二十辊轧机机架镗床镗削头结构设计

③齐齐哈尔雷昂重工机械制造有限责任公司，黑龙江齐齐哈尔161000)摘要:二十辐轧机的整体机架孔系复杂、加工深度长,要求精度高，需要采用专用的加工设备来完成孔系的

加工。为此，针对整体机架孔系的特点,设计了一款二十棍轧机机架趙床锤削头，成功解决了非整圆 深孔孔系加工中容易出现的孔径大小超差、孔系直线度及平行度超差、内孔粗糙度低及孔系整体加

工精度不稳定等问题。关键词:二十辐轧机;深孔加工;锂头中图分类号:TG502.31 文献标识码:A

DOI： 10.19287/j. cnki. 1005-2402.2020.03. 011Structural design of boring head for 20-roll-mill boring machineZHANG Wenwu®®®, QIAN Lin®®, HAN Liang①,QU Bo②(①Yingkou Institute of Technology, Yingkou 115000, CHN;②Qiqihar University, Qiqihar 161000, CHN;③ Leiang Heavy Industry Machinery Manufacturing Co., Ltd. ?Qiqihar 161000, CHN)Abstract: The holes of the whole stand of the 20-high mill are complex, the processing depth is long and the preci­

sion is high. It is necessary to use special processing equipment to complete the holes processing.In view

of the characteristics of holes in the whole stand, a boring head for the frame boring machine of 20-high

rolling mill is designed.lt successfully solves the problems of excessive hole size, excessive hole linearity and parallelism, low inner hole roughness and unstable hole system processing accuracy, which are easy

to occur in the processing of non-circular deep hole system.Keywords: 20-roll-mill ； deep hole processing ； boring head多辐轧制技术主要用于高强度钢和精密合金的冷

十辐轧机和森德威四柱式二十辐轧机提供，约占二十

轧薄板和薄带钢轧制,在薄板带的生产中占有特殊的 辐轧机市场份额的90%左右。森吉米尔二十辐轧机的高刚度特性很大一部分得 益于整体式机架结构。整体式机架重量约占整个轧机 重量的60%以上，它的刚度直接影响工件轧制的精

地位。几乎所有的不锈钢薄板都是由多辐轧机生产 的。多辐轧制技术也用于电工钢板、超硬金属、铝合

金、铜合金等薄带及稀有金属、双金属、贵金属的生产

[1]O度,它不但承担了轧制生产工作时的全部载荷,而且是

多辐轧机中二十辐轧机由于其刚性大、工件轧制

轧制辐及其他重要零件的装配基体，整体机架的强度

精度高的特点，是目前世界上不锈钢冷轧的主力机型。 对于不锈钢精密板材轧制生产,二十辐轧机工作辐数

决定了轧钢机的工作寿命。整体式机架结构虽然具有较高的刚度，但整体式 机架孔系形状复杂，加工难度大，采用通过设备加工难

量多且直径小，上、下呈塔型布局，可以约束工作辐两 个受力方向的挠曲变形,轧制力可以通过工作辐系、轴

以保证图纸精度要求。整体式机架孔系形状如图1所

瓦均匀分散地作用在整机机架体上，具有较高的抗变 示，孔系由对称分布的8个半圆孔组成，形状类似于梅 花花瓣。从图1中参数可以得到以下信息,8个梅花 孔尺寸为 R177.8+0.025 mm,孔距为 400.05±0.05 mm、

形能力。能够满足不锈钢精密带钢产品对性能、色泽、

板面及板型等特殊要求⑵，是迄今为止生产冷轧精密 不锈带钢轧制设备的最好选择。149.225±0.05 mm,孔深1 706 mm,8个孔的形位公差

目前,世界高精度二十辐轧机主要由森吉米尔二 平行度要求0.025 mm,孔系尺寸特点为长径比值大,542020年第3期属于非整圆深孔镇削范畴,且孔径尺寸公差小O1.0出 S0.06.SIZ .0S00.000-H6.TZ

a2440图］森吉米尔二十辐轧机机架1通用设备加工二十车昆轧机机架孔系存在的

问题分析采用数控龙门镇铳床或数控落地镇铳床等通用设

备加工机架孔系，容易产生最终精度超差。产生精度 不可控的原因主要有三个方面:首先,采用数控龙门镇

铳床或者数控落地镇铳床加工机架孔系时,均采用方 滑枕镇铳加工⑶。随着孔系加工深度的增加,滑枕伸

出量会越长，同时滑枕刚度变弱，在滑枕自重引力及镇 削力的双力作用下，在滑枕变形量逐渐变大,容易导致

孔系直线度超差;其次，由于机架孔系数量多,采用单 孔加工方式,需要多次连续加工完成,期间受到机床定

位精度及操作人员操作影响，只要8个孔中有任意一 孔精度超差或者加工操作失误,将导致整个工件精度 达不到图纸设计要求,而影响整机使用性能;再次，机 架孔系8个孔均为半圆孔，镇铳孔时，刀具双刃刀头每

