轧辊磨床床身导轨面加工工艺浅析

张素玉

摘要：我公司新研制产品MK8450X40数控轧辊磨床适用于磨削工作辊、平整辊、压光棍等高精度、高表面要求的各种轧辊。根据设计要求机床床身长度为10.78m，采用V-平式贴塑静压导轨，采用工件移动方式顶磨约5吨重的工件。由于受公司的设备限制，此产品的长床身的V-平导轨不能磨削，为此我们对此床身的加工进行了研究。

关键词：超长床身 精刨代刮 震纹 精刨代刮刀 刀排

1 床身的结构特性及技术要求

1.1 床身的结构

它是工件承重床身，长度10.78m、宽740mm、高约650mm（见图1），属于平V导轨形式超长箱体类零件。工件通过工作台在其上进行低速往复运动，设计计算床身导轨所承载的重力大于5吨（工件+工作台），并且在承受较大的压力负荷下要求床身不变形，还要求有一定的韧性，因此选择的零件材料为HT250（T），它属于低合金高强度低应力孕育铸铁，是在普通的HT250材料中加入了微量特殊金属元素，具有球铁的特性、高硬度、一定的韧性且易于切削加工。

1.2 分析床身的主要精度

图纸技术要求为平、V导轨的直线度要求在任意500长度上允差在0.005以内，总长允差在0.03以内；平、V 导轨的相互平行度要求为在任意1000范围内允差在0.003 以内，总长上的平行度要求允差在0.04以内；平V导轨的粗糙度要求为Ra1.6、铲刮12点（见图1）。

2 床身加工工艺规程的确定

通过对零件的分析，按照以往的加工方法，床身的导轨面只需在本厂的导轨磨床上磨出，就可达到形位公差及表面光洁度，但现在此床身的长度完全超出了我公司的导轨磨床加工范围（不超过4.5米），为此我们进行了工艺方案讨论。

方案一：在公司外寻找合适的加工单位，利用超长导磨来加工该床身平V导轨，后来因为价格太高而放弃。

方案二：先在数控龙铣上铣出平V导轨面，平V导轨面均留铲刮量，且平V导轨的直线度及相互平行度要求均放松2～3倍检查，再由钳工师傅铲刮并用拖模进行配铲。这种加工方法符合图中的粗糙度和铲刮点要求，也可以达到图中的形位公差，但它对钳工师傅的技术水平要求比较高，不仅要铲点均匀而且要能够控制形位公差的走向，使之最后能够控制在图纸要求的形位公差范围之内。另外铲刮工时很长，因为工件长度接近11m且有三个相互位置度要求的工作面，预算光完成铲刮这道工序就要20多天，影响了零件的加工周期和机床的交货期。

方案三：把11m的床身分为三段来分别磨削。由导轨磨床进行以磨代刮的方法，我公司的德国柯堡磨床它的磨削粗糙度可达到Ra0.4，砂轮可由金刚笔修正，可磨出上乘的平面度，这完全可以达到我们的粗糙度Ra1.6铲刮12点的要求；在形位公差中科堡导磨的直线度在1m范围内小于0.005mm，在总长0.008mm/4m，导轨的半角和平行也能符合要求。但是经过工艺讨论认为三段平V导轨单独磨削后不能平滑拼接，拼接后的三段导轨的各自形位公差走向不确定，此方案也遭否定。

方案四：精刨代刮。因为一些重型机床在制造与修理中因导轨刮研的工作量很大，设法用机械加工代替刮研是必然趋势，因此我们决定采用精刨代刮的工艺方法来实现机床的设计精度。

我公司的龙刨行程长12.5m，而且每小时加工单价比较低。我们通过调查研究并听取一线操作工人的建议，对影响床身导轨面精刨代刮的诸多因素进行分析，影响床身精刨代刮面的因素主要有以下几点：

①加工机床自身精度及运行稳定性和刚性。

②刀具结构及刀具的几何参数。

③刀具的刃磨。

④切削时的砂轮、冷却和润滑。

3 采取的措施

3.1 调整龙刨床身的精度、运行稳定性和刚性

磨削前首先检查加工机床自身精度及运行稳定性，调整工作母机的精度使之达到表1中的参数数据；并对机床电器进行改造，使之低速稳定运行，速度为0.5-3米/分时不产生爬行，并实现无级调速。为提高机床刀具系统及进给系统的刚度，在加工时将机床横梁及刀架滑板等作固定处理，使加工时机床刚度对工件加工的影响减少到最小。

