一种用于轧辊孔型粗加工的专用数控车床的制作方法

本实用新型属于机械制造加工设备技术领域，尤其涉及一种用于轧辊孔型粗加工的专用数控车床。

背景技术：

机床作为“工作母机”，在国家工业发展过程中具有重要的战略意义。机床包括普通机床和数控机床两大类。按机床的通用化程度又可分为通用机床、专门化机床和专用机床。其中通用机床已标准化和系列化，其加工工艺范围广，结构复杂，用于单件小批量生产；而专用机床是专用于某一、两类零件中一至两道工序的加工，其特点是加工工艺范围窄，结构较简单，但需要进行研发、设计和制造，专用机床一般用于成批大量生产，而其中进行计算机数字控制的专用机床称为专用数控机床，用于车削加工的专用数控机床称为专用数控车床。与二辊式冷轧管机相配套的轧制工具是轧辊和芯棒，本实用新型就是为了有效地解决轧辊环状孔型工作曲面的粗加工和半精加工的车削工艺。经研发设计了一种新型高效、简便实用的专用数控设备——专用数控车床。

本专用数控车床主要针对轧辊孔型的轧制变形区(bc段)，专用于完成磨削前的车削加工(粗车或粗车→半精车)。

针对轧辊孔型的轧制变形区(bc段)，其磨削前传统原始的加工方法是：

工序1：先组合一对轧辊，在卧式镗床上，借助于回转分度式专用夹具对称装夹后，采用扩钻和镗削方式，通过逐级分度、多次加工成型；

工序2：再通过钳工对折线孔型段交接处的凸出部位，采用修磨和修锉等方法，使折线段孔型逐渐过渡，接近光滑为止，并使环状孔型的磨削余量达到基本均匀。

不难看出传统原始加工方法的缺点是需要专用工装，加工工艺落后，自动化程度低，加工精度和效率很低，后续余量不均匀，工人劳动强度大等。

随着国内冷轧管行业的迅猛发展，在二辊冷轧管机上配套使用的轧辊需求量剧增，但用于轧辊环状孔型曲面加工的专用车床及其制造企业却几乎没有。目前，国内只有为数很少的制造企业具有轧辊环状孔型曲面专用车床的数控改造能力，它们大多只是在旧的普通车床上进行局部结构改进和局部数控化改造，但只是低档次的简式开环控制系统，精度无法提高，一般只能满足自用，不能作为批量产品投放市场。同时市场上几乎找不到专用于轧辊孔型粗加工和半精加工的专用数控车床。

目前国内外生产的具有C轴功能的车削中心，其加工对象主要是复杂零件的锥面、以复杂曲线为母线的回转体等，但一般无法加工轧辊的“环状孔型曲面”，且机床结构和控制复杂、体积庞大，价格较高。当前轧辊制造已成为专业化的成批大量生产类型，为了提高生产率和加工精度，降低制造成本，不断满足市场的需要，必须及时研发具有结构和控制简单、体积小、成本较低和性价比高的高效专用数控车床，以完成轧辊“环状孔型工作曲面”在淬火和磨削前的粗、半精加工。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种用于轧辊孔型粗加工的专用数控车床，具有结构和控制简单、体积小、成本较低和性价比高，用于轧辊“环状孔型工作曲面”在淬火和磨削前的粗、半精加工。

本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的，机床由主传动系统、进给传动系统和辅助装置组成，所述的主传动系统由主轴伺服电机、小支架、主电机减速机、大支架、主动同步带轮、同步带、被动同步带轮、主轴单元、主轴箱、同步带中心距调节装置和三爪卡盘组成。该主轴伺服电机和主电机减速机通过小支架和大支架固定在主轴箱的顶面上，主轴伺服电机的输出轴与主电机减速机的输入轴孔相配合，小支架通过螺钉固定在大支架上，且大支架通过六个T型螺钉固定在主轴箱的顶面上，主轴单元位于主轴箱内，且主轴单元的两端外径与主轴箱的两端大孔相配合定位，主轴箱位于床身座左后侧的上面，主动同步带轮、同步带和被动同步带轮组成同步带传动装置，并位于机床的左上侧，同步带中心距调节装置位于主轴箱的顶面上，三爪卡盘位于主轴单元的右端。所述的进给传动系统由Z轴伺服电机、数控十字滑台、X轴伺服电机、刀架支座、方刀架、车刀和刀具压紧螺钉组成。数控十字滑台位于床身座的右前侧上面，Z轴伺服电机位于数控十字滑台的左侧，且Z轴伺服电机的输出轴与数控十字滑台下层的丝杠输入轴采用联轴器联接，X轴伺服电机位于数控十字滑台的后面，且X轴伺服电机的输出轴与数控十字滑台上层的丝杠输入轴采用联轴器联接，刀架支座位于数控十字滑台的正上方，方刀架位于刀架支座的上平面，车刀安装在方刀架的左右两侧槽内，每侧通过四个刀具压紧螺钉对车刀进行压紧固定。所述的辅助装置主要由床身座、冷却润滑站等组成，该冷却润滑站放置于床身座左前侧的地面上。

