劉錄鋒，楊 博，雷 超，楊曉東，呂林芳，呂 琰，杜寧波

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313028；3.山東壽光巨能特鋼有限公司，山東 壽光 262711)

0 前言

隨著生產(chǎn)水平發(fā)展，現(xiàn)代加工工藝向無加工或少加工量方向發(fā)展，對坯料的光潔度、尺寸精度提出了更高要求，因此高尺寸精度、高光潔度的材料(俗稱銀亮材)加工得到了迅猛的發(fā)展[1]。國內(nèi)新建、改建了多條銀亮鋼生產(chǎn)線，均斥巨資配備了進(jìn)口的精密長圓材剝皮機(jī)組作為銀亮材生產(chǎn)線的核心設(shè)備[2]。因此剝皮機(jī)的高水準(zhǔn)國產(chǎn)化也顯得非常迫切[3]。

中國重型機(jī)械研究院立足于自身，開展技術(shù)攻關(guān)，圓滿完成了國內(nèi)某特鋼廠BPM250規(guī)格的全自動、精密長圓材項目工藝、設(shè)備的研發(fā)配套，開發(fā)并掌握了多項關(guān)鍵技術(shù)，取得了整套的工藝、設(shè)備設(shè)計理論及技術(shù)訣竅。

1 剝皮機(jī)設(shè)備組成、工藝過程

1.1 設(shè)備組成

全自動精密剝皮機(jī)主要由機(jī)械設(shè)備、配套流體(液壓、潤滑、乳液、壓縮空氣)系統(tǒng)及配套的電氣控制系統(tǒng)三部分組成，其中機(jī)械設(shè)備主要包含：坯料上料臺架1、入口升降輥道裝置2、前夾送進(jìn)給裝置3、前穩(wěn)定裝置4、剝皮動力頭5、出口導(dǎo)向裝置6、后拉出小車裝置7、出口升降輥道裝置8、成品收集臺架9。

1.2 設(shè)備的加工工藝流程

全自動、精密剝皮機(jī)的主要加工工藝如圖2(加工流程簡圖)所示，一根坯料的生產(chǎn)工藝過程：上料臺架→進(jìn)料撥料→入口升降輥道坯料輸送→前夾送進(jìn)給→前穩(wěn)定導(dǎo)入→剝皮切削→后穩(wěn)定導(dǎo)出→風(fēng)刀吹掃、刮液→成品直徑檢測實時刀具補償→后拉出小車夾持坯料拉出進(jìn)給→完成切削→成品快速拉出→出口升降輥道輸送→出料撥料→出料臺架成品收集。

如成品直徑測量系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)尺寸超差，則將調(diào)整值反饋給調(diào)刀裝置按照刀具補償模型在線進(jìn)行刀具補償(同時根據(jù)刀具補償模型也可對刀具磨損情況進(jìn)行監(jiān)控、預(yù)警)[4,5]。實際生產(chǎn)中多根坯料頭尾相接依次自動完成工藝流程。

圖1 BPM250剝皮機(jī)布置簡圖

圖2 加工流程簡圖

2 剝皮機(jī)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多料連續(xù)自動生產(chǎn)工藝控制

要實現(xiàn)全自動生產(chǎn)，必須具有完善的檢測、監(jiān)控系統(tǒng)并結(jié)合生產(chǎn)工藝，解決多根棒料自動連續(xù)生產(chǎn)的問題；滿足剝皮機(jī)自動連續(xù)生產(chǎn)的要求，其工藝及設(shè)備在結(jié)構(gòu)上解決兩個問題。

(1)在不影響前面棒料加工的情況下完成后續(xù)棒料的上料。在后根鋼管的上料走鋼線前端設(shè)置監(jiān)測開關(guān)及測長編碼器，在檢測到前根棒料的尾端已經(jīng)脫離后面棒料的走鋼線后，入口升降輥道落到取料位，前臺撥料裝置撥料到輥道上料位，入口升降輥道自動抬起到要求高度并以較高速度輸送坯料直至兩根棒料頭尾貼合，入口輥道繼續(xù)送進(jìn)，此時坯料與輥道接觸面存在相對滑動[6]。

