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替代进口的国产数控精密剪刃成形磨床 |
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作者：杭州机床集团公司 金凤芳 |
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近年来，中国的钢铁工业发展迅速，不仅成为世界上钢铁产量最大的国家，而且在钢材的品种和品质方面也有非常大的发展。在钢板生产中，钢铁企业需要大量地用来切削各种钢板的刀片。因此，必须采用一种高效的专门设备——数控剪刃成形磨床来制造和修磨钢板轧机的剪刃，对钢厂热轧钢板和冷轧宽厚板剪机上的切头剪、双边剪、定尺剪和试样剪等多种剪刃的刀背曲面和平面进行修磨。这些型面形状复杂、精度要求高，规格长度大，目前要求可承接最大剪刃长度为6000mm的平面和圆弧曲面磨削。
国内钢企长期依赖进口
长期以来，国内钢铁企业主要依靠进口的刀片磨机床对剪刃进行磨削加工，最著名的是德国的Reform公司和Goeckel公司的刀片磨来实现剪刃的刀背曲面的磨削加工。这两家公司都是德国老牌机床制造企业，有100多年的历史，刀片磨都采用磨头移动式结构，工作台不进行纵向移动，这种结构可确保在很长和很宽的磨削范围里达到较高的磨削精度，同时由于机床工作台不运动，占地面积很小，机床结构相对简单而维护费用较低。这种刀片磨的加工范围较大，Reform公司磨削宽度达到120-1200mm，磨削长度1000-20000mm，磨头电机功率7.5-300kW，机床有双磨头或附加磨削附件。Reform公司中文名为锐锋机床公司，近几年中国朝阳博文机床公司（前身为朝阳机床厂）与锐锋机床公司建立了长期合作关系，由博文公司代理其曲线长刀片专用磨床。
配对剪刃的刀背曲面和平面
Goeckel公司则有立式长工作台平磨，磨头功率从2kW-350kW，磨削长度1200-15,000mm，磨削宽度可达1300mm；卧式长工作台平面磨和曲面磨的磨头功率从10kW-60kW，磨削长度900-16,000mm，磨削宽度可达1000mm。机床可以采用二个固定工作台，如使用左右二个工作台同时进行磨削和工件装夹，可以避免由于工件上下料时的停机。以上刀片磨广泛应用在木材加工、造纸工业、钢铁以及食品工业中。同类刀片磨在国内虽然也有制造，有代表性的是江西第三机床厂承担批量制造的任务，产品多用在木材加工等行业。几年前，我们也曾试制过磨头纵向移动刀片磨，虽也出了产品，但考虑到机床巿场等因素而没有投入批量制造。
因此，就纵向磨头移动式的刀片磨而言，无论在规格、加工精度、控制等方面与国外机床相比都存在一定差距。迄今，在国内的钢铁行业未见使用国产刀片磨对剪刃进行加工。
近年来，国内的天津磨床厂、山东临清磨床厂等相继开发了一些工作台移动结构的剪刃磨床，在钢铁行业逐渐得到推广应用，满足了一部分规格较小的剪刃磨削需要。在机床的型面轮廓精度及效率等方面与国外产品相比均存在一定差距，难以与国外的磨床产品抗衡。
因此，钢铁行业普遍希望国内机床行业能制造精密数控剪刃成形磨床，特别是加工长度达到6米的精密数控剪刃成形磨床，以满足他们加工剪刃刀片的需要。为此，近几年来宝钢、鞍钢、莱钢等国内重点钢铁生产企业多次在全国招标，对剪刃磨削设备的效率、精度、型面质量、性能指标均提出较高的要求。
国产机床显风采