作为优选，所述的主动同步带轮位于同步带传动装置的左上方，通过轴毂联接，用压板和螺栓固定在主电机减速机的输出轴上，被动同步带轮位于同步带传动装置的左下方，通过轴毂联接，用压板和螺栓固定在主轴单元的输入轴上，同步带同时与主动同步带轮和被动同步带轮通过同步齿进行啮合传动，主动同步带轮和被动同步带轮的节圆直径相等，其传动比为1。

作为优选，所述的刀具压紧螺钉共八个，对称均布于方刀架的左右两侧，每个刀具压紧螺钉与方刀架的上端螺孔组成螺纹联接，形成简易螺旋机构。

本实用新型的有益效果为：采用“模组化封闭式优化设计”，简化了结构设计过程，大大缩短了设计与制造周期，降低了产品成本；同时产品结构紧凑、互换性好、可靠性高、质量保证、成功率高；采用卧式车削方式与结构布局，使机床具有刚性好、加工尺寸大、车削效率高、传动结构简单、性价比高和编程操作方便等优点；车床采用三轴联动、闭环控制系统，自动化程度高，并实现环状孔型轧辊数控加工工艺参数的智能选择和模拟加工，同时简化了各种规格孔型加工的数控编程；加工时不需要专用工装，加工精度和效率大大提高，而且余量均匀，降低了工人劳动强度，从而为专业化、成批生产轧辊，解决了轧辊系列孔型粗、半精加工和开口等高效专用数控设备问题。

附图说明

图1是轧辊孔型的结构示意图。

图2是图1中A-A剖的轧辊孔型三个区域示意图。

图3是轧辊孔型加工的工艺流程图。

图4是本专用数控车床图5的左视结构示意图。

图5是本专用数控车床图4中A-A剖主视结构示意图。

图6是本专用数控车床图5的俯视结构示意图。

附图中的标号分别为：1、主轴伺服电机；2、小支架；3、主电机减速机；4、大支架；5、主动同步带轮；6、同步带；7、被动同步带轮；8、主轴单元；9、主轴箱；10、床身座；11、Z轴伺服电机；12、冷却润滑站；13、同步带中心距调节装置；14、数控十字滑台；15、X轴伺服电机；16、刀架支座；17、方刀架；18、车刀；19、刀具压紧螺钉；20、三爪卡盘。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作详细的介绍：如附图1至6所示，本实用新型主要由主传动系统、进给传动系统和辅助装置三大系统(或装置)组成，每大系统(或装置)均由各种零部件构成。

其中主传动系统主要由主轴伺服电机1、小支架2、主电机减速机3、大支架4、主动同步带轮5、同步带6、被动同步带轮7、主轴单元8、主轴箱9、同步带中心距调节装置13和三爪卡盘20等零部件组成，见图5、6所示；

进给传动系统主要由Z轴伺服电机11、数控十字滑台14、X轴伺服电机15、刀架支座16、方刀架17、车刀18和刀具压紧螺钉19等零部件组成，见图5、6所示；

辅助装置主要由床身座10、冷却润滑站12及电气控制装置(外协)和其它机床附件(外购)等零部件组成，见图5所示。

下面简述各主要零部件的相互位置关系、安装联接方式及其各自功能：

1、作为优选的主传动系统

1)主传动系统各主要零部件的相互位置关系和安装联接方式：

主轴伺服电机1和主电机减速机3通过小支架2和大支架4固定在主轴箱9的顶面上。主轴伺服电机1的输出轴与主电机减速机3的输入轴孔相配合，以平键传递转矩，并以大轴肩配合定位，以螺钉轴向固定，使主轴伺服电机1和主电机减速机3形成一体。然后再用小支架2和大支架4上的大孔对其对应的外径进行配合定位，并用螺钉轴向固定，同时使小支架2用螺钉固定在大支架4上，最终大支架4用六个T型螺钉固定在主轴箱9的顶面上。

