CN109434478B - 一种层流辊制作自动化产线及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种层流辊制作自动化产线及工艺，包括用于修复层流辊用的轴头堆焊装置、用于层流辊辊面强化的高速激光熔覆装置、用于层流辊加工的车削装置、与以上装置配合的用于上下料的机械手、用于放置和中转层流辊的托盘及自动叉车。本发明采用以上结构，集轴头堆焊、表面强化、切削加工为一体，并改善了工艺流程，实现层流辊制造及再制造智能化生产，生产效率高、产品质量稳定，可以实现连续作业。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工和表面技术的生产设备技术领域，具体涉及热轧层流冷却系统中的层流辊的制作。
背景技术
层流辊在热轧厂位于精轧和卷取之间用于对成品板带进行输送和层流冷却。工作过程中，层流辊既要承受热板坯的冲击和磨损，还要承受在冷却喷水的作用下的交变负荷(冷热疲劳)和局部压入负荷以及接触滑动负荷等。
层流辊常规的制备工艺是喷焊前车削－喷砂－喷焊－重熔－喷焊后精加工。其中喷焊前车削主要是将毛坯的层流辊加工到基本尺寸；喷砂是利用高速砂流的冲击作用清理和粗化层流辊表面，使工件表面的机械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲劳性，增加了它和涂层之间的附着力，延长了涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和装饰；喷焊是对经预热的自溶性合金粉末涂层再加热使颗粒熔化，造渣上浮到涂层表面，生成的硼化物和硅化物弥散在涂层中，使颗粒间和基体表面达到良好结合，最终沉积物是致密的金属结晶组织并与基体形成约0.05～0.1mm的冶金结合层，抗冲击性能较好、耐磨、耐腐蚀，外观呈镜面；重熔精炼过程是指金属提纯净化的过程，包括对层流辊中夹杂物吸附和溶解。
基于层流辊复杂的工作环境和对性能的高要求，研发人员对于层流辊的制备工艺进行改进，使得层流辊的性能得到改善。例如，专利申请201310738506.8公开了一种用于热轧层流冷却辊喷焊涂层工艺，包括以下步骤：1)辊子的下料及喷涂前加工处理；2)对工件进行预热处理；3)喷焊涂层：将辊子的速度调整为15-20转/分钟，调整喷枪的位置后开启喷枪，调整送粉量和火焰，同时将辊子匀速前进，速度为280mm/min，从而保证喷枪中的硬质合金均匀喷涂在辊子的外圆周；4)喷涂好的辊子在温度为370℃的环境下自转，以使其上的硬质合金层重熔，硬质合金涂层熔透后，放置空冷，即形成具有硬质合金涂层的辊子。采用该工艺和工装进行喷焊涂层的冷却辊，具有抗磨损、热障、抗氧化、防腐蚀、抗结瘤、抗粘结等功能，而且具有超出市场应用辊道很高的使用寿命。
无论是传统的制备工艺还是上述发明的制备工艺，制备过程仍然存在工序多、能耗大、工人劳动强度大等不足之处。
发明内容
本发明目的在于提供一种层流辊制作自动化产线，用于提高层流辊制作的自动化程度，降低工人劳动强度。
为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：
一种层流辊制作自动化产线，包括桁架、机械手以及加工设备，所述加工设备包括第一车削设备、激光高速熔覆设备以及第二车削设备；
所述第一车削设备、激光高速熔覆设备以及第二车削设备依次顺序排列且各个加工设备的加工中心轴线在同一竖直面内，定义上述竖直平面为第一竖直面；
