一种轧辊复杂曲面一次性成型方法及设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种轧辊复杂曲面一次性成型方法及设备，包括机架，电机，大转盘，去间隙装置，坯料工作台，刀具进给装置及伺服系统；所述机架上设有大转盘，所述大转盘与坯料工作台固定；所述刀具伺服进给装置包括导轨，下托板，上托板，进给箱和刀杆，坯料工作台上安装有两根以Z轴为旋转中心同步旋转的转轴，用于固定毛坯。本发明的有益效果：相比传统轧辊加工，去除了换刀调整、人工打磨等复杂工序；同时采用三轴联动一次成型，提高了生产效率；并且采用数控方法提高了加工精度。
【专利说明】一种轧辊复杂曲面一次性成型方法及设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种轧槽为复杂曲面的轧辊一次性成型方法及设备。
【背景技术】
[0002]辊轧加工是许多管材所常用的加工方式，然而辊轧机在加工管材时轧辊的磨损十分严重，需要经常更换辊轧机上的轧辊。目前现有轧辊机上的轧孔(即管材成型区)是通过两个对称的轧辊组合形成，而该轧辊是中心为通孔的转轮，转轮的外圈轮廓为复杂曲面的弧形槽。目前对这种复杂曲面的轧辊的加工方法，大多先采用车床车削轧辊坯料，再将经过车削的轧辊安装到专用轧辊镗床进行凸轮样板仿形加工，加工完一个正圆弧曲面后调整两轧辊中心距使镗刀以更大的切削半径进行切削，切削出边上的两个正圆弧曲面，最后由人工打磨的形式修整出平滑的曲面及倒角。这种方法工序繁多，操作复杂，且对工人的技术要求较高，加工效率低。
【发明内容】
[0003]针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种轧槽为复杂曲面的轧辊一次性成型方法及设备。该方法及设备，相比传统轧辊加工，去除了换刀调整、人工打磨等复杂工序；同时采用三轴联动一次成型，提高了生产效率；并且采用数控方法提高了加工精度。
[0004]为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是:一种轧槽为复杂曲面的轧辊一次性成型设备，包括机架，电机，大转盘，去间隙装置，坯料工作台，刀具进给装置及伺服系统；所述机架上设有大转盘，所述大转盘与坯料工作台固定；所述刀具伺服进给装置包括导轨，下托板，上托板，进给箱和刀杆，坯料工作台上安装有两根以Z轴为旋转中心同步旋转的转轴，用于固定毛坯；进给箱固定连接刀杆，进给箱内部设有动力输送机构，所述的上托板和下托板，上托板和下托板内部设有动力输送机构，所述去间隙装置安装在机架上并紧贴大转盘或者转盘连接的转动部件。
[0005]所述的进给箱内部设有的动力输送机构为伺服电机或步进电机。
[0006]上托板和下托板内部设有的动力输送机构为伺服电机、气缸或液压缸。
[0007]一种轧槽为复杂曲面的轧辊一次性成型方法，测绘成品标准工件，拟合轧辊工作区曲面，离散曲面数据并建立数据库，将数据库里的数据转换为程序指令导入控制系统；控制系统读取程序指令，控制设备运行；其中大转盘带动坯料工作台以一定角速度绕y轴转动；大转盘的转动控制截面圆弧曲线轮廓的切削主运动，其转动速度决定了截面圆弧曲线轮廓的切削速率；由旋转轴转动带动两个轧辊坯料同时相向以一定的速度绕z轴旋转；旋转轴的转动控制工件圆周曲线轮廓的成型切削运动，其转动速度决定了工件圆周曲线轮廓的成型切削及工件相邻加工截面切换的速率；由上托板带动进给箱以带动固定在进给箱上的刀杆及刀具，使刀具X轴方向上进给到指定位置切出第一段圆弧；当大转盘转到相应角度后进给箱相对于上托板以一定的速度做X轴反方向上的进给；进给箱的进给运动控制截面曲线轮廓的YO方向的切削进给运动，其进给速度影响第二段圆弧曲线的曲率半径大小；三轴联动构成了对两个对称轧辊坯料的三维曲面的展成成型加工。
[0008]所述拟合轧辊工作区曲面利用所测离散数据进行线性插值拟合形成由不同的边界重合的曲面组合的连续曲面，再由该连续曲面微分后再次拟合形成切向连续曲面。
[0009]本发明的有益效果:相比传统轧辊加工，去除了换刀调整、人工打磨等复杂工序；同时采用三轴联动一次成型，提高了生产效率；并且采用数控方法提高了加工精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本发明的结构参考图；