(2)在不影響連續(xù)加工的情況下，刀盤加工后面的棒料頭部時，能與前面棒料的尾端平穩(wěn)的貼合在一起，順次完成加工。因為前夾送裝置輥采用液壓油缸經(jīng)同步機(jī)構(gòu)驅(qū)動輥座開合，實現(xiàn)坯料夾緊、松開的功能，夾持中油缸一直帶壓，回路壓力決定輥子夾持力[7]，所以需要準(zhǔn)確判斷出兩根棒料的結(jié)合面位置，在結(jié)合面到達(dá)夾送輥前張開輥子，結(jié)合面通過輥子后夾送閉合夾持[8]。

通過前臺設(shè)置的檢測開關(guān)及測長編碼器可以算出結(jié)合面相對前夾送裝置的初始距離，通過進(jìn)給速度判斷結(jié)合面的位置變化，進(jìn)而達(dá)到控制兩組夾送輥開合的目的。在兩組夾送輥中間設(shè)置有渦流檢測裝置，進(jìn)行結(jié)合面位置確認(rèn)。考慮到傳動誤差，在棒料輸送過程中結(jié)合面有可能分開，所以需要將輥道速度、1#夾送輥、2#夾送輥、進(jìn)給速度設(shè)置為不同速度，進(jìn)給速度=2#夾送輥<1#夾送輥<輥道速度。

2.2 檢測與補償閉環(huán)控制系統(tǒng)

要實現(xiàn)高精度、高成材率的自動加工，必須有成品質(zhì)量閉環(huán)控制系統(tǒng)，實時對成品直徑進(jìn)行檢測，并將檢測值反饋到伺服進(jìn)刀裝置完成刀具高精度動態(tài)補償，解決刀具磨損引起的加工質(zhì)量下降的問題。

(1)高精度的自動刀具補償功能。采用伺服電機(jī)經(jīng)兩個齒輪輪系，同步驅(qū)動4個渦輪、蝸桿副及與渦輪連接的絲杠螺母副，繼而實現(xiàn)4個固定在螺母上的刀具滑座徑向位置同步調(diào)整，并在末端設(shè)置了高精度的滑塊位置檢測，實現(xiàn)刀具位置的全閉環(huán)控制。

(2)高精度成品質(zhì)量檢測反饋功能。成品測量的要素主要為直徑和光潔度，BPM250剝皮機(jī)目前只配備了直徑測量系統(tǒng)。在結(jié)合剝皮機(jī)的工況，綜合比較接觸式機(jī)械測量、光學(xué)測量等測量方式后，本系統(tǒng)采用激光測量的方案[9]。選用ZUMBACH生產(chǎn)的ODAC310非接觸式在線激光測量裝置，這套系統(tǒng)包括一個光電激光測量頭和一個微處理器，以及一個內(nèi)部診斷程序，可以根據(jù)輸入的目標(biāo)值、精度范圍進(jìn)行自動測量和報警，并將測量值實時反饋到調(diào)刀裝置。經(jīng)過多次調(diào)校后，該系統(tǒng)的靜態(tài)測量參數(shù)及精度情況為：測量速度606 m/s，測量精度±5 μm (1 s)。

2.3 多點自適應(yīng)夾持系統(tǒng)

因為同批次棒料的圓輪廓度、圓柱度、直度有一定差別，必須開發(fā)多點剛?cè)峤Y(jié)合的坯料自適應(yīng)夾持系統(tǒng)，在平穩(wěn)切削的同時解決由于坯料差別引起的成品質(zhì)量(直度、圓度、光潔度)下降問題。如圖2加工流程簡圖所示，剝皮機(jī)在加工中共有5組夾具第次參與到夾持中，針對坯料圓度、直度變化的情況，分別設(shè)置了多種結(jié)構(gòu)的夾具。

