卷取机卷筒制作工艺优化及工装设计

卷取机卷筒制作工艺优化及工装设计

梁栋;吴云云;张瑞海;朱超;苗兴泰

【摘 要】卷筒是卷取机的核心部件,四棱锥轴套和扇形板是卷筒的两个关键零件,加

工精度和表面要求较高,且结构复杂、加工难度较大.通过对零件的工艺优化和简易

加工工装的设计制作,实现了卷筒优质、高效的加工制作.

【期刊名称】《机械制造》

【年(卷),期】2014(052)004

【总页数】4页(P67-70)

【关键词】扇形板;四棱锥轴套;燕尾;卷筒;加工工装

【作 者】梁栋;吴云云;张瑞海;朱超;苗兴泰

【作者单位】莱钢集团机械制造有限公司 山东莱芜271104;莱钢集团机械制造有

限公司 山东莱芜271104;莱钢集团机械制造有限公司 山东莱芜271104;莱钢集团

机械制造有限公司 山东莱芜271104;莱钢集团机械制造有限公司 山东莱芜

271104

【正文语种】中 文

【中图分类】TH162

卷取机是轧钢车间热轧或冷轧钢材卷取成卷筒状的重要辅助设备，具有卷取线材、

带材等超长轧件以及将其卷取成卷以便于贮存和运输的功用，在带材和线材生产中

均被广泛应用。

卷取机主要由卷筒及其传动系统、压紧辊、活动支撑、推卷、卸卷等装置组成，其

中，卷筒是卷取机的核心部件，主要有实心卷筒式、四棱锥卷筒式、八棱锥卷筒式、

四斜楔卷筒式及弓形块卷筒式等结构。卷筒在张力下高速卷取钢材成带卷，要求卷

筒内部有冷却与润滑系统；要在较大的带材压力作用下缩径卸卷；要有足够的强度

与刚度。所有这些都决定了卷筒结构的复杂性和零件的制作难度。

我公司承接了一批φ500 mm热带轧机卷取机卷筒的制作任务。图1所示为四棱

锥卷筒结构，每套卷筒主要由一件“四棱锥轴套”和四件“扇形板”组成，采用双

联斜燕尾连接零件，从而形成一个整圆，并通过“四棱锥轴套”和“扇形板”的相

对移动实现外圆的膨胀（打卷）与收缩（卸卷）。在制作“四棱锥轴套”和“扇形

板”时，若采用数控机床或加工中心等先进加工设备，则加工方法相对简单容易，

但制造成本将大幅提高。经过综合分析，采用了普通铣床（如X6132或X5040）

和立车（C5112）进行加工制造，同时，为了降低加工难度，保证加工精度，设

计制造了四棱锥轴套和扇形板的加工工装。

1 “四棱锥轴套”工艺分析及工装设计

如图2所示，“四棱锥轴套”的设计结构相当复杂，有4等分且与内孔轴线倾斜

12°的双联60°角外燕尾；加工精度要求较高，图纸工艺要求双联燕尾在圆周上四

等分且对称要求较高；内孔、斜面和燕尾60°角处均要求粗糙度达到Ra1.6，尤其

是上、下两外燕尾必须尺寸一致、角度相等。为此，设计制造了四棱锥轴套粗、精

加工工装。

四棱锥轴套的制作工艺流程为：毛坯制作→车内孔及端面→粗加工燕尾→插键槽→

半精加工燕尾→精加工燕尾→钻孔等。

1.1 毛坯制作

由于四棱锥轴套结构比较复杂，且工件负荷较大，因此毛坯选用低合金铸钢

35SiMnMoV铸造成型，然后进行正火和回火处理，提高工件的综合力学性能。

1.2 内孔及端面车削

为了保证双联外燕尾的加工精度，首先应加工出φ180H8mm内孔和尺寸335

mm两端面，并作为后续外燕尾等粗、精加工工序的加工基准。

1.3 外燕尾粗加工

▲图1 四棱锥卷筒示意图

▲图2 四棱锥轴套

▲图3 “轴套”粗加工工装

▲图4 “轴套”粗加工过程图示