所述桁架靠近上述加工设备并沿上述加工设备的布置方向布置，所述桁架靠近第一车削设备一端为进料端，所述桁架靠近第二车削设备一端为出料端；所述进料端处和出料端处均设置有辊架；
所述辊架上设置有托盘行走部，所述托盘行走部用于承托托盘，所述托盘用于容纳层流辊，所述托盘行走部具有使托盘在辊架上具有沿垂直于第一竖直面运动的自由度；
所述机械手设置在桁架上并且具有沿桁架布置方向行走的自由度，所述机械手用于在上述加工设备以及辊架之间抓取和放置层流辊；
还包括自动叉车，所述自动叉车用于将容纳有待加工的层流辊的托盘放置于靠近进料端一侧的空辊架上，以及从靠近出料端一侧的辊架上移走容纳有加工完成的层流辊的托盘。
进一步的，在本发明中，所述机械手在桁架上具有沿竖直方向运动的自由度，所述机械手的运动平面为上述第一竖直面。
进一步的，在本发明中，所述加工设备还包括轴头堆焊设备，所述轴头堆焊设备设置于第一车削设备和激光高速熔覆设备之间，且轴头堆焊设备的加工中心轴线落在上述第一竖直面内。
进一步的，在本发明中，所述各个加工设备之间设置有辊架。
进一步的，在本发明中，所述托盘上设置有多个相互平行的摆放架用于摆放层流辊，所述托盘在辊架上按照层流辊的轴向平行于第一竖直面的方向布置；且随着托盘在辊架上移动，所述托盘上的摆放架均经过上述第一竖直面至少一次。
进一步的，在本发明中，所述自动叉车将托盘放置于靠近进料端一侧的空辊架上时，所述托盘上其中一个摆放架上的层流辊的中轴落在第一竖直面内。
进一步的，在本发明中，所述自动叉车响应于位于出料端一侧的辊架上放满加工完成的层流辊后将该辊架上的托盘移走。
进一步的，在本发明中，所述加工设备之间的辊架上，其中中轴位于第一竖直面内的摆放架上保持空置状态。
与此同时，本发明还公开了一种层流辊制作自动化生产工艺，利用该生产工艺可以提高层流辊的质量。该生产工艺利用上述所述的产线，按照如下方法进行层流辊的自动化生产：
步骤一、利用自动叉车将装满待加工的层流辊的托盘运输至进料端并置于进料端的辊架上，同时确保出料端的辊架上的托盘处于有进一步容纳层流辊的状态；
步骤二、机械手从进料端的辊架的托盘上抓取一根待加工的层流辊并运输至第一车削设备上进行熔覆前车削；
步骤三、机械手抓取熔覆前车削完成的层流辊并运输至激光高速熔覆设备上进行激光高速熔覆；
步骤四、机械手抓取激光高速熔覆完成的层流辊并运输至第二车削设备上进行熔覆后精加工；
步骤五、机械手抓取激光熔覆后精加工完成的层流辊并摆放至出料端一侧的辊架上；
步骤六、待出料端一侧的辊架上装满层流辊后，所述自动叉车将该辊架上的托盘移走；
上述过程中，各个辊架上的托盘在沿垂直于第一竖直面的方向运动。
上述工艺中，对于待加工的层流辊为需要修复的旧辊时，所述机械手抓取熔覆前车削完成的层流辊并运输至轴头堆焊设备上进行轴头堆焊；接着，所述机械手抓取轴头堆焊完成的层流辊并运输至激光高速熔覆设备上进行激光高速熔覆。
进一步的，上述过程中，当当前加工设备处于闲置状态时，所述机械手从当前加工设备前的加工设备上抓取已完成前一道加工工序的层流辊并运输至当前加工设备进行加工。
进一步的，上述过程中，若各个加工设备之间设置有辊架，则机械手将当前加工设备加工完成的层流辊抓取并放置于紧邻其后的辊架上；当位于该辊架后的加工设备处于闲置状态时，所述机械手从该辊架上抓取已完成上一道加工工序的层流辊并置该辊架后的加工设备上进行加工。
进一步的，上述过程中，所述激光高速熔覆时，采用耐热耐磨的粒径在80um以内的铁基粉末作为熔覆材料，激光功率设置在2200W-2600W，熔覆厚度设置为5mm-8mm，熔覆速度为10mm/s-12mm/s。
