铝锭超大平行平面精铣数控机床研究.pdf

第 9期 2 0 1 2年 9月 机械 设 计 与 制造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 1 7 3 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 9 0 1 7 3 0 2 铝锭超大平行平面精铣数控机床研究 郭 博张明柱代勇 河南科技大学 机电工程学院， 洛阳 4 7 1 0 0 3 St u d y o n t h e CNC F i n e Mi l l i n g Ma c h i n e To o l f o r t h e Su p e r -L a r g e Pa r al l e I P l a n e o f AI u mi n u m I n q o t GUO Bo， ZHANG Mi n g - z h u， DAI Yo n g S c h o o l o f Me c h a t r o n i c s E n g i n e e r i n g ， H e n a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， L u o y a n g 4 7 1 0 0 3 。 C h i n a 【 摘要】 为了提高后续加工中热轧的加工质量， 针对铝锭的加工特性和精度要求， 设计了铝锭超 大平行平面精铣数控机床 的加工原理和整体结构， 重点说 明了铣机部分的整体传动原理 、 铣刀盘的切 削原理和进给原理， 确定了刀盘上粗 刀和精刀的位置分布规则和校准方法。设计 了带动大惯量铣刀盘 运转的大功率主轴电机的软启动控制电路 ， 实现了铣机主轴的平稳启动。对铝锭超 大平行平面精铣数 控机床进行 了加工测试， 测试结果达到了期望的粗糙度和平行度 ， 满足 了加工要求。 关键词 铝锭 ； 超大平行平面 ； 精铣机床 ； 主电机 ； 软启动器 【 Ab s t r a c t 】 o r d e r t o i m p r o v e t h e p r o c e s s i n g q u a l i t y i n t h e s u b s e q u e n t p e r i o d o f h o t - r o l l i n g ， t h e p r i n c i p l e a n d t h e o v e r a l l s t r u c t u r e oft h e C N C fin e mi l l i n g m a c h i n e t o o l f o r t h e s u p e r - l a r g e p ara l l e l p l a n e of a l u mi n u m i n g o t w a s d e s i g n e d a c c o r d i n g t o t h e p r o c e s s i n g c h aract e r i s t i c s a n d acc u r acy r e q u i r e me n t s ， e s pe - 皇 n t t he d r i v e p r i nci p l e of mi l l i n g m a c h i ne a n d t h e c u t t i n gp r i n c i p l e and t e e dp r i n c i p l e of t C u t t e r w e r e i l l u mi n a t e d , w i t h t he l o c ati o n and c a l i b r ati o n me t h o d s o ft h e c r u d e n a ． i fine n d e t e r mi n e d , a n d t s - s t art c o n t r o l c i r c u i t of t h e p o w e r c u t t e r s p i n d l e m o t o r w i t h 一 i n e r t i a o p e r ati o n如一 s i g n e r e a l i z i n g t h at t h e s t art o f t h e p o w e r c u t t e r s p i n d l e W as s mo o t h ． T h e p r o c e s s t e s t o ft h e C N G fine mi l l i n g m a c h i n e t o o l f o r t h e s u p e r - l arge p a r a l l e l p l a n e of a l u m i n u m i n got w a s d o n e ， a c h i e v i n g t h e d e s i r e d r e s u l t s oft h e r o u g h n e s s a n dp ara l l e l i s m， w h i b h me t t he r e q u i r e m e n t s o f p r o c e s s i n g ． Ke y W o r d s Al u mi n u m I n g o t ； S u p e r - La r g e P a r a l l e l P l a n e ； F i n e Mi l l i n g Ma c h i n e To o l ； Th e Ma i n Mo t o r ； S o ft S t a r t e r 中图分类号 T H1 6 ； T G 6 5 9 文献标识码 A 1引言 铝锭超大平行平面精铣数控机床是用来加工铸造铝锭两个 超大平面的专用机床， 是用于去除铸造铝锭表面的偏析层和氧化 层 ， 以满足后续加工中热轧机的加工要求； 精铣机床的控制系统 采用人机界面作为上位机 ， 采用运动控制器作为下位机， 实现了 可视化操作控制和运动状态的实时监控。 铝锭单个平面的面积可 达 6 0 0 0 1 8 0 0 mm， 重量 1 3 1 8 t ； 加工后铝锭的表面粗糙度要 小于 1 ．6 1 1 m， 平行度要小于0 ． 1 5 m m， 才能保证热轧加工的正常进 行。 另外， 铝本身具有高的化学活性， 容易在加工过程中与其它元 素反应形成积屑瘤， 影响表面粗糙度； 它的低刚性和大回弹量容 易增加加工表面与后刀面之间摩擦， 拉毛已加工表面。实现这种 材质的大面积精加工的关键是机床的设计， 特别是铣机结构与刀 具的设计。 通过对铝锭大平面、 大重量的特点分析， 设计制造了精 铣机床。 重点研究了精铣机床铣机部分的整体传动原理、 铣刀盘 的切削原理和进给原理 ， 确定 了刀盘上粗刀和精刀 的位置分布规 则和校准方法； 设计了主轴电机的启动控制电路。 2机床总体结构 铝锭超大平行平面精铣数控机床主要由加工主体部分和加 工辅助部分组成， 加工主体主要包括 滑动式矩形铣头 、 可伸缩的 ★来稿 日期 2 0 1 1 -1 1 - 2 7 矩形工作台、 龙门式床身、 滑枕以及液压夹具； 辅助部分主要包 括 上锭机、 下锭机 、 定位机、 推锭机、 机械防撞以及破碎机、 抽风 机和除尘机。机床的现场实物 图， 如图 1 所示。 图 1机床现场实物图 工作台采用低摩擦系数导轨支撑导向， 用齿轮齿条传动， 适 用于大重量加工件， 伺服电机驱动； 定位是双定位机定位， 采用并 列放置， 间距可调， 针对不同长度的铝锭设置间距， 用蜗轮蜗杆传 动， 伺服电机驱动； 推锭机同样为双推锭布置， 并列放置， 间距可 调， 液压驱动， 速度和压力可调； 主轴和刀盘采用对置的双主轴、 双刀盘， 这样的设计可以实现一次性铣削， 提高加工效率。 刀盘转 速最高可达 8 0 0 m m ／ m i n ； 上锭机和下锭机的动作完全相同， 都由 液压驱动 ， 可实现前后移动和水平与垂直翻转 ， 翻转角度不小于 9 0 ， 翻转速度 3 6 0 ／ m i n 。机床的加工过程 先将工作台运动到上 1 7 4 郭 博等 铝锭超大平行平面精铣数控机床研 究 第 9期 锭位， 用航车将锚锭平置 -f上锭机 』 二 ， 然后定位机运动剑定位位置， 上锭机前移， 前移到位后翻转， 将销锭放置到工作台上， 然后液压夹 具下压将销锭夹紧在 【 作台上， 定位机退回， 上锭机先后退再下落 ， 接着调整刀盘位置， _ r 作臼前进开始加T， 达到加工要求后， 工作台 运动到下锭位， 下锭机翻转， 翻转到位后前移， 前移到位后推锭机伸 L n ， 推锭机伸出到位后夹具放松， 推锭机继续伸} I j ， 将铝锭置于下 锭机上， 最后下锭机下落、 后退， 推锭机退回， 加工完成。 3铣机部分设计 3 ． 1铣机的传动原理 铣机是铝锭超大平行平面精铣数控机床的核心部件。铣机 的运动主要有 刀盘的旋转运动和刀盘的进给运动。刀盘的旋转 运动是由主电机通过减速器和联轴器传递到主轴， 再由主轴带动 刀盘运动， 如 图 2 所示 。 图 2铣机传动原理图 1 ． 主电机 2 ．联轴器 3 ．滑键 4 ． 滑枕 5 ． 轴承 6 ． 刀盘 7 ． 滚珠丝杠 8 联 轴器 9 ．伺服电机 3 ． 2铣机刀盘结构 铣机刀盘为圆形刀盘， 刀盘外层由正方形的刀盘套包裹， 刀盘 体上有粗刀 1 6 把， 精刀4 把。】 6 把粗刀均匀分布在刀盘外侧半径 为 1 0 0 0 m m的圆上， 4 把精刀均匀分布在刀盘内侧半径为 6 0 0 m m 的圆上。 粗刀和精刀安装在刀盘体上的安装槽内， 通过螺钉固定； 为 了调整刀片摆差 ， 精刀除了有平垫片之外 ， 紧靠平垫片有一个斜垫 片 ， 粗刀只有平垫片； 平垫片用来实现刀具较大范围的变动， 斜垫片 可以实现精确的细调整。刀具分布示意图， 如图 3 所示。 孔 图 3刀具分布不意图 粗刀主要用于铣削铝锭表层， 去除氧化层和偏析层， 精刀主 要用 于确保铣削后铝锭表面达 到镜面效果以及满 足粗糙度的要 求。 精刀刀刃为宽刀刃， 相当于粗刀刀刃的四倍， 一把精刀的铣削 量相当于四把粗刀的铣削量， 如图4 所示。铣机刀盘采用对置放 置， 这种布置提高了加工效率； 为了满足粗糙度和平行度的要求 ， 刀头 的位置在加工之前必须进行校准。校准的方法 选定一个基 准点 可选龙门架的立柱 ， 利用千分尺对每个刀盘 上的 2 0 把刀 一一 测量 ， 通过刀头与基准的距离 ， 校准刀头的位置 ， 利用调整平 垫片的厚度实现刀具的校准。 r 件前 进方向 一粗 一 铣 铣 图 4铣 削不意图 3 ． 