辊磨大型关键件摇臂加工技术研究Manufacture Technology Research of Roller Mill Rocker

周　建，王道强，刘　春，张中明

辊磨大型关键件摇臂加工技术研究
Manufacture Technology Research of Roller Mill Rocker

周建，王道强，刘春，张中明

本文通过对辊磨大型关键件摇臂加工工艺过程进行深入研究，就摇臂毛坯划线测量、普通立车粗加工余量控制、数控镗铣床精加工过程中工装设计、装夹找正、刀具选择、效率提高、质量控制等几个方面技术进行了论述。指出了摇臂加工过程中的技术要点，分析了可能出现的问题，给出了相应的对策。在保证被加工件质量的前提下，充分发挥现有设备优势，优化刀具路径，优化切削三要素组合，与设备形成最佳匹配，实现了小流水线加工摇臂过程，生产效率显著提高，同时降低了生产成本，具有一定的推广价值。

辊磨摇臂；流水线；工装设计；偏心加工；切削三要素；新型刀具；涂层刀片

我公司是中材装备集团有限公司旗下的水泥装备生产企业，专业生产辊磨、篦冷机、辊压机等高科技新型干法水泥设备。目前公司拥有大型高、精、尖设备30余台，加工制造能力经过几十年的努力已经具有相当的规模，积累了大量的技术和经验。但随着市场需求的多样化，公司也面临着激烈的竞争和生产模式的改变。按订单设计、按订单制造、按订单装配，单件、小批量、多品种将成为公司今后发展的主要生产模式，同时客户要求产品质量高、价格低、交货周期短、服务好也迫使生产过程中一些大型关键件的生产控制变得尤为重要。辊磨摇臂的加工就是生产重点控制的大型关键件之一。我公司通过深入研究辊磨关键件摇臂的加工工艺（工艺路线选择、新刀具应用、切削用量优选等）技术，确定最合理的加工工艺方案，拟定最佳刀具路径，与设备形成最佳匹配，实现了小流水线加工摇臂过程。在保证被加工件质量的前提下，提高了加工效率，降低生产成本，缩短了辊磨的生产周期，解决了辊磨关键件摇臂的加工难题，使公司辊磨的生产能力上升了一个台阶。本文就影响辊磨摇臂加工精度的因素进行分析研究，介绍辊磨大型关键件摇臂的加工技术。

1　辊磨摇臂简介

1.1摇臂装置的结构

辊磨主要由转动磨盘和摇臂系统组成，其关键零件是用于施加压力的摇臂系统，摇臂系统主要由辊芯、辊套、磨辊轴、轴承、摇臂轴、上摇臂和下摇臂组成。其中上、下摇臂是辊磨的关键零件，也是摇臂系统中加工工艺技术含量最高的零件之一，铸件的质量、加工工艺路线的选择、新刀具的应用、切削用量优选都是影响摇臂生产周期的关键因素。

1.2摇臂的技术要求

辊磨是我公司的主打产品，TRM辊磨为天津水泥工业研究院有限公司设计的系列产品，规格有2m到6m等大小不同的型号，零件形状为不规则形状，全部采用ZG270-500材料，整铸毛坯。要求铸件毛坯不得有影响强度的铸造缺陷存在，其表面要求光滑平整，在机加工前要进行退火处理，圆角过渡处要求打磨平滑，质量符合JB/T5000.6（重型机械铸钢件通用技术条件）要求。采用数控镗铣床加工，粗加工后，平面要求进行超声波探伤，内孔要求进行着色检验。精加工后，要求进行全部尺寸及磁粉探伤检验，合格后进入待组装状态。毛坯加工余量单边约30～50mm左右，该件的重要尺寸控制点为轴孔及上、下摇臂配合处的尺寸和形位公差控制。

1.3摇臂的加工工艺路线流程

摇臂的加工工艺路线流程图如图1所示。

2　应用实例

下面以生产TRMS43.4辊磨上摇臂为例，介绍摇臂的加工工艺过程。上摇臂零件形状为圆筒形状和侧面长耳臂的结合体，分别装磨辊轴和摇臂轴，为不规则形状，其外形名义尺寸：2 120mm×1 800mm×1 000mm，重量8 295kg。