主轴单元8的两端外径与主轴箱9的两端大孔相配合定位，箱体两端分别用大圆螺母和螺钉联接固定。主轴箱9位于床身座10左后侧的上面，并用两个定位销定位，八个螺栓紧固。

主动同步带轮5、同步带6和被动同步带轮7组成同步带传动装置，位于机床的左上侧，主动同步带轮5位于左上方，通过轴毂联接，用压板和螺栓固定在主电机减速机3的输出轴上，被动同步带轮7位于左下方，通过轴毂联接，用压板和螺栓固定在主轴单元8的输入轴上，同步带6同时与主动同步带轮5和被动同步带轮7通过同步齿进行啮合传动，两个同步带轮的节圆直径相等，其传动比为1。

同步带中心距调节装置13位于主轴箱9的顶面上，由左右两副螺旋机构组成，并通过左右两个螺母座用螺钉固定在主轴箱9的顶面上。

三爪卡盘20位于主轴单元8的右端，轴向通过大锥面定位，以保证两者的同轴度要求，周向以单侧的小圆柱面定位，以防止两者的相对转动，同时轴向用螺钉紧固，安装方便。

2)主传动系统各主要零部件的各自功能：

主轴伺服电机1的功能是通过编程控制车床主轴的转速，同时实现主运动；

主电机减速机3是采用伺服电机专用减速机，在结构上已消除正反转传动间隙，其功能是实现对车床主轴的减速，同时增大车床主轴的输出转矩；

小支架2和大支架4的功能是固定主轴伺服电机1与主电机减速机3组成的整体；

主轴单元8是标准模块，内藏轴承，结构紧凑刚性好，左端由同步带传动输入动力，通过右端三爪卡盘20实现主运动；

主轴箱9是基础件，其功能是固定主轴单元8、大支架4和同步带中心距调节装置13等零部件，保持它们一定的位置关系；

主动同步带轮5、同步带6和被动同步带轮7组成同步带传动装置的功能是保持准确的瞬时传动比，传动平稳噪声小；

同步带中心距调节装置13的功能是调节两个同步带轮之中心距至合适的紧松程度或便于更换同步带。调节时应先松开大支架4上的六个T型螺钉，用扳手通过两个调节螺栓，使大支架4带动主轴伺服电机1与主电机减速机3组成的整体，在主轴箱9顶面上前后平移至合适位置，然后再拧紧大支架4上六个T型螺钉上的紧固螺母；

三爪卡盘20是标准件，三个卡爪具有自定心功能，用于装夹工件(轧辊)。

2、作为优选的进给传动系统

1)进给传动系统各主要零部件的相互位置关系和安装联接方式：

数控十字滑台14位于床身座10的右前侧上面，并用八个螺钉紧固。

Z轴伺服电机11位于数控十字滑台14的左侧，两者通过圆柱面与止口组合定位，端面上用四个螺钉紧固，Z轴伺服电机11的输出轴与数控十字滑台14下层的丝杠输入轴采用专用联轴器联接，以平健传递转矩。

同理，X轴伺服电机15位于数控十字滑台14的后面，两者也通过圆柱面与止口组合定位，端面上用四个螺钉紧固，X轴伺服电机15的输出轴与数控十字滑台14上层的丝杠输入轴采用专用联轴器联接，以平健传递转矩。

刀架支座16位于数控十字滑台14的正上方，并用两个定位销定位，六个螺钉紧固。

方刀架17位于刀架支座16的上平面，也用两个定位销定位，六个螺钉紧固。

车刀18可以安装在方刀架17的左右两侧槽内，以槽的底面与侧面定位，每侧可通过四个刀具压紧螺钉19对车刀18进行压紧固定。

刀具压紧螺钉19共八个，对称均布于方刀架17的左右两侧，每个螺钉与方刀架17的上端螺孔组成螺纹联接，形成简易螺旋机构。

2)进给传动系统各主要零部件的各自功能：

Z轴伺服电机11的功能是通过数控十字滑台14下层的滚珠丝杠螺母机构，将旋转运动转化为直线移动，并通过编程控制数控十字滑台14的纵向进给速度，最终对车刀18实现Z轴方向的进给运动；

