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宽幅高速纸机刮刀座绿色制造技术研究

- ORCID：
刘霞云 ^1,2
- ORCID：
欧阳太平 ³
- ORCID：
杨勇 ¹

1. 广东技术师范大学机电学院，广东广州，510635； 2. 长沙富兰德实验分析仪器有限公司，湖南长沙，410013； 3. 岳阳林纸股份有限公司，湖南岳阳，414002

中图分类号： TS734； TH162

最近更新：2020-11-24

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2020.11.007

摘要

绿色制造具有降低消耗与污染、节约时间与成本、提高效率与质量的特点。而宽幅高速纸机刮刀座的传统加工方法无法满足绿色制造需求。针对传统加工工艺繁琐、加工变形量大、直线度误差大等突出问题，本研究对影响刮刀座止口面加工精度的因素进行分析，结合有限元软件分析铣削参数和工序方案，提出了刮刀座、凸台、轴一体式的绿色加工工艺，并将该加工工艺与传统加工工艺进行对比。结果表明，采用该绿色加工工艺生产的刮刀座，具有精度高、生产效率高、能耗低、费用低等特点。

关键词

纸机; 刮刀座; 绿色制造; 直线度; 加工工艺

我国宽幅高速纸机一直由国外大型纸机系统供应商生产。刮刀作为纸机系统关键部件，是保障纸机系统正常运行的重要因素^[

1]，制约着国产纸机幅宽和速度的提升。刮刀分布在纸机的各个部分，其加载压力的振动受到监测^{[参考文献 2

百度学术}2]，具有清洁、引纸、涂布^{[参考文献 3

百度学术}3]、修复钢制烘缸表面^{[参考文献 4

百度学术}4]等作用。虽然研究人员对纸机刮刀结构^{[参考文献 5

百度学术}5]、设计^{[参考文献 6-8}6-8]、控制^{[参考文献 9

百度学术}9]、安装^{[参考文献 10

百度学术}10]等进行了研究，但对其加工工艺却极少涉及。刮刀座是刮刀的主体和关键部分，如图1所示，其长度随纸机幅宽的增加而增加，刮刀座长度越大，变形量也越大，刮刀座的加工精度是提升高速纸机幅宽难题的关键技术之一。

(a) 刮刀座运行简图

(b) 刮刀座装配简图

图1 刮刀座简图

宽幅高速纸机刮刀座制造的难点是如何确保止口面直线度小于或等于0.2 mm，图2为刮刀座示意图。刮刀座形状不规则，在多次装夹找正定位基准时会因重心偏移产生误差而影响精度。刮刀座呈长条、薄壁状，加工过程中及加工后产生的残余应力都极易引起变形，导致无法达到精度要求。由此可见，刮刀座具有壁薄、板长的不规则结构，加工精度要求高，如何设计高精度、高效率、低能耗的绿色加工工艺十分重要。

图2 刮刀座示意图

本研究分析了宽幅高速纸机刮刀座的传统加工工艺，针对刮刀座传统工艺中存在的不足，提出了一种高精度、高效率、低能耗的新工艺，解决宽幅高速纸机刮刀座直线度要求的加工技术难题，达到提升加工效率，提高加工精度、降低损耗的目的。现以宽幅高速纸机刮刀座为例，详细介绍其加工过程。

1 刮刀座传统加工工艺分析

刮刀座长度6210 mm，止口面长度6210 mm，厚度只有12 mm，直线度要求为0.2 mm。由此可见，该工件精度要求高，加工工艺繁琐，需要多次吊运及装夹才能完成。一般采用的振动时效处理存在噪声高、电能消耗高、危害健康、焊接缺陷多等问题。这些都导致了刮刀座机加工生产效率不高、精度低、能耗高，影响了纸机性能及交货进度。

1.1 刮刀座的传统加工工艺

传统加工方法：在铆焊车间下料，通过铆接、组焊形成刮刀座的毛坯，将刮刀两端面的凸台焊接完成，并通过振动时效处理释放焊接过程中产生的应力。然后将两侧焊有凸台的刮刀座毛坯件转至机加工车间，粗刨刮刀座的止口面后用行车吊装到数控铣上加工两端凸台端面。然后通过镗床镗孔，并控制两端凸台内孔的同轴度在Φ0.04 mm以内。然后以凸台外圆为基准在刨床上完成止口面及端面的精加工。检测止口面的直线度，若不能满足要求则报废，满足直线度要求则继续在刮刀座的止口面上钻定位孔，最后转至装配车间完成刮刀的组装后进行喷漆处理。图3为刮刀座的传统加工工艺流程。