2.1上摇臂的加工要求

TRMS43.4辊磨上摇臂加工如图2所示，该件正、背面轴孔处为磨辊轴轴孔尺寸；立面轴孔处为摇臂轴轴孔尺寸；两轴孔轴心线夹角为90°，轴孔的尺寸公差、形位公差及光洁度要求均较高，是上摇臂加工过程中需重点控制的关键尺寸。上摇臂两侧面尺寸公差，上、下面平面度及侧面垂直度形位公差，锥销、锥套孔的尺寸公差等要求也较高。

图1　摇臂主体加工工艺路线图

图2　TRMS43.4辊磨上摇臂加工图

图3　端面铣床铣上摇臂端面图

图4　5m立车粗加工上摇臂正背面轴孔图

2.2小流水线加工摇臂的机床设备原先的摇臂加工是在数控镗铣床上从铸件毛坯粗镗开始直到精加工完成，做完全部工序，铸件毛坯冒口余量较大，数控镗铣床加工起来费时费力，加工过程中对于精密数控镗铣床来说易造成设备损坏，车间3台镗铣床的生产任务又特别重，而且摇臂加工过程中反复调整上下工件及工装，还有尺寸检验、超声波检查及磁粉探伤、摇臂缺陷处理等，加工周期较长，严重影响合同交货期。公司技术人员深入研究上摇臂的加工工艺，决定利用现有闲置的自制端面铣床、老5m立车、钻床等设备和原来的数控镗铣床一起组成了一个小流水线加工摇臂的工艺路线。端面铣床粗铣摇臂长耳端端面如图3所示，5m立车粗加工上摇臂正背面轴孔如图4所示，这里重点介绍数控镗铣床参数。

数控镗铣床设备的型号为：TKA6916/80×40，该机床设备的主要参数为：系统，西班牙8055M数控系统，西班牙伺服系统；镗轴直径/锥孔160mm/ISO50；铣轴端部直径320mm；滑枕截面尺寸，480mm×520 mm；立柱行程（X轴）8 000mm；主轴箱行程（Y轴）4 000mm；镗轴行程（Z轴），1 200mm；主轴转速（无级），2～1 000r/min；镗轴进给速度，1～3 000mm/min；主轴箱、立柱进给速度（无级），5～6 000mm/min；主轴中心至平台距离，560～4 560mm，机床外形尺寸（长×宽×高），15 000mm×4 215mm×8 350mm；设备加工范围，最适合加工形状复杂、加工精度要求高、具有复杂曲面或曲面轮廓的零件，能够加工具有难测量、难控制进给、难控制尺寸型腔的壳体或箱体型零件，也能够保证必须在一次装夹中完成铣、镗、铰孔或攻丝等多工序的零件。

2.3加工过程中工装设计

摇臂是形状复杂、尺寸精度高、重量大的不规则零件，分为上、下摇臂两种类型。摇臂投入机床加工前是一个没有基准的毛坯，这就给装卡找正带来很大的困难。特别是上摇臂，形状特殊、四周没有任何可作为基准及支承把合的部位，装卡找正更为困难。所以，解决好上摇臂的装卡找正问题，保证摇臂的加工位置和加工过程中工件稳定、不变形、振动小，是一项极其重要的技术工作。因此，需要设计制作一些辅助工装，以保证摇臂加工的技术要求。这里主要介绍立车粗加工上摇臂夹具设计及零件的装夹注意事项，端面铣床、钻床等工装较简单，装夹也较方便，不再详述。

以往的上摇臂粗加工之所以没有在立车上进行，是由于上摇臂与立车花盘之间的直接接触面积较小，工件在加工过程中的稳定性差。因此，设计合理、安全、有效的工装夹具是立车能够粗加工摇臂的保证，鉴于上摇臂的形状特点，我们在5m立车粗加工上摇臂工装夹具设计的过程中，总结了以下3条原则：

（l）由于摇臂的重量大，所以工装夹具必须有足够的强度。

（2）工装夹具的支承位置必须保证摇臂重心摆放稳定，上摇臂的各个被加工部位必须在机床的有效行程之内，摇臂伸出的长耳臂部分形成偏心，必须计算力矩，增加配重块。

（3）必须有足够的支承点以确保加工时摇臂不发生大的变形。把合位置牢靠，且要避免在加工时和刀架、刀具发生干涉。采取减振措施尽量减少加工中的振动，装卡灵活方便。

通过反复尝试，最终设计制造出一套立车粗加工摇臂工装夹具，如图5所示，使用效果良好。在工装使用及上摇臂装夹固定方面，除进行正常的螺栓、压板固定外，在上摇臂伸出的长耳臂偏心部分与工装夹具之间，通过连接板进行焊接，以加强摇臂的稳定性，保证工装夹具与上摇臂之间有良好的接触。

