轧辊磨床生产要求及研究分析

轧辊磨床主要用于磨削轧制机中的各种具有中凸度或中凹度的圆柱体轧辊。轧辊的中凸或中凹是为了在轧制过程中消除轧制件对于轧辊的作用力所产生的变形和热膨胀变形，以保证在轧制过程中轧辊间等间隙，使轧制件沿宽度方向等厚。近年来，由于冶金、造纸、橡胶、塑料以及印染业的迅速发展，对轧辊磨削的技术要求也日趋提高。但是，在轧辊磨床的设计中，如何形成复杂的辊形轮廓曲面是一个难题。理论上，砂轮的横向进给和纵向运动就可以加工出任意轮廓曲面的轧辊，但是由于加工的轧辊中凸量或中凹量很小，横向运动精度要求高，所以要求在轧辊磨床中设计一个中高机构，轧辊轮廓曲线的生成就是通过这个中高机构来实现的。国外轧辊磨床上的中高机构有多种不同的结构形式，其中使用最广泛的是凸轮杠杆机构，采用机械结构的中高机构虽能满足轧辊轮廓表面的精度要求，但是结构比较复杂。因此，国外有些轧辊磨床制造厂家都在各自的产品中对其进行了改进设计，并引进了CNC设备。例如纳索斯乌尼恩公司轧辊磨床的中高机构采用偏心套的机构形式。东芝机械公司KWA-C型轧辊磨床的中高机构，取消了由中高凸轮驱动砂轮架绕支点摆动的传统结构形式，采用了由控制装置通过伺服电机驱动砂轮架进给丝杠直接进给实现中高磨削。瓦德里希济根公司轧辊磨床的中高机构也已采用CNC机构。数控英才网整理发布1国内外已有轧辊轮廓曲线生成方法分析目前，国内外轧辊磨床辊形轮廓曲线的生成方法主要有以下6种，下面就各种曲线生成方法进行详细的分析和比较。1.1凸轮杠杆法凸轮杠杆法是轧辊磨床早期广泛使用的曲线生成方法，它的中高机构实现原理如所示。砂轮架拖板变速箱电机m通过变速齿轮将运动传到z1后分成两路。一路通过z11、z12直到z13完成拖板纵向移动；另一路通过i直到z9，z10转动凸轮，并推动直角杠杆A、B、C，使砂轮架绕支点D回转，砂轮即在工件长度的不同截面上磨出不同尺寸的直径，移动机构F用以调整中高量。凸轮杠杆法的优点：组成部分都是传统部件，成本小，在精度要求不高，轧辊曲线种类较少时可以使用。凸轮杠杆法的缺点：砂轮架架体必须做成三层结构，砂轮架抗弯刚度较小，而且在磨削工件直径较小时，因为移动伸出太长，砂轮架刚度降低，在强力磨削时产生震动，导致磨削精度下降。凸轮受力非常大，导致磨损严重，致使加工精度下降。轧辊的曲线形状取决于凸轮的形状，在磨削不同曲线的轧辊时，要更换不同的凸轮，生产效率较低。凸轮种类要求很多，加工困难，柔性不好。？结构非常复杂，而且砂轮架的锁定困难。1.2电机直接驱动法日本东芝机械公司的KWA系列和意大利因赛公司的RCH系列轧辊磨床采用了结构最为简单的实现方法，由数控系统控制伺服电机，经预加负荷给精密滚珠丝杠，直接驱动砂轮架横向进给，通过控制横向进给和纵向移动的复合运动，应用插补原理，实现中凸或中凹磨削。滚珠丝杠是一种新型的螺旋传动机构，主要组成为丝杠、螺母、滚珠和反向器。滚珠丝杠副螺母是在丝杠和螺母之间放入适量的滚珠使丝杠和螺母之间由滑动摩擦变为滚动摩擦的螺旋传动。滚珠丝杠副的工作原理：当丝杠和螺母相对运动时，滚珠就沿丝杠螺旋滚道面滚动。设滚珠丝杠基本导程为L0，伺服电机（电机重绕的研究与改进）编码器精度为M脉冲/转，则此传动方式的脉冲当量（分辨率）为U=1ML0，如果选择电机编码器精度很高，完全可以实现U=0.0001mm0.001mm的高档数控系统要求，同时也能满足轧辊磨床实现微小量中凸或中凹磨削。