▲图5 精加工工装示意图

▲图6 精加工过程图示

由于四棱锥轴套结构复杂、精度要求较高，且双联燕尾与轴线呈12°倾斜角，通过

对四棱锥轴套结构的分析，设计制造了一种四棱锥轴套粗加工工装，如图3所示，

主要由底座、定位盘、拉杆及螺栓等组成，定位盘用螺栓固定在底座上，其中，底

座的斜面与底面成12°倾角，底座下部设置有一定位键，键宽应根据机床T型槽设

计，用于工装在机床上的定位；定位盘的外圆尺寸应根据四棱锥轴套内孔制作，保

证两者间隙不超过0.05 mm，用于四棱锥轴套在倾斜面上的定位，同时，定位盘

中心位置加工有一丝孔，在装夹工件时与拉杆连接。使用此工装装夹工件，能使工

件呈直立状态，提高了工件的装夹刚性，从而可以选择较大的切削用量，提高了加

工效率，但4等分燕尾的分度精度较低。

如图4所示为四棱锥轴套粗加工示意图，加工过程如下：首先，将除外燕尾外的

其余各面全部加工至图纸要求；然后，将粗加工工装固定在铣床工作台上，并通过

拉杆及压板将四棱锥轴套固定在加工工装上；最后，利用百分表找正等分和角度尺

检测，使4处外燕尾分别与机床主轴垂直，并用铣刀粗加工四棱锥轴套上双联60°

外燕尾，单边应留1-2 mm精加工余量。

1.4 外燕尾精加工

为了提高4等分燕尾的分度精度，设计制造了一种四棱锥轴套精加工工装，如图5

所示，主要由底座、芯轴、分度头、尾座顶尖、定位键及圆螺母等组成。其中，底

座底部设置有一定位键，键宽应根据机床T型槽设计，用于工装在机床上的定位，

且底座上平面两凸台平面上设置有尾座定位键和分度头定位键，制作时应保证底部

定位键与尾座和分度头定位键的中心连线成12°夹角，从而保证在装配好尾座和分

度头后，分度头中心与尾座顶尖等高且连线与底座底部定位键的夹角也为12°；芯

轴一端由分度头三爪卡盘装夹，一端由尾座顶尖装夹定位，同时，为了增加芯轴与

三爪卡盘之间的接触面积，卡盘夹持处的横截面形状设计为三角形；分度头侧芯轴

的定位止口起到对四棱锥轴套的轴向和径向的定位作用，止口外圆与工件内孔的间

隙控制在0.05 mm以内；为了减小工装的重量并起到对工件周向定位作用，将工

装设计为在两法兰盘上铣削键槽的形式，并安装上定位键，其中，法兰盘与四棱锥

轴套内孔基本尺寸相同，定位键与四棱锥轴套键槽相配。使用此工装装夹工件，由

于使用了分度头，使4等分燕尾的分度精度提高，但由于该设计结构的工装刚性

较低，加工时，应采用较小的切削用量。

图6所示为四棱锥轴套精加工示意图：在对双联外燕尾精加工之前，首先，加工

出四棱锥轴套的键槽；然后，按图示将工装与工件装配起来。将底板、分度头和尾

座顶尖装配起来并通过打表找正工装，使分度头中心与尾座顶尖等高，且连线与底

座底部定位键的夹角为12°；然后将四棱锥轴套与芯轴装配起来，并用圆螺母和压

板将工件固定在芯轴上；再将芯轴和工件一同安装到分度头和尾座顶尖上；最后，

通过分度头的精确分度，利用标准进口燕尾刀具分别加工4等分外燕尾，保证了

燕尾的精度和表面粗糙度，完成四棱锥轴套的加工。

2 “扇形板”工艺分析及工装设计

如图7所示，“扇形板”的外侧为R250 mm圆弧，内侧为与轴线倾斜12°的双联

60°燕尾槽，尺寸、形位公差及表面粗糙度（Ra1.6或Ra0.8）要求严格，两燕尾

槽尺寸、角度必须一致且同轴。为此，分别设计制造了扇形板燕尾槽加工工装和R

弧加工工装。

