陳春

(四川機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，四川攀枝花617000)

隨著國內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)板帶軋機(jī)的改造和新廠的興建，軋制生產(chǎn)能力的不斷發(fā)展以及市場競爭的結(jié)果，對(duì)軋輥磨床的技術(shù)性能提出了非常高的要求?，F(xiàn)代熱軋帶鋼廠要求其配備的軋輥磨床具有高精度、高效率、高可靠性等主要特點(diǎn)。軋輥磨床是板材軋制鋼廠必不可少的高精度加工設(shè)備，對(duì)保證板材軋制的精度和表面質(zhì)量具有關(guān)鍵性的作用。近十多年來隨著計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)的高速發(fā)展，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軋輥磨床大量采用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)和交流伺服傳動(dòng)，使得軋輥磨床的精度、功能、可靠性和自動(dòng)化水平達(dá)到了前所未有的新高度。

某熱軋板廠在三期技改后，其年產(chǎn)量已達(dá)243 萬噸，最大卷重達(dá)23 噸，由于產(chǎn)品寬度、厚度不變，單位時(shí)間內(nèi)的板帶軋制長度增加，在單位時(shí)間內(nèi)軋輥的過鋼量也大大增加。軋輥的更換周期將進(jìn)一步縮短，軋輥重磨量也將進(jìn)一步加大。現(xiàn)有軋輥磨床的加工能力已不能滿足軋鋼生產(chǎn)的實(shí)際需要。該熱軋板廠原有的軋輥磨床設(shè)備是1992年由貴州險(xiǎn)峰機(jī)床廠生產(chǎn)的3 臺(tái)MK84100、MK84125、M84160B 軋輥磨床和1 臺(tái)從德國瓦德里西-濟(jì)根公司引進(jìn)的WS3-CP25x5000數(shù)控軋輥磨床設(shè)備。3 臺(tái)國產(chǎn)磨床已高負(fù)荷、連續(xù)運(yùn)行近10年，機(jī)械磨損嚴(yán)重，機(jī)床加工精度很差，而且均為手動(dòng)操作，人工軋輥測量，機(jī)床工作效率低下，操作工勞動(dòng)強(qiáng)度大?？紤]到進(jìn)口1 臺(tái)滿足要求的軋輥磨床，其價(jià)格過于高昂，因此決定以國內(nèi)自有技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行軟件開發(fā)和創(chuàng)新，采用當(dāng)前國際最先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)和機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)，通過對(duì)伺服系統(tǒng)、機(jī)床本體、潤滑系統(tǒng)等部分的分析和設(shè)計(jì)，成功研制了全自動(dòng)數(shù)控軋輥磨床，形成了具有我國特色的高精度、高效率、高可靠性的全自動(dòng)數(shù)控軋輥磨床裝備的現(xiàn)代化成套技術(shù)，從而降低了生產(chǎn)成本，帶來了大量經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 機(jī)床主要技術(shù)指標(biāo)

磨床軋輥磨削精度技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 軋輥磨床精度技術(shù)指標(biāo)

機(jī)床主要參數(shù)如表2所示。

表2 機(jī)床主要參數(shù)

2 主要研究內(nèi)容

2.1 SINUMERIK 840D機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用及技術(shù)開發(fā)

MK84160Ⅲ-40x5000 全自動(dòng)數(shù)控軋輥磨床全部采用西門子交流伺服電機(jī)(砂輪和頭架為西門子交流主軸電機(jī))數(shù)字式控制，采用德國西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，功能強(qiáng)大，電氣性能達(dá)世界一流水平，避免了電氣硬件采用幾個(gè)國家或地區(qū)產(chǎn)品所帶來的備件復(fù)雜，可靠性、安全性差的缺點(diǎn)。

C1軸和C2軸采用高性能數(shù)控交流主軸電機(jī)，改善了系統(tǒng)響應(yīng)，提高了機(jī)床整體加工精度，為降低設(shè)備故障率創(chuàng)造了良好條件。

2.2 機(jī)床彈性基礎(chǔ)、砂輪床身與工件床身設(shè)計(jì)

(1)機(jī)床彈性基礎(chǔ)

為了最大限度地減少附近主軋線地下卷取機(jī)穿帶卷鋼和廠房吊車高速走行等外界震動(dòng)對(duì)MK84160Ⅲ-40x5000數(shù)控軋輥磨床的影響，保證機(jī)床最終的加工精度指標(biāo)滿足工藝要求，該軋輥磨床地基特別采用了彈性減震基礎(chǔ)。分別由16組GPVM-16-B1280 高強(qiáng)度彈性隔振單元(高度352 mm)分布在磨床地基下的4個(gè)角，18組GP-16-B1280 彈性隔振單元(高度352 mm)平均排列在磨床地基下的兩邊，承載質(zhì)量為509 t。

(2)砂輪床身與工件床身的優(yōu)化設(shè)計(jì)

MK84160Ⅲ-40x5000數(shù)控軋輥磨床的總體設(shè)計(jì)。采用開目CAD設(shè)計(jì)軟件建立機(jī)床的實(shí)體圖型，并使用相關(guān)軟件對(duì)機(jī)床各主要部件進(jìn)行有限元分析計(jì)算、校核，優(yōu)化磨頭主軸、床身、頭架等機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