3铣机主电机的控制 铣机中的主电机功率为 2 8 5 k W， 转速为 1 4 9 5 r ／ m i n ， 刀盘因 为体积庞大而有非常大的重量。 此， 主电机不仅功率大， 转速 高， 而且有非常大的惯性阻力。 这种情况下， 直接启动的启动电流 非常大 ， 通常会达到正常工作时的 3 ～ 1 5 倍， 这样的电流会对电 网造成严重 的冲击， 甚至可能造成机械故障。为了实现电机的平 稳启动 ， 保证电网的稳定 ， 选择软启动器来控制主电机的启动和 停止 ， 如图 5所示 。根据 主电机的功率 ， 选择 S I R U S 3 R W4 4 。 图 5软启动器控制电路 软启动器是一种集电机软启动、 软停车、 轻载节能和多种保 护功能于一体的新颖电机控制装置。S I R U S 3 R W4 4的启动方式 分为 电压启动、 电流启动和转矩启动 。根据主 电机的功率 、 转速 以及铣机的特点， 选用转矩启动的启动方式， 电路的连接采用内 三角接法。对于内三角接线方式， 软起动器的每相与各电机绕组 串联。软起动器仅需承载相电流， 该相电流大约等于电机额定电 流的 5 8 ％。在启动过程中， 峰值达到 1 8 0 0 A， 启动之后， 电流下降 到 1 4 0 A， 并稳定在这一值。S I R U S 3 R W4 4与功率的对应非常严 格， 没有过多余量， 在选型中要特别注意。 4加工测试 铝锭超大平行平面精铣数控机床经过生产测试，所加工的 铝锭粗糙度 R 1 ． 4 m， 平行度为 0 ． 1 3 mm， 满足加工要求。两个主 电机的启动平稳 、正常，在启动过程中，电流先是快速上升到 1 8 0 0 A左右， 然后停留在这一值， 当电机完全启动之后， 电流回落 至 1 4 0 A， ， 并稳定在这个值左右。 整个启动过程只用了3 5 s 。 启动 过程中， 电网电压处于稳定状态， 整个铣机的机械部分没有出现 第 9期 2 0 1 2年 9月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 1 7 5 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 9 0 1 7 5 0 3 基于神经网络的高速硬车削切削力预测研究 崔伯 第 郭建亮 z 殷宝麟 ， 淮海工学院 机械工程学院， 连云港 2 2 2 0 0 5 宁波工程学院 机械工程学院， 宁波 3 1 5 0 1 6 。 佳木斯大学 机械工程学院， 佳木斯 1 5 4 0 0 7 Pr e d i c t i v e Mo d el i n g St u d y o n Cu t t i n g F o r c e i n Hi g h Sp e e d Tu r n i n g ’ O f Ha r d e n e d St e eI Ba s e d O ff Ar t i f i c i a I Ne u r a I Ne t wo r k C UI B o - d i ， GUO J i a n - l i a n g 2 , YI N B a o l i n 。 D e p a r t me n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Hu a i h a i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， L i a n y u n g a n g 2 2 2 0 0 5 ， C h i n a 2 S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， N i n g b o U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， N i n g b o 3 1 5 0 1 6 ， C h i n a 。 S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， J i a mu s i U n i v e r s i t y ， J i a mu s i 1 5 4 0 0 7 ， C h i n a ； 【 摘要】 采用P C B N刀具进行高速硬车削A I S I P 2 0淬硬钢的切削试验，并通过方差分析研究切 ； }削速度、 进给量、 切削深度和刀尖圆弧半径对切削力的影响。基于获得的试验数据， 应用人工神经网络 { l方法建立高速硬车削P 2 0淬硬钢时的切削力预测模型。 试验与仿真分析显示， 切削力随进给量、 切削深 ； {度和刀尖圆弧半径的增加而增大， 而不同切削速度下的切削力值几乎保持不变； 同时， 切削深度对切削 ； }力的影响最为显著， 其次为进给量， 再次为刀尖圆弧半径， 而切削速度的影响则非常微弱。 { l 关键词 切削力； 高速 n - r- ； 硬车削； 淬硬钢； 神经网络 i } 【 A b s tr a c t 】 E x p e r im e n tal in v e s tig a t io n of c u tt in g f o rc e W O ．S p e o r m e d in h ig h sp e e d tu r n in g of h a r d 一 { } e n e d A Is I P 2 0 e z w ith P C B N 1 ．