使用这种方法的主要缺点：设备非常昂贵，不经济。主要优点：结构非常简单。精度高，传动系统简化，机械效率提高。曲线形状可按两轴插补直接获得，软件控制，柔性好。1.3电机蜗轮蜗杆偏心套法现代轧辊磨床大都取消了传统的凸轮杠杆机构，代之以高性能的直流（或交流）伺服系统，由数控系统直接控制实现。由德国瓦德里希！济根公司生产的WSC系列和国内贵州险峰机床厂生产的MK84系列以及星火机床有限责任公司推出的MK84系列轧辊磨床的中高机构，均采用静压偏心套机构，由位置脉冲发讯装置发出控制指令，中高伺服电机经双导程蜗轮蜗杆副和滚珠丝杠驱动偏心套做一定角度的回转，使砂轮架在水平方向上产生相应的微量位移，实现中凸或中凹磨削。如所示，这种设计方案采用两级尺寸放大，第一级将微小的砂轮架中心点的横向进给，通过偏心套机构，转变成推板3的直线运动，且行程变大，第二级通过蜗轮蜗杆副较大的降速比的特点，将滚珠丝杠的低速运动，转变成电机的较高速运动，实现转速的放大。1.偏心套2.安全液压装置3.推板4.编码器5.蜗轮蜗杆副6.直流（或交流）电机7.滚珠丝杠8.轴承电机蜗轮蜗杆偏心套法实现原理图设：偏心套的放大比例系数为K（K=H/h），蜗轮蜗杆减速比为I（I=Zl/Zg），滚珠丝杠基本导程为L0伺服电机编码器精度为M脉冲/转，则此传动方式的脉冲当量为U=1MIKL0。这种方法的主要缺点：机械结构相对复杂，且蜗轮蜗杆副易磨损。主要优点：采用两级放大，精度提高。整个系统是闭环系统，补偿功能强大。1.4齿轮齿条蜗轮蜗杆偏心套法这种方法的中高机构实现原理如所示，当走刀工作台进行轴向进给运动时，床身5上的齿条6，通过齿轮7驱动安装在轴向走刀工作台上的蜗轮蜗杆机构8.随着蜗轮的转动，与其同轴的偏心调整盘9也随之转动。于是，偏心调整滑块10上的偏心轴D围绕蜗轮的轴心O，以偏心距e为半径做圆周运动，因而支撑连杆11对于杠杆臂4上的支撑点A实现了升降运动，杠杆摇臂4对于砂轮磨头安装平台2的支撑点B相应的按比例升降。随着砂轮磨头安装平台2随铰链轴O的转角变化，不断的改变着砂轮的切削深度，显然，当偏心轴D处于最低位置时，砂轮切削深度t最浅，使磨削工件形成中高，当偏心轴D离开最低位置时，砂轮的切削深度则相应的增加t，偏心轴D离开最低位置越远，砂轮的切削深度越深。偏心式中高形成机构，就是这样在砂轮轴向走刀的过程中，相应的控制径向走刀的切削深度，从而使工件外圆表面产生一定的中高量。1.砂轮磨头2.砂轮磨头的安装平台3.轴向走刀工作台4.杠杆摇臂5.床身6.齿条7.齿轮8.蜗轮蜗杆机构9.偏心调整10.偏心调整滑块11.支撑连杆齿轮齿条蜗轮蜗杆偏心套法实现原理图使用这种方法，主要缺点：属于开环结构，决定加工精度的因素很多，导致精度不高。轧辊的曲线形状取决于偏心套的形状和偏心量，加工曲线的种类单一。主要优点：采用传统的机械结构，机床成本低。1.5靠模加工法靠模磨削是仿行磨削的一种，在专用机床上按放大样板（或靠模）或放大图进行磨削。靠模加工时，砂轮按靠模的形状，不断改变运动轨迹，将工件磨削成与靠模一样形状的曲线。靠模加工轧辊磨削曲线的实现原理如所示，工作台纵向移动，长臂5顶在直尺4上，工作台同时绕定位柱O回转，形成中凸或中凹轧辊面。