图3 刮刀座的传统加工工艺流程

1.2 刮刀座传统工艺存在的问题

（1）不符合绿色节能的要求

振动时效处理噪声高，电能消耗高且严重影响了车间生产工人的身体健康，同时在高频振动时容易产生焊接裂纹等缺陷导致工件变成废品，造成资源的浪费。

（2）工艺繁琐

刮刀座长度大于6 m，整个加工过程需要行车多次吊装，并且通过铣床、镗床、刨床等多种机床多次装夹才能完成工件的加工，工艺制造流程长，多次装夹所产生的积累误差大、精度低、效率低。

（3）重复精准定位难度大

刮刀座是以两端凸台孔为定位基准，每次机床加工都需要重新找到定位基准装夹，由于刮刀座过长、壁薄且形状不规则，在每次加工时精确定位工件基准较困难，容易产生误差。

（4）变形量大

刮刀座长度大且壁薄，每次吊装及在机床上装夹都会引起止口面的变形；在加工过程中，进刀量的设置不合理会使整个刮刀座产生抖动现象，进而影响变形；加工完成后的喷漆等后续工作，会影响刮刀座的重心，也对止口面变形有影响，从而容易导致刮刀座工作过程中止口面直线度达不到要求。采用振动时效处理的刮刀座变形量在0.2 mm以上，工件加工后变形量大，因为并没有完全去除应力，后期应力释放的过程中引起了较大形变。

由此可见，采用传统工艺加工板长、壁薄的不规则结构的刮刀座，容易造成生产效率低、生产成本高、加工精度低，制约了交货进度和纸机幅宽的提升。

2 刮刀座绿色制造方法及工艺

2.1 绿色制造在机械加工中的应用

绿色制造即通过减少能源、环境及资源损耗达到制造业可持续发展的目的^[

11]，《中国制造2025》指出绿色发展为基本方针，全面推行绿色制造。绿色制造融入机械加工制造，意味着机械加工制造不仅要考虑经济效益，还需考虑社会效益即对资源、能源的损耗和环境的破坏程度^{[参考文献 12-13}12-13]。实现加工制造全过程的最优化，即资源利用效率的最大化，能源损耗、环境破坏的最小化，达到可持续发展的目的。绿色制造在机械制造中具体体现为降低生产时间、减少生产成本、提高生产质量、降低资源消耗、控制环境污染^{[参考文献 14

百度学术}14]。以高精高效低耗为特点的绿色制造已成为社会研究热点之一。

纸机刮刀座的传统加工工艺中常用的振动时效处理存在噪声高、能耗高、费用高、产品缺陷高等弊端，应采用低耗环保的绿色制造技术来替换。针对传统加工工艺繁琐、多次吊装及装夹、变形量大等问题，采用一种设备一次装夹来完成刮刀座机加工的工艺来解决。

2.2 刮刀座绿色制造加工工艺流程

根据刮刀座板长、壁薄、不规则的特点，提出了刮刀座、凸台、轴一体式的高精率、高效度、低能耗绿色制造加工方法，具体加工工艺流程如图4所示。

图4 刮刀座一体式加工工艺流程

2.2.1 下料及组焊成型

将刮刀座两端的凸台与刮刀座焊接为一体，组焊成型，然后采用喷丸处理去除应力。对细长、薄壁件下料时防止材料的伸缩性，下料时留0.05 mm的余量。并且在焊接刮刀座时，刮刀座内部的筋板较多，需要用到塞焊，考虑到气体的排放，可在两端面开ϕ10 mm的工艺排气孔。喷丸处理时需要将每件刮刀座上的工艺孔塞住，以防止喷丸机中喷出的小钢珠进入刮刀座内部。

2.2.2 粗加工

（1） V型夹具设计

为了减小夹具对精度的影响，采用两夹具V型面成对加工的方法，如图5所示，这样可保证两夹具的V型斜边共面。

图5 V型夹具底座成对加工

（2）装夹

为了防止在加工前后直线度发生变化，在刮刀座粗加工过程中始终保持工作位置状态。整个刮刀座由两侧V型夹具支撑，装夹的位置为两侧轴上轴承的安装位。在刮刀座下中间3处位置放置垫块均布垫平，轻轻顶住刮刀座，垫块的布置如图6所示。