▲图7 扇形板略图

▲图8 燕尾槽加工工装图

▲图9 “扇形板”加工过程图示

扇形板的制作工艺流程为：毛坯制作→粗加工→探伤→调质→半精加工燕尾槽→精

加工燕尾槽→车外圆等。

2.1 毛坯制作

由于扇形板使用过程中承受较大的卷曲张力和扭矩，且铸造毛坯不能满足性能要求，

因此选用35CrMo锻造毛坯，毛坯按尺寸615 mm×355 mm×115 mm锻造。

2.2 探伤和调质

由于扇形板机构复杂且承力较大，在调质工序前、后均要进行无损探伤，检测工件

内部是否存在缺陷，如夹层、缩孔及裂纹等；为了防止扇形板燕尾槽等应力集中部

位在调质过程中出现较大变形和裂纹，应在粗加工时留有适当的R过渡圆弧，调

质处理时应对工件采取防变形和裂纹措施，如工件竖直放置、油淬加水冷的冷却方

式等。

▲图10 R弧加工工装（芯轴座）

2.3 燕尾槽加工

由于扇形板内侧为与水平成12°夹角的双联燕尾槽结构，而铣床X5040不具备铣

削斜面的能力，因此设计制造了燕尾槽加工工装，如图8所示。将此工装斜面与

底面加工成12°倾角，从而保证扇形板放置到工装上后，燕尾槽与机床主轴垂直；

同时，工装斜面上加工有2-φ25H7mm销轴孔和2-M18螺栓孔，其中，销轴孔

起到扇形板在工装上定位的作用，而螺栓孔与压板、螺栓连接，用于装夹固定扇形

板。

图9所示为扇形板燕尾槽加工示意图。加工过程如下：首先，利用自制角度铣刀

完成燕尾槽的粗加工，单边留2-3 mm余量；然后，在调质处理完成后，利用标

准进口燕尾刀具进行燕尾槽的精加工，小进给量，分3～4次完成加工，保证工件

加工精度和表面粗糙度。

2.4 外弧面的加工

若每件扇形板单独加工R250外弧，则需要在数控机床或立式车床上进行加工，但

由于数控机床加工成本较高，而立式车床加工不仅装夹困难，而且找正时间较长，

降低了加工效率。通过对卷取机卷筒装配和使用状态的分析，一套卷筒由1件

“四棱锥轴套”和4件“扇形板”组成，且当四棱锥轴套与扇形板相对滑动至胀

径状态时，4件扇形板组成的外圆恰好为φ500 mm（即半径250）。根据以上分

析，设计制作“芯轴座”（如图10所示），作为扇形板外弧面的加工工装。此工

装外径 mm与四棱锥轴套内孔配合，并通过下部台阶对工件进行轴向定位。

图11所示为扇形板外弧面加工示意图。加工过程如下：首先，将四棱锥轴套和扇

形板装配为一体，并整体装配至工装

▲图11 “扇形板R250”加工过程图示

“芯轴座”上；然后，调整扇形板外圆至φ500 mm，并将双头螺柱穿过四棱锥轴

套和扇形板的4处装配间隙，用压板装夹固定装配体；最后，将工装及工件装夹

到立式车床C5112工作台上，完成外弧面的加工。

3 结束语

本文针对“卷取机卷筒”零部件的加工难点，采取了各项措施，设计了各工序的加

工工装，成功解决了利用普通铣床和立式车床加工高精度 “四棱锥轴套”和“扇

形板”的难题，而且降低了生产成本，提高了生产效率，保证了生产工期，为热轧

线生产提供了有力保障。

参考文献

［1］ 张树森.机械制造工程学［M］.沈阳：东北大学出版社,2001.

［2］ 刘玠.冷轧生产自动化技术［M］.北京：冶金工业出版社,2006.

［3］ 阳辉.轧钢厂设计原理［M］.北京：冶金工业出版社,2011.

［4］ 谢磊.卷取机卷筒的设计分析［J］.机械工程与自动化,2010（2）:111-113.