台面回转式：工件向砂轮移动量yy=tanlx2=Kx2K=tanl靠模直尺与工作台运动方向夹角x工作台纵向移动距离l长臂与靠模直尺的接触点到回转中心O的距离K常数1.6棘轮实现法棘轮机构由棘轮和棘爪组成的一种单向间歇运动机构。它将连续转动或往复运动转换成单向步进运动。棘轮轮齿通常用单向齿，棘爪铰接于摇杆上，当摇杆逆时针方向摆动时，驱动棘爪便插入棘轮齿以推动棘轮同向转动；当摇杆顺时针方向摆动时，棘爪在棘轮上滑过，棘轮停止转动。棘轮每次转过的角度称为动程。动程的大小可利用改变驱动机构的结构参数或遮齿罩的位置等方法调节，也可以在运转过程中加以调节。在MG1432A型高精度万能外圆磨床中，由于应用了棘轮机构，可以实现具有中凸或中凹的轧辊磨削。当用于轧辊磨削时，手动调节棘轮（Z=500mm）微量进给，每推一次棘轮旋转1/500转，砂轮架微量进给0.002mm.设基本导程为L0，齿轮减速比为I，棘轮轮齿数为Z，每转进给量为X；则有X=L0/IZ.由式中可以看出减小丝杠基本导程，增大齿轮减速比和棘轮轮齿数可以使进给量变的更小，精度更高。使用这种方法，主要缺点：属于开环结构，精度不高。工人必须手动进给，劳动强度大。主要优点：结构简单，机床成本低。2提出两种轮廓曲线生成的新方法经过对国内外轧辊磨床6种辊形轮廓曲线生成方法的分析和比较，在深刻理解轧辊磨床中高机构原理和微进给意义的基础上，提出了两种曲线的生成方法：电机蜗轮蜗杆法和步进电机双层驱动法。2.1电机蜗轮蜗杆法将电机直接驱动法和电机蜗轮蜗杆偏心套法相结合，取长补短，将电机直接驱动法结构简单的优点和蜗轮蜗杆具有较大减速比的优点相结合，用蜗轮蜗杆的放大作用补偿电机直接驱动中电机要求高、价格昂贵的缺点。电机蜗轮蜗杆法的实现原理如所示，设蜗杆螺纹头数N=1，蜗轮齿数Z2=60，滚珠丝杠的基本导程为L0=4mm，伺服电机编码器精度为2500脉冲/转，利用伺服放大器的四倍频功能，精度可达10000脉冲/转，则此传动方式的脉冲当量为U=1100001604=0.000007mm=0.007m，可以满足轧辊磨床的需要。2.2步进电机双层驱动法由于中高机构的作用就是实现微进给，所以利用步进电机的特点提出了步进电机双层驱动法的设计方案。如所示，这种结构由五部分组成：两台步进电机，两个平台，两根丝杠。由于步进电机具有低速震动很大、精度降低的缺点，用一组驱动系统作为进给部分，另一组驱动系统作为补偿部分。设滚珠丝杠的基本导程为都为L0=8mm.步进电机都采用混合式五相步进电机（HB）五相（步进角为0.72度）。步进电机驱动器采用128细分电路，则步进电机每接到一个脉冲，转动角度为0.005625度，脉冲当量（分辨率）为U=0.7212813608=0.00012mm=0.12m.为了避免步进电机低速震动的问题，在加工过程中，控制系统发送给进给电机和补偿电机的脉冲频率不同，如进给电机脉冲频率为2000Hz，补偿电机脉冲频率为1990Hz，则相当于进给电机脉冲频率变为了10Hz，可以实现微进给。在深刻理解插补原理的基础上，运用C语言编程在计算机上对提出的两种辊形轮廓曲线生成方法进行了原理性仿真，结果表明电机蜗轮蜗杆法和步进电机双层驱动法在理论上是可行的。