3.2 正确选择刀具结构及刀具的几何参数

3.2.1 精刨代刮刀的结构

刀具结构一般可分为整体式和夹固式。整体式刀具的刚性好，通常工艺人员首选这种结构，此处根据新设计的刀具计算，长度大于650mm，其刀排重量大于95Kg，将这种形式的刀具设计成整体式在刃磨前、后角及刃口时装夹不方便，无法进行刃磨。因此刀具结构选用夹固式。将刀体和刀排紧固成一体。

3.2.2 刀片材料

选择刀片材料为硬质合金YG6，刀体为45钢，两者焊接在一起。因为硬质合金刀刃口不易磨损，耐磨、直线度精度高，寿命比高速钢刀具高3-4倍。

3.2.3 刀具几何角度的确定

在以刨代刮时精刨刀的宽度需大于工件加工面的宽度一次刨出成形，因此将精刨代刮刀设计成平面导轨精刨刀和V形导轨精刨刀两种。平导轨精刨刀采用宽刀刃切削，切削宽度为110mm，V形导轨精刨刀切削宽度为65mm。

为了确定刀片的几何角度，我查阅了大量的资料，结合刀具实际应用的情况，将刀具的几何参数定为刃倾角10°，负前角15°，后角2°（如图2）。

3.2.4 刀排采用45钢锻成，并采用弯头刀杆（避免刀杆产生一定的弯曲变形，划伤已加工表面），柄部按机床刀架安装尺寸，尽量偏大，以保证刚度（如图3）。

采取了以上措施后，在临床试验加工的过程中导轨面还是产生了震纹，试切失败。我们发现由于刀具刚性及机床刚性方面的原因，极易产生震纹，而产生的振纹又很难消除，为此我们反复试验进行了逐项排查。第一是稳定床身特性，我们加固床身并增加重量来增加工件的刚性和改变震动频率，结果震纹没有明显减少。第二是改变切削参数来使机床的震动频率避开工件的自身固有震动频率以此减少共振。我们发现通过不断改变切削速度的方法（切削速度选择的范围0.5-2米/分），可以有效地减少切屑振纹。并探索出0.7m/分的最佳切削速度和0.015的最佳切削深度（该数据仅适合于特定机床）。第三是仔细分析了整个加工过程发现在刨削V导轨时刀具刚性不够的原因是刀柄伸出较长，这样在加工时刀具处于悬空状态，刀具系统刚性就大大降低，加工时极易产生振纹。我们决定通过增加刀具的刚性来减少震动，考虑到重新做刀排时间稍长，就决定在原先刀排上焊接加固块以此来增加刀具的刚性，焊接刀具如图4、5，但是试验后结果效果还是不明显。另外由于刀架的活动部分有间隙，为了提高刀架的刚性在间隙部分加了垫片，所以引起刀架旋转使后角变小，由于后角的变小使刀具后刀面对已加工面产生比原来更大的挤压力，这样在机床运行的过程中产生了振纹，我们决定将后角由原来的2°改为3°，以减少挤压消除其振纹（见图6）。endprint

同时我们继续查阅刀具设计的资料，了解到刀片靠山面（及安装刀片的面）到刀柄的安装中心的距离对刀具加工时产生振纹影响也很大，一般选择45-55mm，这样的刀具结构在加工时刀的震动较小（而原来设计的刀排此尺寸大约为84mm）。我们继续对刨刀的受力进行分析见下图7，将F合力分解为F1、F2两分力，F1是指刨刀切削时在垂直于刀片安装面受到的力，它的大小影响着刀柄受力的大小，F1=F合力×Cos15°，可见度数越大，F1也就越小，刀柄受力也减少，因此我将刀排上的安装刀片的斜面将原来的10°改为15°。最后重新设计了平、V导轨精刨代刮刀排（下图8、9）。