为了满足钢铁行业高端用户的需要，杭州机床集团决定尽快研制高档的数控精密剪刃成形磨床，以替代国外进口机床。自2006年以来，为马鞍山钢铁公司等钢企设计制造了许多不同规格和结构的数控剪刃磨，形成了自己的技术特色和优势。自主创新开发研制的MKC7150×60系列型数控精密成形剪刃磨床就是为适应钢铁企业近年来规模发展的巿场需要，针对宝钢、鞍钢、莱钢等各大钢厂工程扩建项目所需，配套的一类CNC数控成形剪刃磨床。在该系列设备上加工出来的各类剪刃，其精度完全达到国外图纸的要求，机床可以代替进口设备，为用户节约大数额设备购置费用，深受钢铁行业用户欢迎。
杭机自主开发的MKL7132X25
该系列机床主要适用于钢厂热轧钢板和冷轧宽厚板剪机上的切头剪、双边剪、定尺剪和试样剪等多种剪刃的刀背曲面和平面修磨。可承接最大剪刃长度为6000mm的平面和圆弧曲面磨削，亦可用作其它多种复杂曲面及一些难磨材料零件的平面磨削，机床具有磨削成形精度高，型面表面质量好，磨削效率高等特点，实现了机电一体化。
该系列机床主要技术特点有：
（1）采用成熟的工作台往复运动结构
与国外刀片磨不同，机床采用了成熟的工作台往复运动的平面磨床结构，而且采用了快速往复式成形磨削新工艺。这种工艺不同于一般的强力缓进给成形磨削工艺，它适用于纵向型面较长的曲面的成形磨削，磨削效率高于强力缓进给成形磨削。针对机床长度较大的特点，机床床身及纵向直线滚动导轨均采用三段精密拼接的先进工艺技术，以此来保证大型床身导轨的几何精度和纵向运动精度。
（2）具有自主知识产权的滚珠丝杠双柔性辅助支撑系统
机床的主要传动部件——纵向6m细长高速滚珠丝杠副的直线度问题（即挠度问题）成了高速滚珠丝杠在该设备应用中的瓶颈问题。
滚珠丝杠双柔性辅助支撑结构示意图
增大丝杠直径及加大装配时的预紧力固然能解决丝杠的挠度及在运转过程中所产生的颤动问题，但随之带来的是增大丝杠直径必然会使丝杠的转动惯量急剧变大，以致无法与驱动电机及减速器相匹配；加大装配预紧力又将会降低丝杠副及丝杠两端精密轴承的使用寿命，其运动精度也将受到严重影响。为解决以上问题，经过一系列的理论计算及可行性探讨，自主创新研究开发了一套集机电液于一体的滚珠丝杠双柔性辅助支撑系统，该辅助支撑主要使用于细长丝杠的在线支撑，采用弹簧柔性支撑液压快速驱动支撑座向下运动以使往复运动的螺母顺利通过的形式。其功能是减小细长丝杠挠度，保证机床工作状态时的动态精度，提高丝杠的使用寿命。该单元技术的成功研发既弥补了国际同类结构的缺陷，也填补了国内空白。
目前 “一种长丝杠液压式柔性支承装置”已获国家发明专利和实用新型专利技术（专利号分别为CN200810062456.5和ZL2008 2 0088733.5）。
（3）正弦式回转磁性工作台结构
机床采用了多块拼接的正弦式回转磁性工作台结构，其回转工作台由三块磁性吸盘联结于一体，左右为二端支撑中间设有辅助支撑及辅助锁紧装置，安放在磁性工作台上经磁性固定后的工件，可轻松转动左边回转分度盘，通过各高精度联轴结构将三块矩型磁性工作台同轴旋转到所需角度后锁紧分度盘即可，使安放在磁性工作台上的工件曲面与砂轮轴线保持平行，来完成与水平成任意角度曲面的磨削，实现同一工件的一次夹紧多曲面磨削效果。
该功能部件的成功设计大大缩短了对同一工件的多个曲面磨削的工作节拍，有效提高了工作效率，适合于批量生产。
（4）复杂曲面磨削方案