(1)前夾送裝置。該裝置共有2對V型輥，每組V型輥下輥軸向固定，上輥軸向有3 mm移動量。兩對輥子的夾持力不同，2#輥的夾持力大于1#輥夾持力；工作中油缸始終帶壓，在坯料直徑或圓度變化的過程中，兩組輥子自動對中開合。本組夾具結(jié)合專用工裝進(jìn)行了相對于刀盤的同軸度、端面垂直度的精確測量和修配，測量、修配基準(zhǔn)為刀盤[10]。

(2)前穩(wěn)定器夾具。采用周向均布的4對帶有蝶型彈簧組預(yù)緊的輥式導(dǎo)位裝置，通過帶有自鎖的絲杠副驅(qū)動，蝶型彈簧組的預(yù)壓力為坯料重量的60%～80%，蝶型彈簧組理論有效行程為坯料輪廓精度誤差的1.5～2倍，夾具的理論中心與刀盤的同軸度誤差小于0.05 mm[11]。在工作中彈簧始終處于浮動狀態(tài)，在坯料直徑或圓度變化的過程中，輥子始終壓著坯料表面，達(dá)到對中夾持的目的。

(3)刀后導(dǎo)向裝置。該裝置為周向均布的3副夾持輥，通過液壓缸經(jīng)同步連桿驅(qū)動，夾具的理論中心與刀盤的同軸度誤差小于0.05 mm，油缸的夾持力為坯料重量的1.5倍。在工作中夾具始終帶壓，使得夾具中心始終在刀盤的理論中心上。在坯料直徑或圓度變化的過程中，輥子始終按照理論中心同步開合，輥子材料選用耐磨材料[12]。

(4)出口導(dǎo)向裝置。該裝置為周向均布的3副帶有蝶形彈簧組的夾持輥，通過液壓缸經(jīng)同步連桿驅(qū)動，蝶形彈簧組的預(yù)壓力為坯料重量的40%～60%，蝶型彈簧組理論有效行程為坯料輪廓精度誤差的1.5～2倍，夾具的理論中心與刀盤的同軸度誤差小于0.07 mm，油缸的夾持力為坯料重量的60%～80%。在工作中彈簧始終處于浮動狀態(tài)，在坯料直徑或圓度變化的過程中，輥子始終壓著坯料表面，達(dá)到對中夾持目的的同時減小切削時的震動，提高了成品表面加工質(zhì)量[13]。

(5)拉出小車上的夾具。夾具為一組水平布置、鉸接于滑塊上的V型夾瓦，夾具可在水平方向上做5°的擺動。在坯料直度變化的過程中，夾鉗可以在水平方向上、在最大行程之內(nèi)擺動，保證坯料中心相對刀具切削中心的均勻變化[14]。

3 設(shè)計驗證結(jié)果

2017年8月該設(shè)備進(jìn)行了負(fù)荷試車，試車結(jié)果完全滿足設(shè)計要求，個別參數(shù)超出設(shè)計要求，具體試車記錄見表1。

表1 試車記錄表 mm

4 結(jié)束語

精密長圓材剝皮機(jī)組是我國棒材深加工、長圓材深加工領(lǐng)域急需的關(guān)鍵設(shè)備，對其的高水平國產(chǎn)化有著顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。這一點已經(jīng)過石鋼、撫順特鋼、寶鋼等擁有銀亮鋼生產(chǎn)線的企業(yè)效益得到充分驗證[15]。

BPM250全自動、精密剝皮機(jī)的加工精度可穩(wěn)定達(dá)到IT9級，加工面光潔度高于Ra3.2，達(dá)到進(jìn)口設(shè)備同等水平，其余諸如刀盤徑向跳動(0.02 mm)、同步進(jìn)刀精度(0.01 mm穩(wěn)態(tài)進(jìn)給)等關(guān)鍵值檢測結(jié)果高于進(jìn)口的同類設(shè)備對應(yīng)值，完全可以替代進(jìn)口設(shè)備。

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