经过实际使用证明，刀具系统结合良好，紧固稳定，切削时排削顺畅。床身加工后在全长10.780m上直线度为0.025，满足了设计要求。

3.3 刀具刃磨也很关键。参数确定后，按刀具设计要求其粗糙度为Ra0.1、直线度0.003，但我们公司刃磨刀具的精密磨床所用金刚砂轮无法进行修整，刀具刃磨的粗糙度仅为Ra0.4左右、直线度在0.01，用这种刀进行精刨代刮，加工出工件的粗糙度仅为Ra2.8左右（该数据已经试验证实），平面度也不符合要求。为此经与有关方面联系后，该刀具在无锡微研有限公司进行刃磨，基本达到图纸对刀具粗糙度的Ra0.1和直线度0.003要求，用这种刀具进行精刨代刮，工件粗糙度达Ra1.45，平面度也达到刮12点的接触度要求，完全符合工件图纸要求。

3.4 设计了专用冷却和润滑油箱，用火油进行滴流冷却和润滑，效果比较理想。

4 结论

经过对过去经验的总结和对现存问题的一些改进，最终精刨代刮1001/MK8450X40床身的精度在10780mm上的直线度为0.03、粗糙度为Ra1.45、平面度达到铲刮12点的设计要求，在现场装配和机床的试件切削过程中零件都能满足功能要求，这也证明此工艺的可行性。

参考文献：

[1]赵勇.WS250轧辊磨床的床身调整与精度评价[J].中国设备工程，2001（12）.

[2]常喜彦，蒋云峰，郭爱亮.大型床身铸件裂纹缺陷的产生和预防[J].金属加工（热加工），2009（05）.

[3]邹杰.床身精度对轧辊磨削的影响[J].酒钢科技，2011（02）.

[4]马丽飞，向新强.振动时效技术在床身类铸件上的应用[J].金属加工（热加工），2011（17）.

[5]李郝林，杨云梅.基于案例推理的数控轧辊磨床故障诊断系统的设计[J].工具技术，2010（12）.

[6]黄海涛，康征，张雪萍，胡俊.重型轧辊磨床变形预测与控制[J].机械设计与研究，2010（05）.

[7]刘金朋，张会涛，孙跃锋.轧辊磨床技术特点探析[J].有色金属加工，2013（06）.

[8]姚兵，范洪远，王仁俊.轧辊磨床砂轮主轴部件的改造[J].机械工程师，2003（02）.endprint

同时我们继续查阅刀具设计的资料，了解到刀片靠山面（及安装刀片的面）到刀柄的安装中心的距离对刀具加工时产生振纹影响也很大，一般选择45-55mm，这样的刀具结构在加工时刀的震动较小（而原来设计的刀排此尺寸大约为84mm）。我们继续对刨刀的受力进行分析见下图7，将F合力分解为F1、F2两分力，F1是指刨刀切削时在垂直于刀片安装面受到的力，它的大小影响着刀柄受力的大小，F1=F合力×Cos15°，可见度数越大，F1也就越小，刀柄受力也减少，因此我将刀排上的安装刀片的斜面将原来的10°改为15°。最后重新设计了平、V导轨精刨代刮刀排（下图8、9）。

经过实际使用证明，刀具系统结合良好，紧固稳定，切削时排削顺畅。床身加工后在全长10.780m上直线度为0.025，满足了设计要求。

3.3 刀具刃磨也很关键。参数确定后，按刀具设计要求其粗糙度为Ra0.1、直线度0.003，但我们公司刃磨刀具的精密磨床所用金刚砂轮无法进行修整，刀具刃磨的粗糙度仅为Ra0.4左右、直线度在0.01，用这种刀进行精刨代刮，加工出工件的粗糙度仅为Ra2.8左右（该数据已经试验证实），平面度也不符合要求。为此经与有关方面联系后，该刀具在无锡微研有限公司进行刃磨，基本达到图纸对刀具粗糙度的Ra0.1和直线度0.003要求，用这种刀具进行精刨代刮，工件粗糙度达Ra1.45，平面度也达到刮12点的接触度要求，完全符合工件图纸要求。

3.4 设计了专用冷却和润滑油箱，用火油进行滴流冷却和润滑，效果比较理想。

4 结论

经过对过去经验的总结和对现存问题的一些改进，最终精刨代刮1001/MK8450X40床身的精度在10780mm上的直线度为0.03、粗糙度为Ra1.45、平面度达到铲刮12点的设计要求，在现场装配和机床的试件切削过程中零件都能满足功能要求，这也证明此工艺的可行性。

参考文献：

[1]赵勇.WS250轧辊磨床的床身调整与精度评价[J].中国设备工程，2001（12）.

