劉小勇 董文忠 閆維謙 馮 萍

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618013)

森吉米爾精密薄帶軋機(jī)是目前最適合冷軋不銹鋼、硅鋼、高強(qiáng)度金屬、合金薄帶和極薄帶的軋機(jī)。森吉米爾薄帶軋機(jī)塔形輥系使軋制壓力呈扇形傳遞給外層支撐輥，塔層輥?zhàn)訉訑?shù)越多，外層的支撐輥數(shù)量越多，支撐輥承受的軋制壓力就會(huì)越小，軋輥的撓曲變形量就越小。而且在垂直平面和水平面內(nèi)，塔形輥系結(jié)構(gòu)能夠很好地保證小直徑工作輥具有較大的剛度和穩(wěn)定性，從而保證軋制的穩(wěn)定性，減小軋輥撓曲變形量。特別是在軋制不銹鋼、硅鋼、高強(qiáng)度金屬及合金薄帶時(shí)，此特點(diǎn)更為重要。森吉米爾薄帶軋機(jī)中機(jī)架為整體式鑄鋼件，此種形式的軋機(jī)剛性高，并配備較完善的輥型調(diào)節(jié)系統(tǒng)和厚度控制系統(tǒng)，能夠軋制出厚度精度和平直度很高的薄帶材。

1 森吉米爾薄帶軋機(jī)結(jié)構(gòu)

森吉米爾型20輥950軋機(jī)項(xiàng)目中關(guān)鍵零部件是主機(jī)中的機(jī)架裝配，其中機(jī)架的加工難度非常大。輥系示意圖如圖1所示。

森吉米爾薄帶軋機(jī)主要包括：機(jī)架、輥?zhàn)?、輥型調(diào)節(jié)系統(tǒng)、厚度控制系統(tǒng)及輥徑補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、液壓壓下調(diào)整機(jī)構(gòu)等。在這些機(jī)構(gòu)中，機(jī)架結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、加工精度要求較高，因此我們對(duì)森吉米爾薄帶軋機(jī)機(jī)架的加工制造進(jìn)行研制，解決了森吉米爾薄帶軋機(jī)國產(chǎn)化的難題。

圖1 輥系示意圖Figure 1 Schematic diagram of roll system

2 機(jī)架的研制

2.1 機(jī)架概述

森吉米爾機(jī)架為整體式鑄鋼件，外形尺寸為2375 mm×2200 mm×1860 mm，零件重量為36.47 t。此種形式的軋機(jī)機(jī)架剛性高，其中間有8個(gè)分布均勻的半圓弧孔，各半圓弧孔間的空間形位公差要求在0.025 mm以內(nèi)。各面間的形位公差要求在0.05 mm以內(nèi)。機(jī)架結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2 機(jī)架主要技術(shù)要求

(1)機(jī)架為鑄鋼件，材質(zhì)為ZG20SiMn。

(2)熱處理硬度為150～190HBW。

(3)8個(gè)半圓弧孔R(shí)177.8 mm，中心線均平行于基準(zhǔn)，其平行度≤0.02 mm，圓柱度≤0.01 mm，粗糙度Ra0.8 μm。

(4)加工后，要求8個(gè)半圓弧孔前后兩個(gè)相對(duì)孔之間的距離差值(絕對(duì)值)≤0.01 mm，相鄰圓弧距離差值(絕對(duì)值)≤0.02 mm；圓柱度誤差不能超過0.01 mm。

圖2 機(jī)架的結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Structure drawing of the mill housing

(5)按JB/T5000.14—2007《重型機(jī)械通用技術(shù)條件 第14部分 鑄鋼件無損探傷》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行無損檢測(cè)，按2級(jí)驗(yàn)收。

2.3 機(jī)架加工難點(diǎn)

通過對(duì)森吉米爾型軋機(jī)設(shè)備整體的了解及對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求的分析，機(jī)架的加工精度要求非常高，加工難點(diǎn)在于如何保證各半圓孔的形狀和位置公差以及如何檢測(cè)空間8個(gè)半圓弧孔間是否達(dá)到了圖紙要求。

2.4 機(jī)架加工方案流程

鑄鋼件(毛坯)→粗加工→精整→無損檢測(cè)→調(diào)質(zhì)處理→機(jī)械性能測(cè)試→無損檢測(cè)(按技術(shù)要求執(zhí)行)→半精加工→無損檢測(cè)(UT、MT)→精加工→無損檢測(cè)(MT)→研磨→檢測(cè)。

2.5 重點(diǎn)工序分析及檢測(cè)