有益效果：
由以上技术方案可知，本发明的技术方案提供了一种层流辊制作自动化产线和生产工艺，能够提高层流辊制作的自动化程度，实现智能制造，生产效率较高；产线适用于新辊的制造和旧辊的修复，使得加工适应性广；并且改善了层流辊的加工工艺，使得成品的精度高、表面涂层厚度薄且耐用，质量更优。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1为本发明的层流辊制作自动化产线示意图；
图2为本发明的层流辊辊架的结构示意图；
图3为图2的左视图；
图4为图2的俯视图；
图中，各附图标记的含义如下：
桁架1、第一车削设备2、辊架3、轴头堆焊设备4、弧焊机器人5、激光高速熔覆设备6、第二车削设备7、机械手8、轨道3-1、托盘安装架3-2、托盘3-3、齿条3-4、电机3-5、齿轮3-6、传动轴3-7、滑轮3-8、导向轮3-9。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
基于现有技术中层流辊加工工序繁琐、人力成本大且层流辊质量不高的综合问题，本发明的具体实施例中引入激光高速熔覆技术代替传统的喷焊技术，将制造和再制造工艺改为熔覆前车削(属于前处理)－轴头堆焊(再制造需要)－激光高速熔覆－熔覆后精加工，并用桁架1、机械手8、自动叉车、辊架3等实现层流辊物料运输和自动加工。
具体的，如图1所示的一种层流辊制作自动化产线，包括桁架1、机械手8以及加工设备，所述加工设备包括第一车削设备2、激光高速熔覆设备6以及第二车削设备7。
所述第一车削设备2、激光高速熔覆设备6以及第二车削设备7依次顺序排列且各个加工设备的加工中心轴线在同一竖直面内，定义上述竖直平面为第一竖直面。
参照图1所示，所述第一车削设备2选用车床，用于对熔覆前进行层流辊的粗加工。所述第二车削设备7选用车削加工中心，用于对熔覆后进行层流辊的精加工，不仅可以完成轴头和辊面的车削，还可以加工键槽及轴端螺纹孔。所述激光高速熔覆设备6包括用于放置并驱动层流辊旋转的数控转台、激光发生器、送粉器、熔覆机器人，用于对层流辊表面进行强化处理。
所述桁架1靠近上述加工设备并沿上述加工设备的布置方向布置，所述桁架1靠近第一车削设备2一端为进料端，所述桁架1靠近第二车削设备7一端为出料端。所述进料端处和出料端处均设置有辊架3。
所述辊架3上设置有托盘行走部，所述托盘行走部用于承托托盘3-3，所述托盘3-3用于容纳层流辊，所述托盘行走部具有使托盘3-3在辊架3上具有沿垂直于第一竖直面运动的自由度。
所述机械手8设置在桁架1上并且具有沿桁架1布置方向行走的自由度，所述机械手8用于在上述加工设备以及辊架3之间抓取和放置层流辊。具体的，为了适应抓放层流辊，可以在机械手8上设置卡爪开合装置、卡爪间距调节装置、卡爪底座旋转装置等，技术人员可根据需要进行相应的设计，此处细节并非本发明欲强调的点，故不展开赘述。
还包括自动叉车，所述自动叉车用于将容纳有待加工的层流辊的托盘3-3放置于靠近进料端一侧的空辊架3上，以及从靠近出料端一侧的辊架3上移走容纳有加工完成的层流辊的托盘3-3。
利用上述自动化产线，上述各个加工设备、机械手8以及自动叉车均受控于控制部，形成有机协调配合的整体，并按照如下方法进行层流辊的自动化生产：
步骤一、利用自动叉车将装满待加工的层流辊的托盘3-3运输至进料端并置于进料端的辊架3上，同时确保出料端的辊架3上的托盘3-3处于有进一步容纳层流辊的状态。
