芯棒剥皮机旋风刀盘国产化

摘要  本文对宝钢钢管分公司芯棒剥皮机旋风刀盘的国产化制作要求以及各零部件的选材，精度要求，加工工艺要求进行了较详细的分析，为该旋风刀盘的国产化实施作了比较充分的技术准备。

关键词  芯棒剥皮机  旋风刀盘  国产化  锥齿轮

0  引言

    钢管公司芯棒加工区的芯棒剥皮机从投产至今已使用将近十四年，它是保证芯棒表面质量的重要设备。由于使用时间长，又没有相应的备件，刀盘中的许多相对运动零部件已经有很大的磨损，使用期间虽然曾经修复过，但其精度已大大降低。

    如购买进口备件，需要28万马克以上，价格昂贵，需要占用大量的备件资金。

    通过十多年的实际使用及维修保养，我们对刀盘的各项性能及其存在的问题、制造要求等已有较深入的了解。目前国内的设备情况也完全能够刀盘的制造要求。

    为了确保芯棒剥皮机的正常运转，必须尽快对其旋风刀盘进行国产化，这样，不仅能够更深入地掌握旋风刀盘的使用性能，降低故障率，而且还能节约大量的备件费用。

更深入地掌握旋风刀盘的使用性能，降低故障率，而且还能节约大量的备件费用。

1  国产化要求

    为了达到芯棒剥皮机对旋风刀盘的使用要求，完全替代进口的目的，在仔细研究芯棒剥皮加工工艺及加工要求的基础上，提出如下国产化目标和技术要求：

1） 国产化的刀盘能正常使用十年以上；

2） 在半年的考核期内不出现任何因制造质量而引起的零部件过度磨损、断裂、裂纹等异常失效现象；

3） 国产化刀盘的使用性能不低于原德国产刀盘的性能；

4） 在芯棒的加工过程中，不出现因刀盘的制造质量而引起的芯棒质量问题；

5） 刀盘径向跳动精度达到0.08mm以上；

6） 刀盘的径向跳动、各刀片安装后的同心度精度达到0.08mm以上。

2  旋风刀盘国产化的主要技术难点

    芯棒剥皮机旋风刀盘是芯棒剥皮机上最复杂最关键的部件，它的制造精度、寿命直接影响到芯棒剥皮加工的质量，进而影响到轧管质量。由于其结构既紧奏又复杂，其中运动部件多，且要求四根刀杆运动的一致性比较高，因而其中有许多难于加工的零部件，主要存在于以下几个方面：

2.1 刀盘体的直径较大，要求高，形状复杂。它是旋风刀盘在加工过程中，刀杆、刀具运动的基础部件，刀盘的旋转精度、刀片的运动精度以及各刀片的同心精度等均完全依赖于刀盘体的加工精度。其加工制作难度较大。需要从材料的选择、热处理以及机械加工等几个方面进行解决。拟选择优质合金钢，按Ⅲ级锻件进行热加工，在数控加工中心上分多道工序进行机械加工，以保证各定位槽及配合面的尺寸精度及形位精度；

2.2 太阳齿盘的加工是本项目的又一难点，其齿数为330，模数为2.5，而齿圈宽度只有31mm，厚度只有23mm，直径大、厚度小，又要求变形小，必须采用特殊的多道热处理及精加工工艺方能达到要求；

2.3 五个小锥齿轮由于圆锥角太小，也是本项目的难点之一，须采用专用工夹具进行加工；

2.4 四个刀杆及相应的零部件制作的一致性要求使得加工精度要求提高，需采用较高精度的机床进行加工。

3  旋风刀盘国产化工艺途径

    在芯棒剥皮机旋风刀盘国产化的技术准备阶段，对旋风刀盘的零部件逐一从设计结构，传动关系，尺寸链，精度误差，加工与装配工艺，测试手段，运转调试，材质（含选材）加工及防止材料变形等一系列的问题进行了理论计算和工艺研究。最后得出结论：如果选用合适的技术和加工工艺，完全有把握满足旋风刀盘以及芯棒剥皮机的技术要求。现将旋风刀盘若干关键技术及工艺问题分述如下：

3.1  齿盘、齿轴、操纵杆

    齿盘的作用是由操纵杆的转动，通过齿盘、齿轴、螺杆等一系列零件而使进刀滑块、刀头达到逆时针转为进刀，使芯棒加工直径趋小，顺时针使芯棒直径趋大。齿盘和齿轴的主要技术要求在于分度精度的控制，如果考虑分度累计总误差拟控制在FiΣ≤0.16毫米、fiΣ≤0.05，其他要求例如同轴度，齿厚、齿形选材及HRC20－26调质均可通过制订相应的加工工艺予以保证。齿盘的攻关重点首先是分度精度。