图5　5m立车粗加工上摇臂工装夹具图

３　摇臂加工过程控制

3.1编制合理工艺路线

摇臂加工是公司生产中的关键工序，原先的数控镗铣床加工工艺，通过技术人员不断的探索和尝试，利用现有闲置、老旧低精度的设备，如自制端面铣床、5m立车、钻床等设备组成局部小流水线进行摇臂加工，既发挥老设备的潜能，又解决高精尖设备的产能瓶颈问题。小流水线的加工工艺流程为：毛坯件平台划线—端面铣床铣长耳端端面—立车粗车正背面轴孔—数控镗铣床精镗—划线及钻床钻孔—镗铣床精镗摇臂组合。

立车粗加工摇臂不是加工路线中的最佳方案，只是由于我公司的设备产能不平衡，大型老旧、精度低的立车处于闲置状态，通过编制合理的加工工艺和设计制作稳定的加工工装，最终实现了上摇臂在立车上的粗加工。事实证明，立车粗加工上摇臂，效率较高，是镗铣床加工摇臂效率的3倍左右，综合加工成本也比镗铣床降低50%左右，既发挥了闲置设备的效能，降低了生产成本，又缩短了摇臂的生产周期。因此，合理利用这些老旧立车进行摇臂粗加工也是不错的选择。

小流水线加工摇臂过程中，对端面铣床进行了简单改造，原有的两个动力头，一个保持不动，另一个做了加高工装，形成上下两个铣头一起加工上摇臂端面的情景，既保证了上摇臂在立车粗加工轴孔时有一个平面基础，又解决了上摇臂长耳端干涉而无法车加工基础平面的问题，同时也提高了切削加工效率。老5m立车加工上摇臂辅助工装的成功设计应用，实现了形状不规则上摇臂在立车上车加工的可能性，攻克了摇臂加工过程中加工工艺的技术问题，也解决了公司镗铣床加工摇臂产能严重不足的难题。

3.2立车粗加工工艺

立车粗加工上摇臂工艺的难点在于工件的装夹和找正，上摇臂工件找正时，必须保证正背面轴孔线垂直及立面轴孔线水平，加工时的实际摆放位置是以装夹稳定且被加工部位必须全部在机床的行程之内为原则的，且要求调整到整个上摇臂各点的加工余量分布相对均匀的位置上。由于上摇臂在立车粗加工前除端面铣床铣加工的一个基础平面外，是没有任何基准的铸件毛坯，毛坯型面又是不规则的。因此，上摇臂在立车上找正是工件加工的难点之一。

我们采用的找正方法是工装夹具找正法，即把上摇臂放到工装夹具的固定位置，工装夹具放到机床的固定位置。这种方法的好处是一台套上摇臂粗加工时，只需首件找正、找准，后续的上摇臂再加工时，由于工件是粗加工，只要把摇臂在工装夹具上对应的位置一次装卡，再进行简单验证摇臂上样冲眼的相对位置是否重合即可，不必在装夹过程中反复调整。这样既可减少多次找正造成的失误，又大大减少了操作工的工作量。

工件找正后，还需要最终的装夹固定，选择合适的刀具、切削用量进行切削加工，粗加工后单边留5mm加工余量下件，检验后翻件上另一台立车加工摇臂背面轴孔，以加工好的面为基准，按上面相似的工艺方法找正、装夹后进行粗加工即可。

3.3数控镗铣床精加工工艺

数控镗铣床加工辊磨摇臂采用老工艺方法加工时，一旦有铸件质量问题，需要下件修补，形成反复上下工件和更换工装夹具，严重影响数控镗铣床的效率，加工周期过长。通过立车进行摇臂粗加工可以省去数控镗铣床加工时间，提高加工效率，压缩摇臂从铸件毛坯到产成品的生产周期。在小流水线加工摇臂的基础上，数控镗铣床又采用新型刀具、优选切削用量参数，优化数控编程工艺，解决了许多技术上的问题，而且在效率和质量上都有较大的突破。