同理，X轴伺服电机15的功能是通过数控十字滑台14上层的滚珠丝杠螺母机构，将旋转运动转化为直线移动，并通过编程控制数控十字滑台14的横向进给速度，最终对车刀18实现X轴方向的进给运动；

数控十字滑台14是标准模块，上下双层十字结构，每层都内藏着单独的滚珠丝杠螺母机构，并在结构上已消除了轴向传动间隙，是实现X、Z轴双向移动的工作台,配两个伺服电机后能实现车刀18的二轴(X轴、Z轴)联动；

刀架支座16的功能是支承方刀架17，保持车刀18处于合适的加工高度；

方刀架17用于安装车刀18，可以同时安装左右两把车刀，结构简单、刚性好；

车刀18是球头型切削刀具，用于加工轧辊孔型面，安装时必须使车刀18的球头切削刃与轧辊旋转中心线等高，必要时可通过增减刀垫来调整；

刀具压紧螺钉19左右两侧各四个，用于对车刀18进行压紧固定，能自锁，操作方便。

3、作为优选的机床辅助装置

1)机床辅助装置各主要零部件的相互位置关系和安装联接方式：

床身座10是机床的基础大件，其底面与地面直接接触并固定。

冷却润滑站12单独放置于床身座10左前侧的地面上，便于灵活移动。

电气控制装置是外协定做装置，一般可安放在机床的后侧(图中未画出)。

其它机床附件是根据需要配置的外购标准件，如导轨防护罩、履带式拖链、冷却润滑油管、照明灯等，可在机床总装时现场配作(图中未画出)。

2)机床辅助装置各主要零部件的各自功能：

床身座10是机床最大基础件，上面安装着机床的各种零部件，并保持它们相对的位置关系，其底脚用螺栓固定在地面上；

冷却润滑站12是采用标准外购件的机床辅助装置，其功能是为车削加工提供切削液，对轧辊切削区和车刀起到冷却与润滑作用，以提高加工质量和刀具耐用度。冷却润滑站12主要由冷却泵、滤油器、油箱及油管等组成，由冷却泵打出的切削液进入切削区，进行冷却润滑后经过床身座10的回油口和回油管后，再回流至油箱，经滤油器过滤冷却后又由冷却泵输入至切削区，这样循环进行；

电气控制装置是外协定做装置，由专业的机床电气工程师完成，数控系统配置FANUC-OTE系统，主要用于控制机床的三轴(X、Z、C)联动；

其它机床附件是外购标准件，如导轨防护罩、履带式拖链、冷却润滑油管、照明灯等。其中导轨防护罩用于保护导轨，防止切屑、灰尘等杂质进入导轨面；履带式拖链用于支撑和导向本机床工作时需要移动的X轴伺服电机15之电控接线；冷却润滑油管是用于输送切削液的出油管和回油管；照明灯用于机床工作时作照明之用。

1.轧辊环状孔型曲面的形状特征

根据轧辊孔型的形状特征，整个孔型区可划分为三个区域：回转送进区(ab段)、轧制变形区(bc段)和均整定径区(cd段)，见图1、2所示。

回转送进区的展开图是一段半圆柱段，精度较低。均整定径区的展开图也是一段呈半圆柱形的孔型，其半径与轧制变形区的最小半径相等。

轧制变形区是指孔型工作部分的开始处直至均整定径段开始处为止，中间用平滑曲线逐渐过渡，其起始点具有最大半径，终点处具有最小半径。该段孔型的轴向交线是一条接近圆锥母线的曲线，而与孔型中心轴线垂直的任一剖面均为半径逐渐减小的半圆，相邻半圆实现曲线间的平滑连接，这样便生成了光滑的环状孔型工作曲面。轧制变形区是形状复杂、受力最大的工作表面，它是轧辊孔型加工的重难点。

2.轧辊加工要求与孔型加工工艺

轧辊材料一般为轴承钢GCr15，工作表面须淬火，硬度达HRC58～62，其加工精度为IT6～IT7，表面粗糙度为Ra0.4～0.8μm，要求孔型圆度小于0.05mm。轧辊孔型机械加工的创新工艺过程可归纳为如图3所示的工艺流程。