转一圈就经历两次断续镇削,通用设备没有相应减振

措施,经常造成刀片损坏及粗糙度超差现象，同时由于 刀片的损坏,对孔径的精度也会产生一定影响⑷。目前，根据国内公开报道，中国第二重型机械集团

万信工程设备有限公司通过设计专用工装使用 TK6916-Q160 mm卧式落地数控铳镇床对森吉米尔二

十辐轧机机架孔系进行了加工，但工艺繁琐、耗时长, 且部分工装变形大，加工精度不稳定,其后需要研磨 处理⑸o2二十车昆轧机机架镇床专用设备方案二十辐轧机机架镇床针对通用设备加工孔系存在

Design and Research设计与研究的问题进行逐一分析解决。首先,运用“运动相对论”

原理,将滑枕“变刚度”镇铳转化为“等刚度”镇铳结

构，并合理设计滑枕截面,解决滑枕刚度弱问题，其结

构布局如图2所示;其次,设计八孔镇削头部件，使8 组镇头位置尺寸与机架孔系尺寸相同且位置公差小于

图纸参数要求，一次走刀同时完成8个孔的加工，既可 提高加工效率,又可保证加工孔系位置误差满足图纸

要求且相互位置误差数值一致；再次，八孔镇削头部件

设计相应的减振、抗振等优化结构，减少刀片损坏频

次,提高加工孔系表面粗糙度。图2长镇杆与工件的运动示意回3二十辐轧机机架镇床镇头部件结构设计3.1镇头部件的传动结构设计经过机架孔系的设计图纸数据分析，在图3阴

影所示机架孔系中，上、下部分相邻的孔径加工轨迹

圆存在交错重叠，相邻加工刀具不可以独立相互旋 转,否则将产生严重的刀具交错干涉打刀事故,八孔

加工刀具需要按“一定角度”同步旋转，因此镇头部

件主传动采用集中传动结构设计，镇头部件传动结 构采用“一四八”式结构布局，即主传动通过中心齿 轮与中间位置4个齿轮啮合传动，同时中间4个齿 轮带动外部8个镇刀杆轴齿轮旋转，实现8把镇刀

的同步旋转切削工作。“一四八”式结构布局一共有两种传动形式，如图

・55・Design and Research4所示。两种传动结构的区别在于中间传动的四个齿

轮的布局位置上。图4&在传动结构上呈现上、下及 左、右式对称排布布局；图4b在传动结构上呈现对角

式对称排布结构布局。以上两种布局哪一种更加合理 呢？从尺寸结构上分析，图滋中中间4个传动齿轮由 于啮合中心距不完全相同，需要两种齿数的齿轮；图

4b中间四个传动齿轮由于啮合中心距完全相同，只需 要一种齿数的齿轮。因此在传动齿轮种类数量上，图 4b所需齿轮的种类少,优于图4肌 但图4a镇头传动

结构被采用，图缶结构的镇削加工时性能更好，将在

后面的内容中进行分析说明。(a)上下左右对称排布

(b)对角式对称排布图4镇头部件传动结构3.2铿头部件的刀具角度排布设计根据图3机架孔系干涉位置，上、下部分相邻的孔 径加工轨迹圆存在交错重叠，八孔加工刀具需要按 “一定角度”同步旋转，如何优化排布刀具位置非常关

键。在深入分析机架体工件的特点,在刀具排布时，应 使加工振动最小、刀具切削相互影响最小且必须有所

有刀具具有同时不在加工位置的状态，以保证退刀时 免划伤已加工完成内孔表面。机架体孔系“梅花孔”为上下对称结构，因此取上

部四孔相邻孔系进行刀柄干涉查找，如图5所示。最

后汇总到图6,图中阴影部分即为干涉区域。由于机架孔系的“梅花孔”均为非整圆孔,现根据 图6每个刀柄的干涉角度及圆弧切削角度按照圆周周 长展开长度绘制成“条状图形”并汇集在一起,在整个 360。圆周内进行排布，镇削头架的轮系的传动速比为562020年第3期“1”，镇刀杆轴齿轮为29齿。齿轮每转过一齿，刀具 转过角度为12.414。。根据必须所有刀具有同时不在

加工位置的状态的原则,假设第一把刀具刚刚要进入 切削状态,第四把刀具刚刚脱离切削状态以及同时切 削加工的刀具数量最少原则,可得到刀具的相差齿数 136.17°/12.414° = 10.96齿，初步取刀具间隔3齿，即