[0011]图2为本发明涉及的轧辊形状示意图；
[0012]图3为本发明对轧辊截面划分示意图；
[0013]图4为本发明对轧辊截面曲线取点示意图；
[0014]图5为本发明衍生实例结构参考图。
[0015]其中，
[0016]图11-机架，2-电机，3-大转盘，4-坯料，5-刀杆，6_坯料工作台，7_进给箱，8_下托板，9-上托板，10-导轨，11-旋转轴，12-去间隙装置
【具体实施方式】
[0017]一种轧辊复杂曲面一次性成型设备，包括机架，电机，大转盘，坯料工作台，刀具进给装置及伺服系统。所述机架上设有大转盘3，大转盘由主轴电机2通过齿轮组驱动旋转，用于固定及带动坯料工作台6旋转。所述坯料工作台上安装有两根同步旋转的转轴10，用于固定毛坯。所述刀具进给装置，包括导轨9，滑移托板8，滑移托板7，刀杆5。托板7固定连接刀杆5,此外其内部设有动力输送机构,动力输送机构为伺服电机。所述的滑移托板8内部设有动力输送机构，动力输送机构可以为伺服电机、气缸或液压缸等。所述伺服系统伺服驱动控制主轴电机带动转盘旋转，控制刀具进给装置伺服进给，并且控制坯料工作台上旋转轴旋转。
[0018]基于上述设备，针对具有复杂曲面的轧辊，本发明公开了一种有效的成型加工方法。轧辊的截面形状如图2所示，其有效工作部分由一个正圆弧和两个反圆弧平滑连接而成，整个轧辊有3段形状不同的截面，各段截面弧线组成及弧线半径各不相同。首先，对标准的轧辊成品进行测绘，以轧辊几何中心为原点，如图3所示以一定的角度α将标准轧辊划分η个截面,并将每个截面取一定数量的点,测量计算出每个点的坐标。例如如图4所示，取第i点，测量第i点坐标(Xi, Yi),由公式Xi' =a-Xi ;y/ =b+yi计算得实际坐标(x/，y/ )得到的一系列实际坐标为关于轧辊形状的离散数据。将得到的一系列的离散变量用分段线性插值法构造一个整体连续的函数:令图4平面内的取值的所有点X坐标X(l，X1,…，Xn，相应
η
的Y坐标yci, Y1,…，yn，插值基函数为Ij (Xj)，拟合η次线性插值多项式为乃(T) =。
J=O
再利用截面曲线拟合的结果进行曲面拟合:利用曲面％点在h，P(xP，α)处插值方法，SP
η2π η
Σ岛=刃乙/(4/<七)，《)建立拟合曲面，形成一个点连续(也称为GO连续)的曲面，即C
/=0a=Q /=O
级曲面。再对C级曲面进行微分处理，获得点坐标得到离散数据，将离散数据用最小二乘法对其进行曲面逼近拟合，形成一个切向连续(也称为Gl连续)的曲面，即B级曲面。得到轧辊轧制工作区的B级曲面后再将曲面用更小的角度进行划分并以微分形式对其曲面进行离散化处理。将重新离散的数据导入电脑数据库，最后由电脑将数据库里的数据转化为程序指令传输至控制系统。
[0019]控制系统读取程序指令，控制设备运行。其中大转盘带动坯料工作台以一定角速度绕y轴转动。大转盘的转动控制由图4所示的截面圆弧曲线轮廓的切削主运动，其转动速度决定了截面圆弧曲线轮廓的切削速率。由旋转轴转动带动两个轧辊坯料同时相向以一定的速度绕z轴旋转。旋转轴的转动控制由图3虚线所示的工件圆周曲线轮廓的成型切削运动，其转动速度决定了工件圆周曲线轮廓的成型切削及工件相邻加工截面切换的速率。由上托板带动进给箱带动刀杆及刀具，使刀具X轴方向上进给到指定位置切出如图4所示第一段圆弧R1。当大转盘转到相应角度后进给箱相对于上托板以一定的速度做X轴反方向上的进给。进给箱的进给运动控制由图4所示的截面曲线轮廓的YO方向的切削进给运动，其进给速度影响第二段圆弧R2曲线的曲率半径大小。三轴联动构成了对两个对称轧辊坯料的三维曲面的展成成型加工。