    根据传动结构，传动速度（可看作V＝0，）以手动操纵用力来分析：传动精度对刀盘的正常使用有着实质性的意义。若分度误差FiS≤0.16，梯形螺纹T48×3，齿轴锥齿Z＝15，模数m＝2.5等数据代入，则可得到传动至刀体进刀量误差为d＝ =  ＝0.0128mm。

    上述计算结果说明：只要控制住FiΣ不超过0.16毫米，对芯棒的剥皮加工误差为0.0128mm，刀具是作园周切削运动的，就可以保证旋风刀盘刃具径向跳动允差为0.08mm应是可行的。

    齿盘加工的困难在齿盘节径为330×2.5＝825(D₁)，齿数Z₁＝330，齿轴加工的困难在齿轴节径为 15×2.5＝37.5(D₂)，齿数 Z₂＝15，加工模数m＝2.5，节锥角分别为87°23¢51²及2°36¢9²，经多个厂家调研及查阅有关技术资料均不可能直接采用现有的刨齿机加工齿盘及齿轴，均认为无法加工齿盘和齿轴，已知的国内较大型锥齿轮刨齿机基本参数如下表，可作对照。

    曾设想改装加工厂家的刨齿机基本结构，但基于生产周期及费用等因素而很难实行，也考虑过局部改装机床，但需冒损坏机床精度的风险，这又是厂家所禁忌的。最后制定了如下方案经反复推敲论证后，认为是可行的，拟设计定制一套专用的斜面分度装置及专用的成型铣齿刀在万能的铣齿机上采用特殊加工工艺由高级技工，工艺工程师来完成齿盘齿轴的加工。这种工艺方案曾在航空喷气涡轮发动机的涡轮盘加工攻关项目中采用过，其分度精度可符合旋风刀盘使用的技术要求，由于齿宽相对比较小，齿形也不会有问题。在齿盘的粗加工、热处理、精加工、运输、装配等各工序中还需设计特殊工装夹具和采取相应措施以防止大齿盘的变形难题。

    此外，齿盘外园φ827上的刻线分度也存在技术难题，其刻线等分精度直接影响着的芯棒剥皮尺寸精度，不可轻视。进刀螺距p＝3，大齿盘和锥齿轮的齿数分别为330齿、15齿，按照一般分度刻线值每格为0.05毫米的进刀量（直径为0.1），齿盘外园每一格刻线在外园上的等分值经计算结果为： x  = 。

    而且经过计算，刀盘刀头径向总进刀量调整值接近30毫米（直径F60），相当于150°，弧长1082.54毫米上刻线550格，不管是采用带形标尺铆接贴附于外园上或是直接在园转盘按线分度刻线，这在精度及使用可靠性都不可能满足要求，现考虑的工艺方案是：设计制造一套简单可靠的分度板装置加装于园转台上，在座标铣或座标立式镗床上进行精细刻线，并选配高级技工操作则可完全解决此一难题。

3.2  主体

3.2.1  除了图纸已有注明的技术条件外，还必须注意到以下的一些技术要求。

1） 材质的调质处理硬度拟设在HB200~260，以稳定尺寸精度。

2） F280h7定心轴肩，F880外园，F170内孔，右端面，左端面外缘处应有同轴度及端面跳动要求，这对旋风刀盘的旋转平稳性，刀盘在机床上的调试安装校正，及刀盘的本身加工、装配可作工艺基准，均很有必要。

3） 4个F26h7台阶孔的对中心及分度，4个175mm安装槽对F26H7孔的平行度允差也应提出要求，这对刀具的径向调整可靠性有直接影响。

3.2.2  工艺方案

    技术工艺难题主要是上述要求的第2)，第3)两个问题，除了热加工，还应编制详尽的工艺规程（工序卡），充分考虑大余量的预先去除及保证加工精度的测量工具等事项。

1） 4－F26H7台阶孔对中心加工及测量，最佳方案是宜选用带有精确分度的加工中心来完成，但对机床损伤较大，考虑比较可行的工艺方案是采用专用测量工具在带有较准确分度园转工作台的卧式镗床上加工，例如T611型或T68型。此测量工具可在加工中测量也可在工件卸下机床后测定。