12.414°x3 = 37.24。,则剩余24.45。用于刀具退刀使用,

如图6所示。第一把刀处巧刚切削状為/ ”6526图6刀具排布干涉图进一步分析各刀具按照圆周周长展开长度绘制成

“条状图形”刀具位置优化排布图7,以第一把刀与第 二刀为例,在整个360。周期内，只要第一把刀具干涉

角度“6.5。+ 57.9。+ 10。”段与第二把刀具干涉角度 “6.5。+57.9。+ 10。”段在横轴不重叠，就不会发生干涉

情况,但分析发现,为保证整个360°周期内必须有四 把刀同时不参加切削段,第一把刀必须与第二把有加 工重叠区域，即有一段时刻，两把刀同时参加镇削时

刻，如果采用图4b,第一把刀与第二把同时采用一个 齿轮传动，就会在加工过程中相互影响。因此最后的 方案放弃了图4b的角度对称排布结构。采用图4a传动方案,就要求第二把刀具与第三把

刀具避免存在重叠加工区域,且不相互干涉，根据位置

排布，如图7所示存在理想段区域，为方便安装调试,

取相差86.79。位置，即整数7齿差(7 x 12.414°二

86.79°)，第一把刀具与第二把刀具及第三把刀具与第 四把刀具各为1齿差(12.414°)；图7中各刀具位置角 度差为刀具间齿差角度与机架各孔与第一孔位置角位 置差之和。分析图7刀具位置优化排布图可以看到，即使一 次完成8孔加工，但实际同时参与切削的刀具最多为 4把刀具。进一步对4把同时参与切削刀具进行位置

优化如图8所示,使孔系上侧刀具与下侧刀具绕中心

对角排列。以第1把刀具与第5把刀具为例分析，同

时对称切削加工，作用力相互抵消，将半圆加工转变为

“整圆加工”，避免了半圆切削力无法抵消的影响，有 效地提高了刀具的寿命及加工孔径的尺寸精度。2°2°年第3期____________________________________________________________________________Design end Research 设计用研究0。10° 30° 50° 70° 90° 110° 130° 150° 170° 190° 210° 230° 250° 270° 290° 310° 330° 350°20° 40。60。80° 100° 120° 140° 160° 180° 200° 220° 240° 260° 280° 300° 320° 340° 360°第四把刀与第三把刀相差角度12.4隔即-齿100 卿24.45°

退刀预留图7刀具位置优化排布图头结构。该镇头部件有八个镇刀组成，通过优化排

布，确定了合理的“一四八式”的集中传动结构，并对 刀具的角度进行优化，使加工时产生的切削力及振

动达到最小。参考文献[1] 霍晓阳.轧制技术基础[J].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2013.[2] 王清洁.冷轧不锈钢BA板森吉米尔二十辐轧机的技术开发[J].工

业加热,2013,42(3) ：56-58.[3] 李东.轧机机架的数控加工及程序设计[J].重型机械科技,2002(2) ：37-3&[4] 钱琳,张文武.二十辐轧机机架僮床研制[J].科学技术创新,2017

(28) ：23-25.[5] 陈骁.机架梅花孔精加工工艺方案[J].中国重型装备，2015(1) ：27

-29.图8最终优化刀具位置图[6 ]钱琳,王世刚,曲波.二十辐轧机机架孔专用卷床加工方法[J].制造

技术与机床,2016( 1) ：83-85.4结语二十辐轧机机架锂床镇头结构设计时，通过对

第一作者：张文武，男,1982年生，硕士，副教授，

高级工程师，研究方向为机床技术。通用加工设备加工容易产生的孔径大小超差、孔系 直线度及平行度超差、内孔粗糙度低及孔系整体加

(编辑谭弘颖)(收稿日期：2019-01-30)文章编号,20200314如果您想发表对本文的看法，请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。工精度不稳定等问题进行分析总结，设计了八孔镇

•知识窗•金属学(science of meal; physical metallurgy)研究金属和合金的成分、组织、结构以及它们和性能之间关系的一门科学。组织是

指低倍组织、显微组织和断口组织，结构是指相中原子的分布规律。金属学是发展金属材料和指导金属加工工艺的理论，是由金相 学、物理化学和材料力学等学科相结合而发展起来的一门独立科学。亦称为物理冶金学。金刚车削(turning with diamond tool)用金刚石或硬质合金刀具以每分钟几百米的切削速度和小吃刀深度(0.05-0.3 mm)小进

给量(0.01-0.05 mm/r)在金刚车床或高刚度、高精度的普通车床上进行的切削。又称为细车。主要用于加工有色金属材料的工 件。可以达到较高的尺寸精度(IT6-5级)和高的光洁度(V8~ V 10)。金刚砂(carborundum；emery)用电炉熔化焦炭和砂制备的一种人工结晶材料。磨碎后，可作研磨粉和制作砂纸以及砂轮和油

石用。也可做为半导体，其最大操作温度为1 300 t，用于无线电波检测。57