其中工序3采用了本专用数控车床，其加工内容为：在保证磨削余量的条件下，针对轧辊孔型的轧制变形区(bc段)进行车削加工(粗车或粗车→半精车)。

对于工序3，其原始的加工方法与工序2相似，其缺点是需要专用工装，加工工艺落后，自动化程度低，加工精度和效率很低，后续余量不均匀，工人劳动强度大等。本专用数控车床就是为了解决上述工序3的加工工艺，重点针对轧辊孔型的轧制变形区(bc段)完成数车加工而研发的。

因轧制变形区是接近于“半正圆锥”的孔型，为了简化编程，可将车削加工的整个“轧制变形区”孔型近似地加工成“半圆锥孔型”，这与其原孔型相比误差很小，并可在下道粗磨工序中得到纠正。

3.专用数控车床的主要技术参数

本专用数控车床采用了“模块组合化”(简称“模组化”)的研发与设计方法。其设计理念是：为了减少自制件，应尽量选用标准外购件(零部件)为模块，进行组合装配后形成专用数控机床。所选用的标准模块(零部件)均由专业厂家，实行“三化”生产(专用化、标准化、系列化)，因此质量保证、价格不高、互换性好。

我们知道普通数控车床是二轴联动，其加工回转体零件时，形成的轨迹是：轴向剖面可以是曲线，径向剖面都是圆；而用于车削轧辊环状孔型工作曲面的专用数控车床，加工回转体零件时要求形成的轨迹是：轴向剖面是按同一方向半径逐渐减小的半圆，所以径向任一剖面的轮廓线都是非圆曲线，这就要求该专用数控车床具有三轴(两个移动轴X、Z和一个转动轴C)联动的功能。并且机床整机要符合结构简单、传动和控制方便、制造成本较低、实用可靠和性价比高等要求。该专用数控车床的主要技术参数见下表1所示：

表1专用数控车床的主要技术参数

下面重点对该专用数控车床，在车削时的轧辊装夹与工作原理作进一步介绍：

由于轧辊内孔较大，所以装夹时一般以轧辊的左端面和内孔组合定位，在三爪卡盘20上采用“反爪法”夹紧。方刀架17上可以安装左右两把车刀18，一般情况下优先使用左边车刀，车刀的刀头必须磨制成球头型，孔型车削时是从大口至小口方向进行的，车刀在纵向可以选择正反进给。

车床工作时首先由主轴伺服电机1通过主电机减速机3减速后，再通过同步带传动输入到主轴箱9内的主轴单元8，带动三爪卡盘20上的轧辊旋转，实现主运动。其次由Z轴伺服电机11和X轴伺服电机15分别带动数控十字滑台14，再通过刀架支座16、方刀架17，最终实现车刀18的纵向和横向的直线进给运动。

孔型车削时，主轴旋转(C轴)与车刀的横向(X轴)、纵向(Z轴)两个移动轴必须实现三轴联动，三轴分别通过对应的三个伺服电机来控制与传动，切削轨迹是三轴运动合成的结果。为了便于编程和数控，获得良好的切削轨迹，主运动的转速不能太高，本车床的最高设计转速为300r/min。

本专用数控车床主要具有以下优点与效果：

1、采用“模组化封闭式优化设计”，简化了结构设计过程，大大缩短了设计与制造周期，降低了产品成本；同时产品结构紧凑、互换性好、可靠性高、质量保证、成功率高。

2、机床采用卧式车削方式与结构布局，通过模组化优化设计，使机床具有刚性好、加工尺寸大、车削效率高、传动结构简单、性价比高和编程操作方便等优点。

3、车床采用三轴联动、闭环控制系统，自动化程度高，并实现环状孔型轧辊数控加工工艺参数的智能选择和模拟加工，同时简化了各种规格孔型加工的数控编程。

4、加工时不需要专用工装，加工精度和效率大大提高，而且余量均匀，降低了工人劳动强度，从而为专业化、成批生产轧辊，解决了轧辊系列孔型粗、半精加工和开口等高效专用数控设备问题。

本实用新型不局限于上述实施方式，不论在其形状或材料构成上作任何变化，凡是采用本实用新型所提供的结构设计，都是本实用新型的一种变形，均应认为在本实用新型保护范围之内。