3.3.1工件找正

上摇臂在数控镗铣床半精加工、精加工时，先要进行的工序是零件找正。上摇臂正、背面轴孔的加工位置及尺寸如图6所示，找正方法为：在数控镗铣床旋转工作台上用千斤顶支撑三点，用数控镗铣床以中心线A-A、B-B为基准线找正，找平毛坯外部轮廓；同时校正尺寸φ740mm、φ 565mm、φ530mm是否有加工余量；如果误差较多需重新借料找A-A、 B-B线；必须保证φ740mm、φ565mm的尺寸；根据A-A中心线，分别校正1 020mm、翻辊吊耳两侧面处上下加工线及φ200mm平面处1 060mm的加工尺寸线，以上各线找正完需做样冲标记。

图6　上摇臂正、背面轴孔加工图

图7　上摇臂立面轴孔加工图

上摇臂正、背面轴孔精加工完成后，需要把上摇臂立起来进行立面轴孔的精加工，上摇臂立面轴孔加工位置图如图7所示。找正方法为：在数控镗铣床旋转工作台上用千斤顶支撑三点，用数控镗铣床以A-A、B-B线和外部轮廓找正、找平毛坯，并用塞尺检验φ740mm处精加工平面与工作台平面之间无间隙；以R400mm尺寸找圆周中心线C-C、D-D，并检查相关尺寸，如果误差较多需重新借料划C-C、D-D线；平移1 260mm，找中心线F-F；以300mm尺寸找E-E圆周线；同时校正φ340mm加工尺寸；分别找1 260mm、925mm、300mm加工位置线。校正各孔镗加工线，如果余量不够须借料重新找正，以上各线找正完同样需做样冲标记。

3.3.2工件精加工

上摇臂加工无论是正、背面轴孔加工，还是立面轴孔加工，在半精加工后精加工前需要再一次复检找正的尺寸线，如精加工立面轴孔时，先按线找正，再次用塞尺检验φ740mm平面与工作台平面之间无间隙；找正凸台和φ565mm平面，铣凸台平面至尺寸；用百分表找正φ410mm、φ 385mm内孔，分别镗φ410mm、φ 385mm内孔至尺寸，孔口倒角。为保证φ410mm、φ385mm两孔的同轴度要求，两孔要求一次加工完成；移动镗床工作台，镗凸台上φ200mm内孔至尺寸φ190mm（留量待上、下摇臂组合后一起精镗），保证两孔中心距1 260mm；铣翻辊吊耳两侧面，两侧对称，镗φ130mm孔至尺寸；旋转工作台180°，用百分表找正φ410mm内孔，移动工作台铣凸台至尺寸，铣另一面凸台平面至尺寸，镗φ200mm内孔至尺寸φ190mm（留10mm量）。在机床上检验各处行位公差及尺寸公差后下件，将焊接支撑块打掉，并打磨干净。

以前半精镗加工TRMS43.4上摇臂时，主要用平旋盘加工各孔及面。先将工件放置在旋转工作平台上，找正夹紧工件，然后安装旋转平台，由于平旋盘较大，必须用行车吊起才能安装到机床上。此过程需2～3人配合完成，约用2h才能完成装夹工作。在加工过程中，平旋盘直径较大，机床主轴转速不能太快，从而导致在加工过程中切削三要素较低。在采用新型涂层刀具编程加工后，不仅辅助时间大大缩短，劳动强度降低，如装卸刀具，更换刀杆等一人即可操作，而且优选了切削用量三要素，实现了数控高效加工，产品质量和生产效率显著提高。例如，在加工上摇臂φ740mm～φ920mm之间深度60mm的端面台阶时，采用老工艺平旋盘普通刀具和新型PVD涂层刀具数控编程加工参数比较如表1所示。

表1数据为数控镗铣床加工上摇臂正、背面轴孔的端面台阶时，采用PVD涂层刀具、优选切削参数后和普通刀具的比较，优选后的切削参数为V=314m/min，f=720mm/min，ap= 2mm时，零件端面台阶的加工达到了较理想的状态，所用时间为老工艺普通刀具的41.9%左右，显著提高了加工上摇臂的生产效率。

