BPM250全自动、精密剥皮机的研发

刘录锋，杨 博，雷 超，杨晓东，吕林芳，吕 琰，杜宁波

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032;2.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313028；3.山东寿光巨能特钢有限公司，山东 寿光 262711)

0 前言

随着生产水平发展，现代加工工艺向无加工或少加工量方向发展，对坯料的光洁度、尺寸精度提出了更高要求，因此高尺寸精度、高光洁度的材料(俗称银亮材)加工得到了迅猛的发展[1]。国内新建、改建了多条银亮钢生产线，均斥巨资配备了进口的精密长圆材剥皮机组作为银亮材生产线的核心设备[2]。因此剥皮机的高水准国产化也显得非常迫切[3]。

中国重型机械研究院立足于自身，开展技术攻关，圆满完成了国内某特钢厂BPM250规格的全自动、精密长圆材项目工艺、设备的研发配套，开发并掌握了多项关键技术，取得了整套的工艺、设备设计理论及技术诀窍。

1 剥皮机设备组成、工艺过程

1.1 设备组成

全自动精密剥皮机主要由机械设备、配套流体(液压、润滑、乳液、压缩空气)系统及配套的电气控制系统三部分组成，其中机械设备主要包含：坯料上料台架1、入口升降辊道装置2、前夹送进给装置3、前稳定装置4、剥皮动力头5、出口导向装置6、后拉出小车装置7、出口升降辊道装置8、成品收集台架9。

1.2 设备的加工工艺流程

全自动、精密剥皮机的主要加工工艺如图2(加工流程简图)所示，一根坯料的生产工艺过程：上料台架→进料拨料→入口升降辊道坯料输送→前夹送进给→前稳定导入→剥皮切削→后稳定导出→风刀吹扫、刮液→成品直径检测实时刀具补偿→后拉出小车夹持坯料拉出进给→完成切削→成品快速拉出→出口升降辊道输送→出料拨料→出料台架成品收集。

如成品直径测量系统发现尺寸超差，则将调整值反馈给调刀装置按照刀具补偿模型在线进行刀具补偿(同时根据刀具补偿模型也可对刀具磨损情况进行监控、预警)[4,5]。实际生产中多根坯料头尾相接依次自动完成工艺流程。

图1 BPM250剥皮机布置简图

图2 加工流程简图

2 剥皮机设备关键技术

2.1 多料连续自动生产工艺控制

要实现全自动生产，必须具有完善的检测、监控系统并结合生产工艺，解决多根棒料自动连续生产的问题；满足剥皮机自动连续生产的要求，其工艺及设备在结构上解决两个问题。

(1)在不影响前面棒料加工的情况下完成后续棒料的上料。在后根钢管的上料走钢线前端设置监测开关及测长编码器，在检测到前根棒料的尾端已经脱离后面棒料的走钢线后，入口升降辊道落到取料位，前台拨料装置拨料到辊道上料位，入口升降辊道自动抬起到要求高度并以较高速度输送坯料直至两根棒料头尾贴合，入口辊道继续送进，此时坯料与辊道接触面存在相对滑动[6]。

(2)在不影响连续加工的情况下，刀盘加工后面的棒料头部时，能与前面棒料的尾端平稳的贴合在一起，顺次完成加工。因为前夹送装置辊采用液压油缸经同步机构驱动辊座开合，实现坯料夹紧、松开的功能，夹持中油缸一直带压，回路压力决定辊子夹持力[7]，所以需要准确判断出两根棒料的结合面位置，在结合面到达夹送辊前张开辊子，结合面通过辊子后夹送闭合夹持[8]。

通过前台设置的检测开关及测长编码器可以算出结合面相对前夹送装置的初始距离，通过进给速度判断结合面的位置变化，进而达到控制两组夹送辊开合的目的。在两组夹送辊中间设置有涡流检测装置，进行结合面位置确认。考虑到传动误差，在棒料输送过程中结合面有可能分开，所以需要将辊道速度、1#夹送辊、2#夹送辊、进给速度设置为不同速度，进给速度=2#夹送辊<1#夹送辊<辊道速度。

2.2 检测与补偿闭环控制系统

要实现高精度、高成材率的自动加工，必须有成品质量闭环控制系统，实时对成品直径进行检测，并将检测值反馈到伺服进刀装置完成刀具高精度动态补偿，解决刀具磨损引起的加工质量下降的问题。