步骤二、机械手8从进料端的辊架3的托盘3-3上抓取一根待加工的层流辊并运输至第一车削设备2上进行熔覆前车削。
步骤三、机械手8抓取熔覆前车削完成的层流辊并运输至激光高速熔覆设备6上进行激光高速熔覆。
步骤四、机械手8抓取激光高速熔覆完成的层流辊并运输至第二车削设备7上进行熔覆后精加工。
步骤五、机械手8抓取激光熔覆后精加工完成的层流辊并摆放至出料端一侧的辊架3上。
步骤六、待出料端一侧的辊架3上装满层流辊后，所述自动叉车将该辊架3上的托盘3-3移走。
作为优选的，在某些具体的实施例中，所述机械手8在桁架1上具有沿竖直方向运动的自由度，所述机械手8的运动平面为上述第一竖直面。机械手8在抓取和放置层流辊时，沿着桁架1移动到响应的位置，然后在竖直方向进行上下运动，完成抓取和放置的动作。
在某些具体的实施例中，所述加工设备还包括轴头堆焊设备4用于修复旧辊，轴头堆焊设备4一般包括用于放置并驱动层流辊旋转的数控滚轮架、用于堆焊轴头的移动式弧焊机器人5、除尘装置，在此不做赘述。同样的，为了抓取和放置层流辊方便起见，所述轴头堆焊设备4设置于第一车削设备2和激光高速熔覆设备6之间，且轴头堆焊设备4的加工中心轴线落在上述第一竖直面内。
在某些具体的实施例中，所述各个加工设备之间设置有辊架3。加工设备之间的辊架3一方面可以用于对前一道工序加工完成的层流辊进行过渡性放置，以免后一工序尚未处于闲置状态而无法接纳前一工序流转下来的层流辊，另一方，辊架3还可以实现当某些加工设备出现故障时对位于加工设备产线上的层流辊进行临时存放。
在某些具体的实施例中，所述托盘3-3上设置有多个相互平行的摆放架用于摆放层流辊，所述托盘3-3在辊架3上按照层流辊的轴向平行于第一竖直面的方向布置。且随着托盘3-3在辊架3上移动，所述托盘3-3上的摆放架均经过上述第一竖直面至少一次，使得托盘3-3上所有的层流辊均可以被机械手8抓取以及放置。具体的托盘3-3移动速度，需根据不同的加工设备的加工快慢进行调节，使得托盘3-3、机械手8、加工设备之间形成协调高效的状态。
在某些具体的实施例中，所述自动叉车将托盘3-3放置于靠近进料端一侧的空辊架3上时，所述托盘3-3上其中一个摆放架上的层流辊的中轴落在第一竖直面内。上述方案的实现有赖于定位系统，例如在进料端一侧的空辊架3和自动叉车上分别设备定位系统的发射端和接收端，通过发射端与接收端之间的配合定位，使得自动叉车每次摆放托盘3-3时都位置唯一。
在某些具体的实施例中，所述自动叉车响应于位于出料端一侧的辊架3上放满加工完成的层流辊后将该辊架3上的托盘3-3移走。
在某些具体的实施例中，所述加工设备之间的辊架3上，为了能够在某一时刻需要利用辊架3时，辊架3上有空位留给层流辊，需保证对应时刻辊架3上中轴位于第一竖直面内的摆放架上保持空置状态，具体可以通过产线运转起来后，按照实际情况设置相应的托盘3-3移动速度实现。
在某些具体的实施例中，如图2-4所示，所述辊架3包括轨道2-1、齿轮3-6齿条3-4机构、电机3-5、电机3-5安装座以及托盘安装架3-2。所述轨道2-1沿垂直于第一竖直面的方向布置。所述齿轮3-6齿条3-4中的齿条3-4与轨道2-1平行布置。所述电机3-5固定在电机3-5安装座上，且电机3-5的输出轴上设置有齿轮3-6齿条3-4机构中的齿轮3-6。所述托盘安装架3-3与电机3-5安装座固连，且托盘安装架3-3的下方设置有滑轮3-8，所述滑轮3-8与轨道2-1适配。
