数控车床铣削功能改造与应用

马绍华，周前宽，张 昭，郑国升，石建璋

（甘肃酒钢集团西部重工股份有限公司，甘肃 嘉峪关 735100）

1 概述

花纹钢板的外观因美观大方、防滑效果好，广泛的应用在建筑、工业、交通行业中。酒钢每年生产2万吨的花纹钢板。需要加工/修复花纹轧辊。因没有专用的加工设备，长期外委加工，生产成本居高不下。同时给生产、质量管理带来诸多风险。

2017年酒钢西部重工与碳钢薄板厂成立项目攻关组，在分析现有车、铣床改造案例的利弊，结合目前车铣复合加工技术的特点，提出在现有的数控车床改造成车铣复合功能的一体机，从满足加工所需的功能进行分析、改造，保证设备安全、可靠、稳定的运行。

1 需要解决问题

国内目前普遍使用的扁豆型花纹钢板（GBT3277—91），国标花纹结构图及花纹轧辊实物如图1、图2所示：

图1 花纹结构图

图2 花纹轧辊实物图

要实现在轧辊圆周表面上加工出交错排列（夹角互为90°）的扁豆花纹，需要对轧辊圆周方向的准确分度定位，刀具沿45°倾角铣削，可以前后、左右的移动，才能完成花纹孔型的标准加工。从数控加工原理上分析，是一个四轴联动工作方式。即机床主轴的旋转运动及分度功能（A轴）；铣刀台的纵、横向移动功能（X、Z轴）；铣刀旋转切削运动（U轴）。

目前数控车床操作系统普遍为西门子802C（D）， 具备控制 3～4 个线性轴和一个主轴的功能［1］，满足改造的要求。数控车床自身只有两轴（X、Z）功能，还要增加两个轴（A、U）。综合考虑改造成本，以及数控系统的兼容性，可靠性。本着经济、实用的原则，关键点整体思路：分度A轴必须配备；铣刀旋转的U轴可以单独设置独立控制电路；铣刀架设计可以左右摆动±50°的结构。车床其他方面维持不动。

2 改造具体方案

2.1 增加伺服主轴，实现主轴分度功能

在主传动部分配置伺服驱动器、伺服电机，同时在输出轴上增加编码器反馈信号装置实现闭环控制，来保证准确分度。伺服电机合理地安装在机床传动侧，在伺服主电机侧和主轴输入轴各安装一只一定比值的同步带轮，通过多楔带进行传动，电机侧的带轮可以通过电磁离合器实现离合，以便车削加工时伺服电机脱离工作。主轴A安装传动系统如图3所示：

图3 主轴A安装传动系统图

2.2 增加立式铣头机构，实现花纹铣削功能

在不改变原有数控轧辊车床刀架结构的前提下，另外增加一个立式铣削传动装置［2］，与原有的刀架装置具有互换性。车削时使用刀架体，铣削时将车床刀架体整体拆卸下来换上铣头体，通过定位销来定位，即可实现铣削轧辊花纹功能。立式铣削结构只需装夹一只刀杆，在刀杆上装上飞刀即可实现花纹铣削。

加工花纹有45°的斜角，因此铣头设计一个扇形齿条和一个传动齿轮轴，用手动控制角度。具体结构如图4立式铣头传动系统示意图。

图4 立式铣头传动系统示意图

2.3 系统升级及电气控制线路改造

原西门子系统配置为二轴，为了实现改造后的铣削功能，需将系统软件配置升级为三轴系统，同时硬件增加伺服主电机、伺服电源模块、伺服电机模块、电抗器、主轴编码器。铣刀主轴单独设置控制电路，由2.2kW的变频电机直接驱动.变频器使主轴转速在100～2000rpm范围内做无级调速［3］。

3 分度误差原因分析及改进措施

试运行中，暴露出圆周分度偏差及工作中抖动的两个问题。加工接连出现废品，综合分析，主要问题在于机床传动系统有间隙，有两方面原因：

1）机床传动轴之间的间隙，正常机床主轴启动、停止、正反转均会产生惯性，使设备在短时间之内无法迅速停机。长时间工作，使得齿轮、轴之间的磨损日益增大，影响分度精度。

2）花纹轧辊材质为无限冷硬铸铁，辊身硬度为HSD75—80，属于超硬材料，加工时又是间断性成型铣削，切削力大，抖动严重。

3）安装A轴同步皮带产生间隙，伺服主电机和机床主轴通过多楔带进行连接，工作状态中，皮带始终处在一个方向运转，没有间隙产生。当停机时，电磁离合器脱离啮合，皮带轮处在自由状态，被主轴的惯性带动出现往复运动。因皮带有弹性，难以回复原位。数控系统分度出现误差。

针对这两个问题，采取三个改进措施：

1）先期的花纹轧辊加工采用的圆周加工方式，即在圆周母线上按等分逐一加工出3784个扁豆肋，A轴分度3784次。要求机床的圆周分度精度十分准确。关键点在于减少分度次数。我们采取纵向加工法，只分度88次，纵向间距由Z轴的滚动丝杠、丝母控制。减少分度误差。

2）为了确保机床稳定性，消除主轴的抖动，设计/安装主轴锁紧机构。即在切削加工时主轴处在锁紧状态，分度时，同步处在放松状态。过程由机床数控系统同步控制。改造方案如下：在机床主轴头部安装一个锁紧圆盘［4］（为了增大摩擦力，在圆端面进行滚花处理），上部连接液压夹钳制动器（安装在床头箱上）。控制方式与主轴液压系统共用[5]。工作原理是：当油压缸接收到锁紧指令时，储油缸中的液压油从供油管进入油压缸中，油压缸向前运动，在压力作用下左右卡钳产生相对运动，钳口夹紧圆盘，使主轴处于静止状态[5]。当油压缸接收到松开指令时，油压缸向后前运动，使锁紧卡钳中的液压油从供油管退回到储油缸中，失去压力作用的左右卡钳产生反向运动，钳口松开，圆盘处在自由状态，主轴正常旋转/分度不受影响。图5为主轴液压夹紧示意图：

图5 主轴液压夹紧示意图

3）通过程序控制及线路改动，保证机床整体在断停状态下，A轴上的电磁离合器始终是啮合状态，皮带处在工作状态，无法产生间隙。

改造后整体效果图如图6、图7所示。

图6 主轴改造实物图

图7 铣头改造实物图

4 结论

改造后的机床保留车床全部功能，增加的铣削功能实现三轴联动和闭环控制，加工扁豆形花纹槽，产品符合GB/T3277-91国标标准。同时实现多头、大导程螺旋槽工件的加工，加工范围扩大700×6000mm，提高设备利用率。其次，操作方便、快捷，车床刀台与铣头共用一个基准台面，安装尺寸具有互换性，拆卸方便。恢复车削功能，只要脱开分度同步皮带即可，做到车/铣互不干涉、互不影响。

改造设备不要拘泥于思维的框架，在准确工艺分析后，利用现有设备的能力，结合工作的经验及理论指导，进行大胆的尝试，起到经济、实用的效果，这点对制造企业尤为适用。经过不断的完善，两年来设备运行安全、可靠。全部费用投入不到30万元，仅为专用设备（120万）的四分之一。按每年生产2万吨生产量计算，为酒钢碳钢薄板厂创产值约1亿元，创造利润1千万元。