针对含有各种复杂曲面（包括椭圆曲面）的剪刃磨削工艺，是自动磨削程序的编制技术关键，其特点是根据刀片刃口形状，计算出每个曲面的近似圆弧半径，通过数控系统的二轴联动来实现刀背圆柱曲面的磨削，用同样的方法磨削出其他刃口曲面。采用近似大圆弧方法来实现对椭圆面的磨削，可大大降低磨削程序编制的复杂程度及加工难度，又降低了加工成本，经考核所磨刀片各刀背曲面与实际尺寸误差甚小，保证了配对剪刃的啮合精度。
（5）机床应用先进的数控技术，实现全自动加工
机床的自动砂轮修整、自动补偿、自动快速趋近、程序磨削以及自诊断功能，保证了高效全自动磨削。采用过渡圆弧插补和轨迹误差补偿技术，有效控制和消除了工件纵向曲面磨削中所产生的波纹，使工件具有较高的型面质量。控制系统安全防护除具有带失磁检测保护功能和断电保护功能外，还具有在磨削中出现意外断电时砂轮轴自动退刀功能，使机床具有较高的安全性，该系列机床根据用户需求，采用西门子840D或802DSL多轴数控系统，能对机床的三个直线轴，即X轴：工作台纵向运动；Y轴：磨头垂直进给运动；Z轴：磨头横向移动，进行单独控制或任意二轴的联动控制，实现对工件的自动磨削循环，自动补偿砂轮的修整量。砂轮恒线速控制。
X、Y、Z三向运动均由交流伺服电机——滚珠丝杠副传动系统完成。采用高精度直线滚动导轨副，在结构上完全保证了机床磨削时的动静态精度和刚性。磨头主轴结构紧凑，CNC控制砂轮以最佳恒线速度状态进行磨削加工，进口高精度成组角接触滚动球轴承作为主轴前后轴承，并预加负荷，保证装配后主轴径向和轴向精度≦0.003mm，保证了产品的精度磨削。机床工作台快速往复式运动和正弦式可回转磁性工作台结构，保证了产品的高效率磨削。
根据数控成形磨削的多轴任意二轴联动特征及用户提出的一些要求，机床选用相应的功能部件匹配。机床具有自动修整连续磨削功能，可自动完成对剪刃复杂曲面或平面的磨削，同时还可以作为大型平面磨床使用。正弦式可回转磁性工作台结构，实现工件一次装夹多型面磨削效果，提高了同一工件多曲面磨削的工作节拍，有利于批量加工。机床控制系统的安全防护除具有带失磁检测保护功能和断电保护功能外，还具有在磨削中出现意外断电时砂轮轴自动往案上退刀功能，具有较高的机床安全性。与德国机床的对比表
 前景广阔
MKC7150×60大型系列数控精密成形剪刃磨床，适用于大规格剪刃成形表面的精密磨削，设备各项技术指标均按精密卧轴矩台平面磨床标准要求加工制造。在结构上各进给机构均采用丝杠直联的形式，使设备各传动部件具有较高的动静态精度稳定性，同时也提高了设备的加工精度稳定性。
机床与国外产品相比具有技术优势，完全可替代进口数控刀片磨。精度、效率、机床价格等均优于进口设备。据目前对国内几家已从德国Reform公司或Goeckel公司引进的数控剪刃磨设备的了解，其主要规格参数与杭机集团MKC7150×60系列剪刃磨床比较对照表。
从表可见，由于结构上的原因，MKC7150×60系列数控剪刃磨床的精度大大优于进口刀片磨，机床的规格也较大，可以满足钢铁行业加工大规格剪刃的要求。机床的性价比优于进口机床，缺点是由于机床的工作台往复运动，机床的占地面积较大。
该系列机床的成功制造打破了发达国家对中国钢铁工业建设和发展所需重大装备的技术壁垒和封锁，实现重大技术装备国产化。据粗略估算，国内钢铁行业对数控精密剪刃成形磨床的年需求在30台以上，如果其中的60%在国内解决，就需要20台的批量，应用前景良好。
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(8/9/2011) |
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