图6 刮刀座粗加工时垫块布局图

（3）粗加工工艺

采用有限元分析刮刀座在重力作用下存在变形，考虑到对直线度的影响，通过铣削方案分析得出，需先粗铣止口面，后粗铣端面。粗、精加工两端的凸台到图纸规定的尺寸；然后将加工好的轴装入凸台孔内；再粗铣安装刮刀片的止口面，留0.5 mm加工余量；后粗铣端面，留1 mm的加工余量。

2.2.3 精加工

进入精铣时，将刮刀座下的3块垫块撤开，整个刮刀座只有两个V型夹具支撑，刮刀座始终处于工作位置状态。在粗铣完工件后，需要放松工件，以释放粗加工过程中产生的应力，即将刮刀座一端轴上的压板轻轻松开后马上夹紧，再将另一端轴上压板松开且马上带紧，待进入精铣状态。精铣时考虑到工件的受力、抖动引起形变的问题，再次采用有限元分析止口面及端面加工时工件变形情况，并模拟铣削进刀量，得出最佳铣削量和铣削方案，即先精加工止口面，后加工端面。止口面及端面加工完后，将千分表磁力底座吸附在铣刀刀头上，通过千分表检测刮刀座的直线度，满足精度要求则继续加工止口面上的定位孔。

2.3 刮刀座绿色制造加工工艺优点

2.3.1 能耗

采用喷丸处理相对于振动时效处理耗电量低，在快速去除工件应力的同时还去除了刮刀座外表毛刺，为后序喷漆工艺提供条件，提高工件表面质量，降低能耗。

2.3.2 工艺流程

将多台设备加工改为只采用数控落地铣镗床加工，只需一次吊装与装夹就能完成工件加工，减小了多次装夹的累积误差。喷丸处理去除表面毛刺后采用喷漆工艺，喷漆效果更好，避免了精加工后因喷漆工序对刮刀座重心产生影响。刮刀座、凸台、轴一体式的绿色制造加工，减少了分开加工再装配引起的累积误差。整个工艺流程更合理、简洁，明显提高了生产效率。

2.3.3 加工精度

采用有限元分析刮刀座受力及铣削参数，得出最佳铣削参数及止口面和端面加工先后顺序。工件始终保持工作位置状态及在粗加工后的松开刮刀座释放应力，减少了工件的变形量，保证直线度要求，提高精度。刮刀座、凸台、轴一体式的绿色制造加工，一次装夹找正定位基准便可，减少加工误差，大幅提高了加工精度。采用喷丸处理的刮刀座加工后没有明显形变，能有效消除应力，防止残余应力释放而引起变形影响精度。

3 刮刀座绿色制造加工实施结果

刮刀座采用绿色制造工艺加工完成后，对刮刀座止口面进行直线度的检测，在止口面上选取11个等距的点，用千分表检测，具体检测结果如图7所示。对采用绿色制造加工的刮刀座直线度检测发现，所有刮刀座直线度在0.07～0.12 mm之间，远远低于图纸直线度0.2 mm的要求，检测结果如图8所示，采用此方法加工的产品合格率达到100%。

图7 利用千分表检测直线度示意图

图8 刮刀座直线度检测结果

采用新工艺加工刮刀座的优点：①明显缩短了加工时间，提高了生产效率，一件刮刀座止口面粗、精铣加工只需3 h，而采用传统的刨床加工止口面则需要3～4天；②减少了费用，采用传统的刨床加工花费约15000元/件，而采用一体式工艺生产只需1500元/件；③提高了精度，通过有限元分析得到最佳铣削参数及加工顺序，刮刀座、凸台、轴一体式绿色制造加工，这些部件都提高了加工精度，确保了直线度在0.2 mm以内。

4 结　论

本研究分析了刮刀座传统加工工艺中存在的问题，并在此基础上结合绿色制造理念，提出了刮刀座、凸台、轴一体式的绿色制造加工工艺，采用绿色工艺加工的刮刀座能耗低、生产效率高、生产费用低，加工精度高，合格率达到100%。该加工工艺技术在长度6 m刮刀座的成功应用，解决了国产宽幅高速纸机刮刀座的加工难题，可为长度更大的刮刀座加工制造提供参考。

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