所示电机3-5带动齿轮3-6旋转，从而使得电机3-5本身、电机3-5安装座以及托盘安装架3-3沿着轨道2-1滑动。图2-4中，托盘安装架3-3下方设置有传动轴3-7，并通过传动轴3-7与电机3-5安装座固连，所述滑轮3-8设置与传动轴3-7两侧，所述轨道2-1上设置有导向轮3-9，所述滑轮3-8卡在对应的轨道2-1的导向轮3-9中间，实现按照轨道2-1所在方向的运动。
通过上述结构，使得产线运行过程中，各个辊架3上的托盘3-3在沿垂直于第一竖直面的方向运动。
在某些具体的实施例中，对于待加工的层流辊为需要修复的旧辊时，所述机械手8抓取熔覆前车削完成的层流辊并运输至轴头堆焊设备4上进行轴头堆焊。接着，所述机械手8抓取轴头堆焊完成的层流辊并运输至激光高速熔覆设备6上进行激光高速熔覆。
在某些具体的实施例中，上述过程中，当当前加工设备处于闲置状态时，所述机械手8从当前加工设备前的加工设备上抓取已完成前一道加工工序的层流辊并运输至当前加工设备进行加工。
在某些具体的实施例中，若各个加工设备之间设置有辊架3，上述过程中，则机械手8将当前加工设备加工完成的层流辊抓取并放置于紧邻其后的辊架3上。当位于该辊架3后的加工设备处于闲置状态时，所述机械手8从该辊架3上抓取已完成上一道加工工序的层流辊并置该辊架3后的加工设备上进行加工。
作为优选的，在某些具体的实施例中，所述激光高速熔覆时，采用耐热耐磨的且粒径在80mm以下的铁基粉末作为熔覆材料，如赫格纳斯生产的牌号IC-RC-31的铁基粉末，并且设置激光功率设置在2200W-2600W，熔覆厚度设置为5mm-8mm，熔覆速度为10mm/s-12mm/s。通过上述设置，熔覆后层流辊的表面平整，无明显裂纹、气孔、夹杂、软带等缺陷，辊面硬度≥HRC55。
经过上述产线以及工艺生产，能够提高层流辊制作的自动化程度，实现智能制造，生产效率较高；产线适用于新辊的制造和旧辊的修复，使得加工适应性广；并且改善了层流辊的加工工艺，使得成品的精度高、表面涂层厚度薄且耐用，质量更优。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (12)
1.一种层流辊制作自动化产线，其特征在于：包括桁架、机械手以及加工设备，所述加工设备包括第一车削设备、激光高速熔覆设备以及第二车削设备；
所述第一车削设备、激光高速熔覆设备以及第二车削设备依次顺序排列且各个加工设备的加工中心轴线在同一竖直面内，定义上述竖直面为第一竖直面；所述各个加工设备之间设置有辊架；
所述桁架靠近上述加工设备并沿上述加工设备的布置方向布置，所述桁架靠近第一车削设备一端为进料端，所述桁架靠近第二车削设备一端为出料端；所述进料端处和出料端处均设置有辊架；
所述辊架上设置有托盘行走部，所述托盘行走部用于承托托盘，所述托盘用于容纳层流辊，所述托盘行走部具有使托盘在辊架上具有沿垂直于第一竖直面运动的自由度； 所述托盘上设置有多个相互平行的摆放架用于摆放层流辊，所述托盘在辊架上按照层流辊的轴向平行于第一竖直面的方向布置；且随着托盘在辊架上移动，所述托盘上的摆放架均经过上述第一竖直面至少一次；
所述机械手设置在桁架上并且具有沿桁架布置方向行走的自由度，所述机械手用于在上述加工设备以及辊架之间抓取和放置层流辊；
还包括自动叉车，所述自动叉车用于将容纳有待加工的层流辊的托盘放置于靠近进料端一侧的空辊架上，以及从靠近出料端一侧的辊架上移走容纳有加工完成的层流辊的托盘。
2.根据权利要求1所述的层流辊制作自动化产线，其特征在于：所述机械手在桁架上具有沿竖直方向运动的自由度，所述机械手的运动平面为上述第一竖直面。