T h e ifl ue of c u ttin g s p e e e d r at e ,d ep ￡h of c H ￡ a n d e ra d iu s ； ； o n c u ttin g f o r c e w e r e a s s e s s e d u s in g ￡ e a n al y s is of v ar ia n c e A N O V A ．D u e to th e c o m p le x ity of m a c h in in g { } p r o ，b a se d o n 舭h req exp ime n ta l d at a, ar tifi c ial 船 ral w o rk W as e m p l。y ed to d e lop 舭h l i p r e d i c t i v e m o d e Z of c u t t i n gF o r c e ． E x p e r i me n t s and s i mu l ati o n s s h o w e d t h at i n c r e ase d f e e d r ate ， d e p t h ofc u t{ }a n d n o s e r adi u s le d t o h ig h e r c u tt in g f o r c e ， w h i l e t h e c u t t i n g f o r c e u n d e r d if f e r e n t c u t t i n g r at e r e m a i lK t h e{ } s a m e ．A t t h e s a m e t i me， d e p t h ofc u t is f o u n d t h e m o s t i n fl u e n t ia l p a r a m e t e r o n c u t t i n g f o r c e f o l l o w e d b y f e e d{ ； a n d c o m e r r ad ius ． H o w e e r ￡h e c 。 胁 沾 u 如 n of c u tt n g 叩 e e d is e r y s l ig h 丘 { ； K e y Wo r d s C u t t i n g F o r c e ； H i g h - S p e e d Ma c h in i n g ； F i n is h H a r d T u r n i n g ； H a r d e n e d S t e e l ； N e u 一 { ⋯一⋯一一一一～ ⋯ ⋯⋯ ⋯一一～一一一一一 ～ ■ h t ．，p |、 h t t t ★ t 小 ．、 小 ■ l 、 薯 、～ 骨 ⋯t m t、． w w ～ M⋯ 中图分类号 T H1 6 ； T G 5 0 1 文献标识码 A 1言 吉 削加工性较差， 精加工通常由磨削完成。随着高硬刀具材料和相 。 钢由于具有较高的强度和硬度， 应用极其广泛， 但其切 关技术的发展， 以硬态切削代替磨削完成精加工操作成为淬硬钢 ★来 稿 日期 2 0 1 1 - 1 1 1 6 震动， 实现了平稳启动。 在加工过程中， 铣机主电机的电流会随着 加工量的增大而增加， 最高达到5 0 0 A， 接近满载。 针对电流变化， 设计了负载电流监控， 以图表的形式显示在操作界面上 ， 可以随 时观察主 电机的电流变化情况 。 加工完成后的铝锭 ， 如图 6所示 。 图 6加工完成后 的铝锭 5结论 通过对铣机加工要求与难点的分析，针对加工要求与加工 特性， 设计了机床的整体结构， 介绍了铣机部分的整体传动原理、 铣刀盘的切削原理和进给原理， 确定了刀盘上粗刀和精刀的位置 分布， 说明了粗刀和精刀的校准方法， 选用软启动器对主电机的 启动进行控制。 通过加工测试， 证明了铣机设计的合理与可用， 但 精度和效率有待进一步提高。 参考文献 [ 1 ]曾金元 ， 徐金方XK 9 6 2 0数控铝锭双面铣床 [ J J ．设备管理 与维修 ， 2 0 0 8 1 4 5 47 ． [ 2 ] 林奎 ， 李鹏． 中铝西南铝板带铣床生产线电控结构及系统分析[ J 】 ． 铝加 工 ． 2 0 0 7 1 3 5 3 8 ． [ 3 ] 韩建海 ， 张明柱． 数控技术及装备[ M] ． 武汉 华中科技大学出版社， 2 0 0 7 ． [ 4 ] 机械设计手册【 M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 5 ] 濮 良贵． 机械设计[ M] E 京 高等教育出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 6 ] 孙桓． 机械原理[ M] ．北京 高等教育出版社， 2 0 0 5 ． [ 7 ] 张春艳 ， 张述江， 刘兴卓． 内装式滑枕的设计及其在机床中的应用[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 0 ， 3 8 1 6 2 6 - 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