2.5.1 精加工工序

2.5.1.1 加工設(shè)備

為了保證8個(gè)半圓弧孔的直線度和圓柱度的要求，需要選擇精度比較高的加工設(shè)備，由于8個(gè)半圓弧孔是斷續(xù)切削，半圓弧孔的長(zhǎng)度為1575 mm，若采用鏜桿移動(dòng)加工，隨著鏜桿伸出長(zhǎng)度的增加，鏜桿搭頭現(xiàn)象比較嚴(yán)重，不易保證尺寸公差和形位公差，故在加工中采用工作臺(tái)前后移動(dòng)，刀具伸出長(zhǎng)度固定不變的加工方式加工。這就要求設(shè)備工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度必須高，在實(shí)際加工中選用數(shù)控200鏜床加工，設(shè)備工作臺(tái)的移動(dòng)精度和主軸左右移動(dòng)、上下移動(dòng)的重復(fù)定位精度為1000 mm范圍內(nèi)不能超過0.015 mm。

2.5.1.2 加工方法

在半精加工時(shí)，將基準(zhǔn)平面單邊留量2 mm，以基準(zhǔn)面為基準(zhǔn)，半精鏜8個(gè)半圓孔均單邊留量2 mm，前端凹槽面單邊留量2 mm，保證圖紙要求的各形位公差，然后將輔助工裝前板與該件互研結(jié)合面，用螺栓把合，0.02 mm塞尺不入，將工裝基準(zhǔn)板、對(duì)刀板與該件互研結(jié)合面，用螺栓把合，同樣0.02 mm塞尺不入。在合適位置鉆鉸?14H7銷孔，并打入銷子。按工件中心找正，走坐標(biāo)，在工裝基準(zhǔn)板上加工基準(zhǔn)孔作為后序加工的基準(zhǔn)點(diǎn)，在工裝對(duì)刀板上試切，目的是調(diào)整鏜刀半徑。按已加工面走坐標(biāo)，在輔助工裝前板上，按中部?jī)?nèi)腔各圓弧面及平面尺寸銑、鏜各圓弧面。加工時(shí)，以對(duì)刀板對(duì)刀，均以加工基準(zhǔn)孔定位。機(jī)床交檢，檢測(cè)輔助工裝前板上各圓弧尺寸，合格后，走坐標(biāo)，精鏜圖2主視圖中部?jī)?nèi)腔各圓弧面，各圓弧尺寸均單邊留量0.8 mm～1 mm，粗糙度在Ra3.2 μm～Ra6.3 μm之間。然后精加工各基面和其他加工面至圖紙要求，再半精加工中部8個(gè)圓弧面內(nèi)腔單邊留量0.20 mm～0.25 mm，臨床檢查各圓弧面母線的直線度，允差≤0.01 mm，各圓弧母線的平行度允差≤0.02 mm，測(cè)量各對(duì)角圓弧間尺寸，根據(jù)檢測(cè)情況進(jìn)行修正，最終精加工至R177.8(0-0.01)，粗糙度在Ra3.2 μm～Ra6.3 μm之間。

2.5.1.3 加工刀具

由于加工圓弧長(zhǎng)度較長(zhǎng)，且是斷續(xù)切削，在刀具的選擇上選用抗沖擊性、耐磨性好的刀具，采用防震鏜桿(見圖3)和微調(diào)精加工鏜刀精加工8個(gè)半圓弧孔。

圖3 防震鏜刀桿示意圖Figure 3 Schematic diagram of anti-vibration boring tool bar

2.5.2 圓弧測(cè)量工裝

此機(jī)架的8個(gè)半圓孔半徑尺寸精度及形位公差要求高，并且這8個(gè)孔是不超過180°的圓弧面，用常規(guī)的測(cè)量器具無法直接進(jìn)行測(cè)量圓弧孔的半徑尺寸，為此，我們專門設(shè)計(jì)制造了專用圓弧測(cè)量工裝。

設(shè)計(jì)原理是根據(jù)兩已知直徑的圓球與圓球上表面到圓弧底的距離關(guān)系，推導(dǎo)出圓弧半徑。如圖4所示，已知圓球的直徑D，兩圓球中心的距離L，圓球上表面到圓弧底面的距離H；根據(jù)勾股定理計(jì)算，推導(dǎo)出圓弧的半徑R為：

R=(4HD-L2-4H2)/8(D-H)

由于要求工裝檢具重量輕、易于加工、讀數(shù)準(zhǔn)確、測(cè)量便捷準(zhǔn)確的特點(diǎn)，因此，該工裝除了有測(cè)量裝置外，還應(yīng)配校對(duì)檢測(cè)環(huán)，檢測(cè)環(huán)的內(nèi)孔按R177.8 mm加工。使用前，應(yīng)先用校對(duì)檢測(cè)環(huán)對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行千分表的校正，然后才能進(jìn)行測(cè)量。