由于支承輥?zhàn)畲竽ハ髦睆竭_(dá)φ1 600 mm，將使頭架輸出軸中心線抬高，為保證機(jī)床整體剛性及機(jī)床精度的穩(wěn)定性，床身高設(shè)計(jì)為H=500 mm，砂輪床身與工件床身中心距為1 200 mm (為使工件床身精度在以后設(shè)備檢修時(shí)可調(diào)整，床身墊鐵不灌死)。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的機(jī)床結(jié)構(gòu)與國內(nèi)同規(guī)格的軋輥磨床相比，頭架與磨架的斷面增大、剛度提高。因床身凈高有所降低，垂直尺寸更小，在同等質(zhì)量下床身剛性更好。

2.3 頭架(C1軸)、尾架與中心架(U1軸)設(shè)計(jì)

(1)頭架(C1軸)

頭架采用三級(jí)三角皮帶傳動(dòng)，保證了拖動(dòng)的平穩(wěn)和精度。優(yōu)化設(shè)計(jì)的傳動(dòng)比和頭架電機(jī)參數(shù)，能滿足從重型支承輥(低轉(zhuǎn)速大扭矩)到小型工作輥(高轉(zhuǎn)速小扭矩)磨削的驅(qū)動(dòng)要求。交流主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)頭架實(shí)現(xiàn)正向和反向旋轉(zhuǎn)。利用頭架的位置控制功能可以輕松完成撥盤角度的自動(dòng)定位，方便軋輥的安裝，減少輔助工作時(shí)間，提高效率。

頭架潤滑采用機(jī)床專用干油泵，由PLC控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定時(shí)給油或機(jī)旁手動(dòng)給油。

(2)中心架(U1軸)

磨床的中心托架由左(尾架端)和右(頭架端)兩個(gè)中心架組成，并可提供不同支承直徑范圍的支承(瓦)塊，以滿足對(duì)輥頸在φ300～φ600 mm 范圍內(nèi)軋輥的支承。另外中心架還可沿床身導(dǎo)軌縱向進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，以適應(yīng)不同長度和類型的各種軋輥的支承。

中心架調(diào)整是在軋輥安裝后，通過U1軸的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)自動(dòng)進(jìn)行的，其位置反饋檢測單元選用德國HEIDENHAIN 公司的直線短光柵測量頭元件。為了實(shí)現(xiàn)在中心托架上對(duì)軋輥安裝精度的調(diào)整，左(尾架端)中心架被設(shè)計(jì)為上下兩層，在下層底座中設(shè)置了一套帶動(dòng)上層瓦座沿橫向調(diào)整的微動(dòng)機(jī)構(gòu)，以完成軋輥安裝精度的自動(dòng)閉環(huán)校正(與測量系統(tǒng)配合)。

中心架托瓦為二瓦斜角支承，這樣既可以方便軋輥的上下吊裝，還能避免在測量過程中(或進(jìn)入測量時(shí))上瓦殼體與外(A)測頭發(fā)生干涉，確保軋輥測量過程的安全和迅速完成，提高工作效率。

中心架托瓦配備自動(dòng)稀油潤滑裝置，左右兩個(gè)中心架各裝設(shè)兩個(gè)流量可調(diào)節(jié)的活動(dòng)噴油嘴，廢油通過導(dǎo)油槽回收到地板蓋下的廢油箱中。

(3)機(jī)床尾架

機(jī)床尾架配備500 mm 大行程液壓套筒，同時(shí)還配備了工件頂力測量、顯示和相關(guān)的控制裝置。在裝卸軋輥時(shí)只需伸縮套筒，避免了尾架的頻繁移動(dòng)，從而使工件床身的磨損大為減少。尾架移動(dòng)采用簡單可靠的手動(dòng)操作。

尾架潤滑采用日本產(chǎn)的機(jī)床專用低壓稀油泵，由PLC控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定時(shí)給油(或機(jī)旁手動(dòng)給油)。

2.4 砂輪主軸系統(tǒng)

砂輪主軸結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 砂輪主軸結(jié)構(gòu)

機(jī)床砂輪主軸的前后徑向軸承均采用高精度動(dòng)靜壓軸承，主軸軸向采用高精度推力軸承。在主軸動(dòng)靜壓軸承的設(shè)計(jì)中，由于采用了特殊結(jié)構(gòu)及工藝(如瓦面采用大阻尼結(jié)構(gòu)，偏心率控制:Σ=0.6 等)，使磨頭特別適用于高精度、高表面質(zhì)量軋輥的磨削要求。另外，在后軸承的設(shè)計(jì)中增強(qiáng)了工作腔動(dòng)靜壓軸承的靜態(tài)壓力效果，以克服較大皮帶拉力對(duì)軸瓦造成的損傷。采用上述動(dòng)靜壓軸承制造的磨頭，在現(xiàn)場實(shí)際使用中具有回轉(zhuǎn)精度高、運(yùn)行穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)剛性強(qiáng)、不易振動(dòng)等特點(diǎn)。

