一種卷取機扇形板外圓加工的工裝設計

馮映科

(寶武裝備智能科技有限公司湛江分公司 廣東 湛江 524000)

一、引言

卷取機是帶鋼軋制成品后成卷成型的關鍵設備[1]。其中作為卷取機中關鍵部件之一的扇形板，保證卷取鋼卷的質量的執行部分[2]。因其結構形狀復雜且加工精度高的要求，當扇形板外圓形狀尺寸不能滿足技術要求是，會導致卷取的鋼卷質量問題。2020年某冷軋廠在生產作業2mm的帶鋼規格時，發現鋼卷的內部產生較為嚴重的卷軸印。后經技術人員查實，原因是由于卷取機的扇形板漲開最大狀態時，外圓的圓面不在同一圓上，導致卷軸印的出現。因此，對扇形板的外圓進行修復。

修復前扇形板的最大圓如圖1所示，中間大部分的直徑為Φ560，兩側小部分的直徑為Φ554，對扇形板的外圓進行機械加工修復，保證修復后扇形板在漲開最大圓時直徑統一為Φ554。因此，設計專用的工裝保證四塊扇形板的外圓在同一個圓上，解決扇形板加工前同心問題，為后續機械加工提供了有力的保證。

圖1 加工前的扇形板

二、工裝設計

如圖2所示，該卷取機主要由芯軸、扇形板、斜切組成，通過扇形板的漲開和收合實現帶鋼的卷取。由于扇形板結構特殊，扇形板自身無法構成整圓形狀，需要通過芯軸和斜切配合，按照圖紙要求裝配一起形成整圓。根據扇形板實際使用的情況，設計與現場芯軸等效的芯軸替代，而且能夠滿足機械加工要求，是工裝設計的重點。扇形板采用專用工裝裝配后的效果圖如圖3所示。

圖2 扇形板的裝配示意圖

圖3 扇形板的裝配示意圖

圖3所扇形板專用加工工裝主要由芯軸、壓板、鎖緊螺母、螺栓、鎖緊環組成。設計根據扇形板實際使用的特點，確定芯軸固定住斜切，而斜切通過自身的形狀，緊連接扇形板，斜切是固定不動的，因此將芯軸圓周分成4等份的A處作為斜切的裝配基準面，將4件斜切同時緊貼A處，在斜切的右端面用螺栓緊固件固定鎖緊如圖所示。按照修復的要求，將原來扇形板外圓Φ560的分布特點，可以得出相對A處基礎的扇形板左側端面距離，并且以此作為B基準。將4件扇形板依次通過斜切裝配，扇形板的左端面緊靠B基準。芯軸的開斜切的定位槽固定斜切，為了保證有效固定斜切且減少定位槽的機械加工量，采用4段溝槽固定(如圖2所示)。扇形板在漲開狀態的圓面不是連續的，扇形板與扇形板銜接之間出現間隙，在加工修復中，車刀和磨削時有間斷的沖擊，因此采用鎖緊環將扇形板的兩端面緊固，以增加扇形板之間的剛性，提高加工精度。

扇形板修復的裝配流程與扇形板現場裝配流程相似。芯軸先擺放在可旋轉的平臺上，先將4件斜切分別依次裝入芯軸對應位置，斜切左端面緊貼A處的基準面，斜切右側的端面采用螺栓緊固。再將四塊扇形板分別依次裝入與斜切配合的位置，并用壓板鎖緊，再用兩個鎖緊環鎖緊扇形板的兩側面，將扇形板、斜切和工裝連接為一體，如圖4所示。

圖4 扇形板機械加工的裝配效果圖

三、工裝關鍵部位受力仿真分析

裝配好的扇形板進入加工流程，加工流程要保證設計的工裝能有足夠的強度和剛度，并且螺栓有效緊固，使得在加工過程穩定可靠。因此，采用ANSYS workbench對設計的芯軸關鍵零部件做靜力學分析，保證設計的工裝能夠滿足實際加工的需求。設計的工裝采用材料為Q235，材料的力學性能如表1所示

表1 Q235的力學性能

在機械加工過程中，車削量比磨削量大，因此車削力大于磨削力，因此采用車削力作為靜力學的依據，校核設計芯軸工裝的強度和剛度。因為扇形板是42CMo材料制作，車削力采用文獻[3]取主切削力700N作為車削力參數。采用SolidWorks進行芯軸建模，其模型如圖4，然后導入ANSYS workbench進行靜力學分析。扇形板專用工裝的主要受力位置A基準面和斜切定位槽，因此對其校核滿足要求即可。

圖4 等效應力結果

從圖4分析的等效應力結果圖可知，最大受力的地方為211MPa,均小于Q235的屈服極限，因此該工裝的強度是能夠滿足的。

從圖5分析的等效應變結果圖可知，加工受力最大的情況下，最大應變的地方為0.011mm,均滿足加工剛度需求，因此該工裝的剛度是能夠滿足的。

圖5 等效應變結果

為簡化B基準面的加工，采用M20螺栓作為扇形定位端面，通過銑床銑出該尺寸。根據文獻查出M20螺栓能夠承載最大的壓力為110KN，因此能夠滿足設計需求。

壓板被4顆M20螺栓緊固，并緊靠扇形板。按照該思路進行壓板受力仿真，其受壓力載荷為2000N，其應力結果如圖6所示，從分析結果可知采用Q235材料制作壓板能夠滿足強度的要求。應變分析的結果如圖7所示，從分析結果可知壓板的應變為0.0037mm，能夠滿足使用的剛度要求。

圖6 壓板應力分析結果

圖7 壓板應變分析結果圖

從芯軸和壓板的仿真分析可知，設計的扇形板加工工裝能夠滿足需求，能保證扇形板的加工精度。

機械加工流程是先將扇形板、斜切和工裝都裝配，接著上車床車外圓，然后轉磨床磨外圓，最后進入毛化工序，圖8是毛化后的扇形板，保證加工的質量符合使用技術要求，加工完畢后轉交用戶上線使用。經一段時間后，用戶反饋扇形板修復后的情況良好，從而說明工裝設計的正確性。

圖8 毛化后的扇形板效果圖

四、結語

依據扇形板使用的特點，設計扇形板加工的專用工裝，采用將斜切和扇形板裝配為一體的的加工方式，并采用Ansys workbench對工裝芯軸和壓板的關鍵零部件進行強度和剛度校核。最后機械加工扇形板外圓，修復后的扇形板滿足使用技術要求。通過設計專用的工裝，有效解決扇形板的外圓加工難的問題，該設計為生產帶來客觀的效益，為其他同類方案提供可行的設計思路。