3.根据权利要求2所述的层流辊制作自动化产线，其特征在于：所述加工设备还包括轴头堆焊设备，所述轴头堆焊设备设置于第一车削设备和激光高速熔覆设备之间，且轴头堆焊设备的加工中心轴线落在上述第一竖直面内。
4.根据权利要求1所述的层流辊制作自动化产线，其特征在于：所述自动叉车将托盘放置于靠近进料端一侧的空辊架上时，所述托盘上其中一个摆放架上的层流辊的中轴落在第一竖直面内。
5.根据权利要求1所述的层流辊制作自动化产线，其特征在于：所述自动叉车响应于位于出料端一侧的辊架上放满加工完成的层流辊后将该辊架上的托盘移走。
6.根据权利要求1所述的层流辊制作自动化产线，其特征在于：所述加工设备之间的辊架上，其中中轴位于第一竖直面内的摆放架上保持空置状态。
7.根据权利要求1至6中任意一条所述的层流辊制作自动化产线，其特征在于：所述辊架包括轨道、齿轮齿条机构、电机、电机安装座以及托盘安装架；
所述轨道沿垂直于第一竖直面的方向布置；
所述齿轮齿条中的齿条与轨道平行布置；
所述电机固定在电机安装座上，且电机的输出轴上设置有齿轮齿条机构中的齿轮；
所述托盘安装架与电机安装座固连，且托盘安装架的下方设置有滑轮，所述滑轮与轨道适配。
8.一种层流辊制作自动化生产工艺，其特征在于：利用上述权利要求1-7中任意一条所述的产线，按照如下方法进行层流辊的自动化生产：
步骤一、利用自动叉车将装满待加工的层流辊的托盘运输至进料端并置于进料端的辊架上，同时确保出料端的辊架上的托盘处于有进一步容纳层流辊的状态；
步骤二、机械手从进料端的辊架的托盘上抓取一根待加工的层流辊并运输至第一车削设备上进行熔覆前车削；
步骤三、机械手抓取熔覆前车削完成的层流辊并运输至激光高速熔覆设备上进行激光高速熔覆；
步骤四、机械手抓取激光高速熔覆完成的层流辊并运输至第二车削设备上进行熔覆后精加工；
步骤五、机械手抓取激光熔覆后精加工完成的层流辊并摆放至出料端一侧的辊架上；
步骤六、待出料端一侧的辊架上装满层流辊后，所述自动叉车将该辊架上的托盘移走；
上述过程中，各个辊架上的托盘在沿垂直于第一竖直面的方向运动。
9.根据权利要求8所述的层流辊制作自动化生产工艺，其特征在于：对于待加工的层流辊为需要修复的旧辊时，所述机械手抓取熔覆前车削完成的层流辊并运输至轴头堆焊设备上进行轴头堆焊；接着，所述机械手抓取轴头堆焊完成的层流辊并运输至激光高速熔覆设备上进行激光高速熔覆。
10.根据权利要求9所述的层流辊制作自动化生产工艺，其特征在于：上述过程中，当当前加工设备处于闲置状态时，所述机械手从当前加工设备前的加工设备上抓取已完成前一道加工工序的层流辊并运输至当前加工设备进行加工。
11.根据权利要求10所述的层流辊制作自动化生产工艺，其特征在于：若各个加工设备之间设置有辊架，则机械手将当前加工设备加工完成的层流辊抓取并放置于紧邻其后的辊架上；当位于该辊架后的加工设备处于闲置状态时，所述机械手从该辊架上抓取已完成上一道加工工序的层流辊并置该辊架后的加工设备上进行加工。
12. 根据权利要求9-11中任意一条所述的层流辊制作自动化生产工艺，其特征在于：所述激光高速熔覆时，采用耐热耐磨且粒径在80um以内的铁基粉末粉末作为熔覆材料，激光功率设置在2200W-2600W，熔覆厚度设置为5mm-8mm，熔覆速度为10 mm/s -12mm/s。
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