砂輪主軸還特別配備了美國俄勒岡州波特蘭市史密特工業(yè)公司生產(chǎn)的SBS-4500 在線動(dòng)平衡檢測控制儀，使因砂輪厚度不均造成的不平衡、主軸結(jié)構(gòu)本身存在的不平衡、砂輪磨損及冷卻液粘附砂輪泥等因素造成的砂輪主軸動(dòng)態(tài)不平衡引起的振動(dòng)影響減少至最小，基本消除了磨削過程中砂輪的振動(dòng)，可靠地提高了軋輥磨削精度和加工件表面光潔度。

2.5 大拖板(z軸)

機(jī)床大拖板(z軸)的往復(fù)移動(dòng)采用特殊油腔靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)、消除間隙的精密滾珠長絲杠傳動(dòng)、平行式的V形貼塑靜壓導(dǎo)軌，拖板電氣傳動(dòng)系統(tǒng)包括帶減速裝置的(減速比4∶1)交流伺服電機(jī)(轉(zhuǎn)矩38 N·m，轉(zhuǎn)速2 000 r/min)、精密滾珠絲杠(φ80 mm×3 700 mm)，數(shù)控系統(tǒng)通過編碼器實(shí)現(xiàn)拖板的速度和位置閉環(huán)控制，使拖板響應(yīng)快捷、運(yùn)行平穩(wěn)、重復(fù)定位精度高，是目前國際上設(shè)計(jì)制造的軋輥磨床最高水平。

2.6 磨架進(jìn)給(x軸)

磨架采用單層整體結(jié)構(gòu)，具有很高的剛性，磨架導(dǎo)軌采用貼塑靜壓導(dǎo)軌，磨架內(nèi)還裝有砂輪主軸及靜壓偏心套和磨曲線裝置。磨架及其砂輪進(jìn)給機(jī)構(gòu)同時(shí)也是軋輥測量系統(tǒng)的重要組成部分。磨架進(jìn)給機(jī)構(gòu)包括帶減速裝置(減速比28∶1)的交流伺服電機(jī)(轉(zhuǎn)矩9.5 N·m，轉(zhuǎn)速3 000 r/min)和精密滾珠絲杠，由數(shù)控系統(tǒng)通過直線長光柵實(shí)現(xiàn)磨架(x軸)的全閉環(huán)位置控制。

2.7 曲線磨削裝置(U軸)

高精度數(shù)控曲線磨削裝置(U軸)采用高精度靜壓偏心套結(jié)構(gòu)(內(nèi)裝主軸動(dòng)靜壓軸承)，U軸工作時(shí)，由全數(shù)字交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，通過直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副定位，使?jié)L珠螺母上下移動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)靜壓偏心套做小角度擺動(dòng)，使裝于靜壓偏心套內(nèi)的砂輪主軸相對(duì)于輥面做微量無間隙切入(或退出)運(yùn)動(dòng)。該運(yùn)動(dòng)與大拖板(z軸)的運(yùn)動(dòng)相復(fù)合，從而在軋輥表面磨削出所需曲線。

此外，還對(duì)磨床的測量系統(tǒng)、斷電保護(hù)系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、廢液處理系統(tǒng)等進(jìn)行了研制，從而使機(jī)床具有軋輥安裝精度動(dòng)態(tài)自動(dòng)補(bǔ)償、砂輪直徑和尾架位置自動(dòng)測量、磨削自適應(yīng)、參考點(diǎn)快速返回、磨削及測量過程動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真、軋輥定量磨除控制等功能。圖2所示為機(jī)床磨削及測量過程的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真畫面，圖3為機(jī)床外形圖。

圖2 磨削及測量過程的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真畫面

圖3 機(jī)床外形圖

3 應(yīng)用效果

該熱軋板廠軋輥磨床數(shù)字化研究項(xiàng)目，通過消化、吸收、借鑒國外先進(jìn)機(jī)床制造技術(shù)成果，以國內(nèi)自有技術(shù)為基礎(chǔ)，采用當(dāng)前國際最先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)和機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)，自行設(shè)計(jì)、開發(fā)、研制出具有世界先進(jìn)水平的全自動(dòng)數(shù)控軋輥磨床，該磨床具有軋輥安裝精度動(dòng)態(tài)自動(dòng)補(bǔ)償、砂輪直徑和尾架位置自動(dòng)測量、磨削自適應(yīng)、參考點(diǎn)快速返回、磨削及測量過程動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真、軋輥定量磨除控制等功能，其技術(shù)先進(jìn)性和控制功能在我國目前已經(jīng)運(yùn)行的軋輥磨床中獨(dú)具特色，而其成本僅為國外同類磨床一半，形成了具有高精度、高效率、高可靠性的全自動(dòng)數(shù)控軋輥磨床裝備的現(xiàn)代化成套技術(shù)，為軋輥磨床國產(chǎn)化奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，節(jié)約了大量的外匯，為國產(chǎn)軋輥磨床躋身世界軋輥磨床行列創(chuàng)造了有利條件。

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