(1)高精度的自动刀具补偿功能。采用伺服电机经两个齿轮轮系，同步驱动4个涡轮、蜗杆副及与涡轮连接的丝杠螺母副，继而实现4个固定在螺母上的刀具滑座径向位置同步调整，并在末端设置了高精度的滑块位置检测，实现刀具位置的全闭环控制。

(2)高精度成品质量检测反馈功能。成品测量的要素主要为直径和光洁度，BPM250剥皮机目前只配备了直径测量系统。在结合剥皮机的工况，综合比较接触式机械测量、光学测量等测量方式后，本系统采用激光测量的方案[9]。选用ZUMBACH生产的ODAC310非接触式在线激光测量装置，这套系统包括一个光电激光测量头和一个微处理器，以及一个内部诊断程序，可以根据输入的目标值、精度范围进行自动测量和报警，并将测量值实时反馈到调刀装置。经过多次调校后，该系统的静态测量参数及精度情况为：测量速度606 m/s，测量精度±5 μm (1 s)。

2.3 多点自适应夹持系统

因为同批次棒料的圆轮廓度、圆柱度、直度有一定差别，必须开发多点刚柔结合的坯料自适应夹持系统，在平稳切削的同时解决由于坯料差别引起的成品质量(直度、圆度、光洁度)下降问题。如图2加工流程简图所示，剥皮机在加工中共有5组夹具第次参与到夹持中，针对坯料圆度、直度变化的情况，分别设置了多种结构的夹具。

(1)前夹送装置。该装置共有2对V型辊，每组V型辊下辊轴向固定，上辊轴向有3 mm移动量。两对辊子的夹持力不同，2#辊的夹持力大于1#辊夹持力；工作中油缸始终带压，在坯料直径或圆度变化的过程中，两组辊子自动对中开合。本组夹具结合专用工装进行了相对于刀盘的同轴度、端面垂直度的精确测量和修配，测量、修配基准为刀盘[10]。

(2)前稳定器夹具。采用周向均布的4对带有蝶型弹簧组预紧的辊式导位装置，通过带有自锁的丝杠副驱动，蝶型弹簧组的预压力为坯料重量的60%～80%，蝶型弹簧组理论有效行程为坯料轮廓精度误差的1.5～2倍，夹具的理论中心与刀盘的同轴度误差小于0.05 mm[11]。在工作中弹簧始终处于浮动状态，在坯料直径或圆度变化的过程中，辊子始终压着坯料表面，达到对中夹持的目的。

(3)刀后导向装置。该装置为周向均布的3副夹持辊，通过液压缸经同步连杆驱动，夹具的理论中心与刀盘的同轴度误差小于0.05 mm，油缸的夹持力为坯料重量的1.5倍。在工作中夹具始终带压，使得夹具中心始终在刀盘的理论中心上。在坯料直径或圆度变化的过程中，辊子始终按照理论中心同步开合，辊子材料选用耐磨材料[12]。

(4)出口导向装置。该装置为周向均布的3副带有蝶形弹簧组的夹持辊，通过液压缸经同步连杆驱动，蝶形弹簧组的预压力为坯料重量的40%～60%，蝶型弹簧组理论有效行程为坯料轮廓精度误差的1.5～2倍，夹具的理论中心与刀盘的同轴度误差小于0.07 mm，油缸的夹持力为坯料重量的60%～80%。在工作中弹簧始终处于浮动状态，在坯料直径或圆度变化的过程中，辊子始终压着坯料表面，达到对中夹持目的的同时减小切削时的震动，提高了成品表面加工质量[13]。

(5)拉出小车上的夹具。夹具为一组水平布置、铰接于滑块上的V型夹瓦，夹具可在水平方向上做5°的摆动。在坯料直度变化的过程中，夹钳可以在水平方向上、在最大行程之内摆动，保证坯料中心相对刀具切削中心的均匀变化[14]。

3 设计验证结果

2017年8月该设备进行了负荷试车，试车结果完全满足设计要求，个别参数超出设计要求，具体试车记录见表1。

表1 试车记录表 mm

4 结束语

精密长圆材剥皮机组是我国棒材深加工、长圆材深加工领域急需的关键设备，对其的高水平国产化有着显著的经济效益和社会效益。这一点已经过石钢、抚顺特钢、宝钢等拥有银亮钢生产线的企业效益得到充分验证[15]。

BPM250全自动、精密剥皮机的加工精度可稳定达到IT9级，加工面光洁度高于Ra3.2，达到进口设备同等水平，其余诸如刀盘径向跳动(0.02 mm)、同步进刀精度(0.01 mm稳态进给)等关键值检测结果高于进口的同类设备对应值，完全可以替代进口设备。

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