[0020]由电脑将数据输送到控制系统后，控制系统控制设备运行形成对工件的曲面展成切割。此展成运动的方法可以是双托板运动叠加法也可以是单托板软件控制法。其中双托板运动叠加法如下:工件装夹完毕后，控制系统的动力输送机构驱动下托板8使下托板8上连接的上托板9和进给箱到达指定的位置从而使刀具到达加工初始位置。再由控制系统控制驱动主轴电机运转带动大转盘旋转以带动还料工作台旋转，从而形成对成对加工的轧棍上轧槽曲面的一对截面进行切削。同时控制坯料工作台上的旋转轴以一定的速度运转，使得成对加工的轧辊上轧槽曲面能够完成360度环切。当旋转轴带动工件转过一定角度时控制系统的动力输送机构驱动上托板9，使固定在进给箱上的刀具改变进给量从而改变图4所示轧辊上轧槽曲面主圆弧Rl大小。当大转盘转到一定角度之时控制系统发送数据信号到控制进给箱的伺服电机，使进给箱7以一定的速度沿着上托板9上的轨道的方向进给，从而控制成对加工的轧辊上轧槽曲面的反向圆弧(如图4所示R2段圆弧)生成。此时，设备三轴联动构成了对两个对称轧辊坯料的三维曲面的展成成型加工。单托板软件实现法如下:去除上托板9，进给箱7与下托板连接，用软件程序控制进给箱伺服电机从而控制进给箱X方向的正向或反向进给运动，此时，转轴转动所带来的轧辊上轧槽曲面主圆弧Rl变化而需要刀具进给量的改变和大转盘转到一定角度后轧辊上轧槽曲面反圆弧R2的切割需要刀具进给量的改变都由进给箱伺服电机控制运动叠加实现。得到的叠加运动再与大转盘绕Y轴的旋转运动相叠加，形成了对轧辊轧槽复杂曲面的展成切削加工。
[0021]衍生实施例:
[0022]如图5所示，建立坐标系，此坐标系X轴、Y轴固定，以坯料工作台上表面的法向为Z轴方向，Z轴垂直Y轴并绕Y轴旋转。其中大转盘绕Y轴转动，旋转轴带动工件绕Z轴转动，进给箱7、上托板9可沿着X轴方向直线运动，下托板8沿Y方向上下运动。
[0023]该实例基本结构与基本实例方案相同，有所不同的是将该设备做成立式结构采用13端面轴承支撑，降低了转盘高度，使得结构更紧凑，工件装夹更为便利，减少了大转盘的工作驱动力矩。
【权利要求】
1.一种轧槽为复杂曲面的轧辊一次性成型设备，其特征在于:包括机架，电机，大转盘，去间隙装置，坯料工作台，刀具进给装置及伺服系统；所述机架上设有大转盘(3)，所述大转盘(3)与坯料工作台(6)固定；所述刀具伺服进给装置包括导轨(10)，下托板(8)，上托板(9)，进给箱(7)和刀杆(5)，坯料工作台上安装有两根以Z轴为旋转中心同步旋转的转轴(11)，用于固定毛坯(4);进给箱(7)固定连接刀杆(5)，进给箱(7)内部设有动力输送机构，所述的上托板(9)和下托板(8)，上托板(9)和下托板⑶内部设有动力输送机构，所述去间隙装置(12)安装在机架上并紧贴大转盘或者转盘连接的转动部件。
2.如权利要求1所述的轧槽为复杂曲面的轧辊一次性成型设备，其特征在于:所述的进给箱(7)内部设有的动力输送机构为伺服电机或步进电机。
3.如权利要求1所述的轧槽为复杂曲面的轧辊一次性成型设备，其特征在于:上托板(9)和下托板(8)内部设有的动力输送机构为伺服电机、气缸或液压缸。
4.一种轧槽为复杂曲面的轧辊一次性成型方法，其特征在于:测绘成品标准工件，拟合轧辊工作区曲面，离散曲面数据并建立数据库，将数据库里的数据转换为程序指令导入控制系统；控制系统读取程序指令，控制设备运行；其中大转盘带动坯料工作台以一定角速度绕I轴转动；大转盘的转动控制截面圆弧曲线轮廓的切削主运动，其转动速度决定了截面圆弧曲线轮廓的切削速率；由旋转轴转动带动两个轧辊坯料同时相向以一定的速度绕z轴旋转；旋转轴的转动控制工件圆周曲线轮廓的成型切削运动，其转动速度决定了工件圆周曲线轮廓的成型切削及工件相邻加工截面切换的速率；由上托板带动进给箱以带动固定在进给箱上的刀杆及刀具，使刀具X轴方向上进给到指定位置切出第一段圆弧(Rl);当大转盘转到相应角度后进给箱相对于上托板以一定的速度做X轴反方向上的进给；进给箱的进给运动控制截面曲线轮廓的YO方向的切削进给运动，其进给速度影响第二段圆弧(R2)曲线的曲率半径大小；三轴联动构成了对两个对称轧辊坯料的三维曲面的展成成型加工。
5.如权利要求4所述的一种轧槽为复杂曲面的轧辊一次性成型方法，其特征在于:所述拟合轧辊工作区曲面利用所测离散数据进行线性插值拟合形成由不同的边界重合的曲面组合的连续曲面，再由该连续曲面微分后再次拟合形成切向连续曲面。
【文档编号】B23Q15/02GK103433803SQ201310339816
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月6日 优先权日:2013年8月6日
【发明者】周斯加, 王财虎, 周廷荪 申请人:温州大学