圖4 圓弧設(shè)計(jì)原理Figure 4 Arc design principle

如圖5所示，用兩圓柱測(cè)量棒與測(cè)量圓弧面線接觸，依靠圓柱的長(zhǎng)度來自動(dòng)找正定位，可有效避免定位不準(zhǔn)確產(chǎn)生的誤差。圓柱連線的中間位置鉆鉸小孔，用于裝千分表的桿頭。根據(jù)上述原理，可以確定圓柱直徑及圓柱的中心距，圓柱上表面到圓弧底面的距離需要測(cè)量確定，就可計(jì)算出需要測(cè)量的圓弧半徑R。通過測(cè)量工裝上千分表的讀數(shù)變化，來比較檢測(cè)出的檢測(cè)環(huán)半徑與檢測(cè)工件的半徑差值。

圖5 用測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量Figure 5 Measuring with a measuring device

使用時(shí)按圖5將測(cè)量工裝放入校對(duì)檢測(cè)環(huán)內(nèi)，仔細(xì)校對(duì)千分表，將千分表壓0.3 mm左右，用緊定螺釘將千分表的桿頭壓緊固定，將指針的讀數(shù)調(diào)為“0”，多次測(cè)量使千分表穩(wěn)定在0.001 mm以內(nèi)，將測(cè)量工裝放入工件圓弧面上，進(jìn)行測(cè)量，千分表的讀數(shù)就是加工圓弧與校對(duì)檢測(cè)環(huán)的弓高差值。我們將圓弧半徑公式作成計(jì)算軟件，輸入千分表的讀數(shù)，可輸出半徑值。由于千分表的讀數(shù)變化0.001 mm，測(cè)量出的圓弧半徑值變化0.003 mm，因此，本測(cè)量裝置的精度可達(dá)0.003 mm。

2.5.3 研磨

由于半圓弧加工的斷續(xù)切削，孔比較深，故實(shí)際鏜床加工孔的粗糙度只能達(dá)到Ra3.2 μm～Ra6.3 μm之間，因此為達(dá)到圖紙要求的Ra0.8 μm的粗糙度要求，采用將半圓弧孔尺寸精加工至R177.8(0-0.01)，然后用研磨棒研磨半圓弧孔的方法提高粗糙度。設(shè)計(jì)制作了三根研磨棒，一根短研磨棒和兩根長(zhǎng)研磨棒，短研磨棒用于研磨局部高點(diǎn)，一根長(zhǎng)研磨棒用于研總長(zhǎng)接觸率和粗研粗糙度，另外一根精研粗糙度。在研磨過程中采用邊旋轉(zhuǎn)邊前后直線移動(dòng)的方式研磨。

表1三坐標(biāo)檢測(cè)結(jié)果
Table1Threecoordinatedetectionresults

2.5.4 最終檢測(cè)

采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行終檢。將被測(cè)物體置于三坐標(biāo)測(cè)量空間，獲得被測(cè)物體上各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點(diǎn)的空間值，經(jīng)計(jì)算求出被測(cè)物體的幾何尺寸、形狀和位置，因此采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行最終檢測(cè)。采用三坐標(biāo)檢測(cè)儀檢測(cè)各梅花孔間的空間位置誤差和幾何尺寸。

三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的檢測(cè)結(jié)果見表1。

通過最終的檢測(cè)結(jié)果可以看出，其中有兩個(gè)半圓弧尺寸分別超差0.017 mm和0.016 mm，一個(gè)方向上的位置誤差超差0.02 mm～0.05 mm，分析原因得出，是刀具磨損和研磨的方式造成的誤差，因此我們?cè)谶@兩方面還需要加以改進(jìn)。通過最后的裝配結(jié)果現(xiàn)實(shí)，該機(jī)架能夠達(dá)到使用要求。

3 結(jié)論

這次森吉米爾型20輥950軋機(jī)機(jī)架的成功研制，為公司承攬此類產(chǎn)品的生產(chǎn)制造奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，開辟了我公司在森吉米爾型20輥軋機(jī)產(chǎn)品的制造領(lǐng)域。今年我公司又承攬了森吉米爾型20輥850軋機(jī)設(shè)備的制造和安裝項(xiàng)目。由于目前我公司生產(chǎn)制造此類設(shè)備批量小，以后若有此類型產(chǎn)品批量生產(chǎn)制造的情況時(shí)，可以考慮設(shè)計(jì)專用機(jī)床設(shè)備來加工機(jī)架中的8個(gè)半圓弧孔[2]，以提高生產(chǎn)效率和加工精度?？傊?，此次機(jī)架的研制成功，給我們加工此類產(chǎn)品積累了經(jīng)驗(yàn)。