生產、質量管理帶來諸多風險。

2017年酒鋼西部重工與碳鋼薄板廠成立項目攻關組，在分析現有車、銑床改造案例的利弊，結合目前車銑復合加工技術的特點，提出在現有的數控車床改造成車銑復合功能的一體機，從滿足加工所需的功能進行分析、改造，保證設備安全、可靠、穩定的運行。

1 需要解決問題

國內目前普遍使用的扁豆型花紋鋼板（GBT3277—91），國標花紋結構圖及花紋軋輥實物如圖1、圖2所示：

圖1 花紋結構圖

圖2 花紋軋輥實物圖

要實現在軋輥圓周表面上加工出交錯排列（夾角互為90°）的扁豆花紋，需要對軋輥圓周方向的準確分度定位，刀具沿45°傾角銑削，可以前后、左右的移動，才能完成花紋孔型的標準加工。從數控加工原理上分析，是一個四軸聯動工作方式。即機床主軸的旋轉運動及分度功能（A軸）；銑刀臺的縱、橫向移動功能（X、Z軸）；銑刀旋轉切削運動（U軸）。

目前數控車床操作系統普遍為西門子802C（D）， 具備控制 3～4 個線性軸和一個主軸的功能［1］，滿足改造的要求。數控車床自身只有兩軸（X、Z）功能，還要增加兩個軸（A、U）。綜合考慮改造成本，以及數控系統的兼容性，可靠性。本著經濟、實用的原則，關鍵點整體思路：分度A軸必須配備；銑刀旋轉的U軸可以單獨設置獨立控制電路；銑刀架設計可以左右擺動±50°的結構。車床其他方面維持不動。

2 改造具體方案

2.1 增加伺服主軸，實現主軸分度功能

在主傳動部分配置伺服驅動器、伺服電機，同時在輸出軸上增加編碼器反饋信號裝置實現閉環控制，來保證準確分度。伺服電機合理地安裝在機床傳動側，在伺服主電機側和主軸輸入軸各安裝一只一定比值的同步帶輪，通過多楔帶進行傳動，電機側的帶輪可以通過電磁離合器實現離合，以便車削加工時伺服電機脫離工作。主軸A安裝傳動系統如圖3所示：

圖3 主軸A安裝傳動系統圖

2.2 增加立式銑頭機構，實現花紋銑削功能

在不改變原有數控軋輥車床刀架結構的前提下，另外增加一個立式銑削傳動裝置［2］，與原有的刀架裝置具有互換性。車削時使用刀架體，銑削時將車床刀架體整體拆卸下來換上銑頭體，通過定位銷來定位，即可實現銑削軋輥花紋功能。立式銑削結構只需裝夾一只刀桿，在刀桿上裝上飛刀即可實現花紋銑削。

加工花紋有45°的斜角，因此銑頭設計一個扇形齒條和一個傳動齒輪軸，用手動控制角度。具體結構如圖4立式銑頭傳動系統示意圖。

圖4 立式銑頭傳動系統示意圖

2.3 系統升級及電氣控制線路改造

原西門子系統配置為二軸，為了實現改造后的銑削功能，需將系統軟件配置升級為三軸系統，同時硬件增加伺服主電機、伺服電源模塊、伺服電機模塊、電抗器、主軸編碼器。銑刀主軸單獨設置控制電路，由2.2kW的變頻電機直接驅動.變頻器使主軸轉速在100～2000rpm范圍內做無級調速［3］。

3 分度誤差原因分析及改進措施

試運行中，暴露出圓周分度偏差及工作中抖動的兩個問題。加工接連出現廢品，綜合分析，主要問題在于機床傳動系統有間隙，有兩方面原因：

1）機床傳動軸之間的間隙，正常機床主軸啟動、停止、正反轉均會產生慣性，使設備在短時間之內無法迅速停機。長時間工作，使得齒輪、軸之間的磨損日益增大，影響分度精度。

2）花紋軋輥材質為無限冷硬鑄鐵，輥身硬度為HSD75—80，屬于超硬材料，加工時又是間斷性成型銑削，切削力大，抖動嚴重。

3）安裝A軸同步皮帶產生間隙，伺服主電機和機床主軸通過多楔帶進行連接，工作狀態中，皮帶始終處在一個方向運轉，沒有間隙產生。當停機時，電磁離合器脫離嚙合，皮帶輪處在自由狀態，被主軸的慣性帶動出現往復運動。因皮帶有彈性，難以回復原位。數控系統分度出現誤差。

針對這兩個問題，采取三個改進措施：

1）先期的花紋軋輥加工采用的圓周加工方式，即在圓周母線上按等分逐一加工出3784個扁豆肋，A軸分度3784次。要求機床的圓周分度精度十分準確。關鍵點在于減少分度次數。我們采取縱向加工法，只分度88次，縱向間距由Z軸的滾動絲杠、絲母控制。減少分度誤差。

2）為了確保機床穩定性，消除主軸的抖動，設計/安裝主軸鎖緊機構。即在切削加工時主軸處在鎖緊狀態，分度時，同步處在放松狀態。過程由機床數控系統同步控制。改造方案如下：在機床主軸頭部安裝一個鎖緊圓盤［4］（為了增大摩擦力，在圓端面進行滾花處理），上部連接液壓夾鉗制動器（安裝在床頭箱上）。控制方式與主軸液壓系統共用[5]。工作原理是：當油壓缸接收到鎖緊指令時，儲油缸中的液壓油從供油管進入油壓缸中，油壓缸向前運動，在壓力作用下左右卡鉗產生相對運動，鉗口夾緊圓盤，使主軸處于靜止狀態[5]。當油壓缸接收到松開指令時，油壓缸向后前運動，使鎖緊卡鉗中的液壓油從供油管退回到儲油缸中，失去壓力作用的左右卡鉗產生反向運動，鉗口松開，圓盤處在自由狀態，主軸正常旋轉/分度不受影響。圖5為主軸液壓夾緊示意圖：

圖5 主軸液壓夾緊示意圖

3）通過程序控制及線路改動，保證機床整體在斷停狀態下，A軸上的電磁離合器始終是嚙合狀態，皮帶處在工作狀態，無法產生間隙。

改造后整體效果圖如圖6、圖7所示。

圖6 主軸改造實物圖

圖7 銑頭改造實物圖

4 結論

改造后的機床保留車床全部功能，增加的銑削功能實現三軸聯動和閉環控制，加工扁豆形花紋槽，產品符合GB/T3277-91國標標準。同時實現多頭、大導程螺旋槽工件的加工，加工范圍擴大700×6000mm，提高設備利用率。其次，操作方便、快捷，車床刀臺與銑頭共用一個基準臺面，安裝尺寸具有互換性，拆卸方便。恢復車削功能，只要脫開分度同步皮帶即可，做到車/銑互不干涉、互不影響。

改造設備不要拘泥于思維的框架，在準確工藝分析后，利用現有設備的能力，結合工作的經驗及理論指導，進行大膽的嘗試，起到經濟、實用的效果，這點對制造企業尤為適用。經過不斷的完善，兩年來設備運行安全、可靠。全部費用投入不到30萬元，僅為專用設備（120萬）的四分之一。按每年生產2萬噸生產量計算，為酒鋼碳鋼薄板廠創產值約1億元，創造利潤1千萬元。