[2]常喜彦，蒋云峰，郭爱亮.大型床身铸件裂纹缺陷的产生和预防[J].金属加工（热加工），2009（05）.

[3]邹杰.床身精度对轧辊磨削的影响[J].酒钢科技，2011（02）.

[4]马丽飞，向新强.振动时效技术在床身类铸件上的应用[J].金属加工（热加工），2011（17）.

[5]李郝林，杨云梅.基于案例推理的数控轧辊磨床故障诊断系统的设计[J].工具技术，2010（12）.

[6]黄海涛，康征，张雪萍，胡俊.重型轧辊磨床变形预测与控制[J].机械设计与研究，2010（05）.

[7]刘金朋，张会涛，孙跃锋.轧辊磨床技术特点探析[J].有色金属加工，2013（06）.

[8]姚兵，范洪远，王仁俊.轧辊磨床砂轮主轴部件的改造[J].机械工程师，2003（02）.endprint

同时我们继续查阅刀具设计的资料，了解到刀片靠山面（及安装刀片的面）到刀柄的安装中心的距离对刀具加工时产生振纹影响也很大，一般选择45-55mm，这样的刀具结构在加工时刀的震动较小（而原来设计的刀排此尺寸大约为84mm）。我们继续对刨刀的受力进行分析见下图7，将F合力分解为F1、F2两分力，F1是指刨刀切削时在垂直于刀片安装面受到的力，它的大小影响着刀柄受力的大小，F1=F合力×Cos15°，可见度数越大，F1也就越小，刀柄受力也减少，因此我将刀排上的安装刀片的斜面将原来的10°改为15°。最后重新设计了平、V导轨精刨代刮刀排（下图8、9）。

经过实际使用证明，刀具系统结合良好，紧固稳定，切削时排削顺畅。床身加工后在全长10.780m上直线度为0.025，满足了设计要求。

3.3 刀具刃磨也很关键。参数确定后，按刀具设计要求其粗糙度为Ra0.1、直线度0.003，但我们公司刃磨刀具的精密磨床所用金刚砂轮无法进行修整，刀具刃磨的粗糙度仅为Ra0.4左右、直线度在0.01，用这种刀进行精刨代刮，加工出工件的粗糙度仅为Ra2.8左右（该数据已经试验证实），平面度也不符合要求。为此经与有关方面联系后，该刀具在无锡微研有限公司进行刃磨，基本达到图纸对刀具粗糙度的Ra0.1和直线度0.003要求，用这种刀具进行精刨代刮，工件粗糙度达Ra1.45，平面度也达到刮12点的接触度要求，完全符合工件图纸要求。

3.4 设计了专用冷却和润滑油箱，用火油进行滴流冷却和润滑，效果比较理想。

4 结论

经过对过去经验的总结和对现存问题的一些改进，最终精刨代刮1001/MK8450X40床身的精度在10780mm上的直线度为0.03、粗糙度为Ra1.45、平面度达到铲刮12点的设计要求，在现场装配和机床的试件切削过程中零件都能满足功能要求，这也证明此工艺的可行性。

参考文献：

[1]赵勇.WS250轧辊磨床的床身调整与精度评价[J].中国设备工程，2001（12）.

[2]常喜彦，蒋云峰，郭爱亮.大型床身铸件裂纹缺陷的产生和预防[J].金属加工（热加工），2009（05）.

[3]邹杰.床身精度对轧辊磨削的影响[J].酒钢科技，2011（02）.

[4]马丽飞，向新强.振动时效技术在床身类铸件上的应用[J].金属加工（热加工），2011（17）.

[5]李郝林，杨云梅.基于案例推理的数控轧辊磨床故障诊断系统的设计[J].工具技术，2010（12）.

[6]黄海涛，康征，张雪萍，胡俊.重型轧辊磨床变形预测与控制[J].机械设计与研究，2010（05）.

[7]刘金朋，张会涛，孙跃锋.轧辊磨床技术特点探析[J].有色金属加工，2013（06）.

[8]姚兵，范洪远，王仁俊.轧辊磨床砂轮主轴部件的改造[J].机械工程师，2003（02）.endprint