在同样条件下，我们用这种参数连续试验了1台套4件上摇臂零件加工，均达到预期效果。在此基础上，尝试上摇臂零件其他尺寸的加工，也得到了满意的效果。原加工1件上摇臂零件，普通刀片平均需要更换十多次，现一片PVD涂层刀片可以连续加工1件上摇臂，机床运转正常。综合各方面的因素，用PVD涂层刀具、优选切削参数模式加工零件比普通模式加工工效提高1～2倍左右，在当前机床性能下，我公司已能有效保证摇臂零件加工的各项技术要求，缩短关键件摇臂的生产周期，取得较好的经济效益。

表1　 PVD涂层刀具优化切削参数后加工摇臂特例和普通刀具比较表

4　加工刀具与切削参数技术探讨

4.1刀具选择

随着技术的进步，供应厂家在开发高速切削刀具方面有了新的进展。目前，应用于高速切削加工的刀具材料主要有：硬质合金、涂层硬质合金（PVD/CVD）、陶瓷、立方氮化硼（CBN）、金属陶瓷（Cermet）和单晶金刚石、人造聚晶金刚石（PCD）等超硬度材料［1］。因此，选择质优价廉的刀具非常重要。

摇臂加工需要选择合适的刀具，在切削过程中，刀具的切削部分是在较大的切削力、较高的切削温度和剧烈的摩擦条件下工作的。刀具材料对刀具耐用度、加工效率、加工质量和加工成本影响极大。因此，应当重视刀具材料的正确选择和合理使用。

摇臂铸造材料通常都采用ZG270-500，由于工件形状复杂且超声波探伤要达到“GB7233-87，Ⅲ级”，一般铸造毛坯加工余量都较大，加工比较困难，为了保证加工的效率和质量，必须选择适合的刀具进行加工。从刀具的类型上，立车粗加工工序应选择硬质合金焊接刀具。这种刀具耐磨、抗冲击性能好，比较适合摇臂的粗加工。数控镗铣床精加工工序应选择能显著提高切削速度，具有高的耐磨性、抗氧化、耐腐蚀、抗粘结的刀具，在新型刀具的试用过程中，PVD涂层刀综合性能表现较好。涂层刀具既有基体的韧性，又有高硬度，使得切削速度大幅度提高，既提高了加工效率，又避免了切削过程中积屑瘤的生成，从而改善了加工质量，并延长了刀具的使用寿命［1］。

4.2切削用量参数选择

在选择新型刀具基础上，切削参数优选是目前提高零件加工效率的主要方向，优选一般是在半精加工及精加工领域进行，我们根据经验总结了优选的顺序。一般半精加工时，加工余量较大，因此应向增大方向优选出合适的背吃刀量，以便减少吃刀次数，其次优选进给速度，最后再优选切削速度。精加工时，加工余量较小，为了保证加工零件的精度和粗糙度，应向增大方向优选进给速度，其次优选切削速度，最后优选背吃刀量。由于加工零件的材料和选用刀具的材料不同，以及所用机床的刚性也不同，因此应根据具体情况合理优选切削用量。最新研究认为，在金属切削过程中，选择很高的切削速度，并不一定是提高加工效率的唯一方法，应重视在中等切削速度下的大进给量加工，即提高切除率［2］。因此，提高加工效率的方法是选择大进给量，适当大的背吃刀量，再选择尽量高的切削速度进行加工，就能达到高切除率，有效地实现切削参数的优化。

5　结语

辊磨关键件摇臂的加工是一项综合技术，并非简单地采取小型流水线、选用合适的刀具、提高切削速度就能顺利实现的，还包括工装夹具、人员、环境、设备维护等，这些因素对数控机床效率发挥也起到一定的作用，必须从工件加工基准选择、快捷定位装夹、工艺编程控制、刀套和刀具动平衡等各方面采取一系列合理、有效的措施，对其中的关键技术进行重点攻关与开发才能得以顺利实施。

［1］赵炳祯.刀具材料与高速切削［J］.机电信息，1997，（6）：28.

［2］蔡安江，郭师虹，董朝阳，郭宏伟.高效数控加工切削参数优化技术［J］.装备制造，2011，（3）：63.

TQ172.632.5

A

1001-6171（2015）05-0040-05

通讯地址：徐州中材装备重型机械有限公司，江苏徐州221131；2015-01-29；编辑：吕光