2） 4－F26H7孔与62宽、175宽槽的平行度， 对底面的垂直度如不严加控制，将会产生切削振动，刀头不稳，加速磨损等毛病，最佳方案当然是大型加工中心上完成，其次也可考虑采用较高精度的大立铣或龙门铣上用专用的长立铣刀，专用工具选用高级别的技术工人，按照详尽的加工工艺进行精心加工。

    综上所述：主体的加工最佳方案是选用带精确分度的加工中心来完成，使工件的加工精度能得到保证，但对调质后的钢件大切削量的加工，对加工中心的损伤可想而知。相对来说直接加工费用比较大。如选用高精度的大型通用设备加工，机床的切削能力不存在问题，直接加工费用相对来说会减少，但为了保证工件的加工精度，就需专门设计增添不少的专用刀具、定位工装夹具及专用的测量工具和选用操作水平较高的高级别技术工人，相对成本也会增加，但从加工的可行性上考虑宜选择后者。

3.3  滑块、刀体

    这些零件直接触及不重磨刀头，在切屑过程中会产生剧烈振动，技术要求除可互换性，精度要求极高，角度允差难以加工和测量之外，还必须具备耐震性、耐磨性、这些都对加工方案及选材带有很高的要求。

1） 选用38CrMoAl调质氮化钢：德国原设计选用30CrMoV9VNT氮化钢据了解国内无此钢种（除非进口），根据DIN标准中该材料的性能标准以及旋风刀盘的使用要求，可选用国内最佳的氮化钢38CrMoAl予以替代，通过合理的热处理及加工，其机械性能不会低于德国30CrMoV9VNT。最后制定出的方案是：由氮化钢生产厂出具的质保书，必要时可补作金相分析及成份化验。热处理采用调质（粗加工后）¾®半精加工后稳定消除应力退火¾®精细加工¾®48小时渗氮处理¾®氮化后淬硬处理¾®精细研磨修整。注意点在控制渗氮及淬硬的变形量，可能超差一般应作备件准备，这种工艺流程可使尺寸稳定不变样，零件内部有良好韧性而耐振，表面硬度可达HY800达到久磨不损伤的目的。

2） 加工工艺方案：实际上在旋风刀盘国产化的技术准备过程中即已对全部零组件编就了详尽工艺规程，重要工序还与有关人员作了现场研讨、计算，并对专用工夹量具进行了方案设计与验证。总体上采用航空发动机精密零件及专用工具测量工艺，在技术上应该说完全可从解决的，即采用精密成型、仿型磨床，正弦角度测量，万工显，线切割，电脉冲，立式座标镗床等设备，滑块的安装座及刀体还采用专用标准件进行校验。

3.4  关于装配调试

    必须明确指出：只有正确的总装研配及实际现场调试运转才有真正合格的旋风刀盘。零件合格而装配调试马虎则可能最终产品报废，导致前功尽弃，经初步研究分析对以下问题有了充分的了解及并提出了相应的对策：

1） 刀头径向调整的可靠性及同轴度，已充分考虑了各修配链上可配余量。

2） 滑动体的耐磨性（使用寿命正常情况下应至少5年）。

3） 与机床的安装找准关系，及维修拆装的方便性。

    这一系列问题应有专门人员从刀盘的现场使用特性，使用寿命，维修方便找正安装便捷，零组加工、装配、测试、运转……全面系统的予以综合考虑，决不片面于某一方面，使旋风刀盘真正达到最佳的使用效果。

3.5  设计资料及图纸正确性

1） 现有的资料图纸有几张是从德国进来的，有的是测绘图纸，资料图纸不齐，像齿盘就缺原始设计图，必须在投产前予以全面审核、补充及转化成国产化图纸

2） 部分测绘的设计图未经仔细校正和分析，发现图纸存在一些问题故不能冒险投产，需对图纸进行全面校核以至重绘或设计部分图。

    图面的清洁，比例的正确是次要问题，但必须做到：

1） 国产化――使人看得清，明确要求，基本符合国家制图标准，及所选用的国产材料。

2） 工艺性设计，尺寸标注，图形结构设计应符合可加工性，可使复杂的技术要求简单化，便于加工以达到要求。因为图纸设计问题很具体很繁琐，现初步统计下来旋风刀盘图纸至少有40余处应予改进或采取相应措施。

4  结论

    经过对芯棒剥皮机旋风刀盘的结构及使用工况的详细分析，制定出相应的材料选择及加工工艺要求，该刀盘的国产化制作是完全可行的。这样，既可以满足宝钢现场的需要，也可以节约大量的备件资金，同时还能提高我们的民族工业水平，是一件一举多得的有益尝试。