陳 凱，張玉華，劉萬(wàn)順，任 星，宋新環(huán)

(1.天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384;2.天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384)

0 前言

近年來(lái)隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的加快及石油、天然氣工程的快速發(fā)展，城市輸水、熱力管網(wǎng)和石油及天然氣的運(yùn)輸越來(lái)越重要，而鋼管又是最常用的管道輸送方式，這將促進(jìn)我國(guó)的鋼管行業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)鋼管的需求量也越來(lái)越大。與此同時(shí)，對(duì)鋼管尺寸的要求也越來(lái)越多、越來(lái)越精確。倒棱機(jī)是鋼管加工線上必不可少的精加工設(shè)備，主要是對(duì)鋼管進(jìn)行去毛邊、倒棱、平端面的加工。傳統(tǒng)的倒棱機(jī)由于結(jié)構(gòu)單一已經(jīng)無(wú)法滿足各行各業(yè)對(duì)不同口徑鋼管及壁厚的加工要求。針對(duì)這一主要問(wèn)題，本課題組研制了一種新型的銑頭倒棱機(jī)，其結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)形式都與傳統(tǒng)倒棱機(jī)不同，該設(shè)備增大了機(jī)器的加工范圍，特別適用于厚壁鋼管加工。

1 傳統(tǒng)鋼管平頭倒棱機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 傳統(tǒng)平頭倒棱機(jī)工作原理

傳統(tǒng)平頭倒棱機(jī)簡(jiǎn)圖如圖1所示，它主要由動(dòng)力頭及可使動(dòng)力頭和刀盤沿軸向移動(dòng)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)構(gòu)成(圖中未畫出)，倒棱刀和平頭刀固定在動(dòng)力頭主軸的刀盤上，倒棱刀用于對(duì)鋼管外棱倒角，平頭刀用于對(duì)鋼管平端面。刀盤通過(guò)進(jìn)給機(jī)構(gòu)沿軸向的進(jìn)給，可使倒棱刀和平頭刀逼近鋼管，交流電動(dòng)機(jī)通過(guò)動(dòng)力頭將動(dòng)力傳到刀盤主軸上，主軸帶動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，刀盤旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而對(duì)鋼管端面進(jìn)行加工。

1.2 傳統(tǒng)平頭倒棱機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)

傳統(tǒng)平頭倒棱機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定性好，加工效率高、精度較高;其局限性表現(xiàn)在倒棱刀在進(jìn)給過(guò)程中由于鋼管壁厚的增大，刀具受切削刃長(zhǎng)度及剛度的限制，可能導(dǎo)致切削過(guò)程中振動(dòng)過(guò)大，出現(xiàn)打刀或?qū)е录庸っ娌y狀，甚至導(dǎo)致加工失敗。綜上所述，由于傳統(tǒng)倒棱機(jī)刀具相對(duì)鋼管沒(méi)有自轉(zhuǎn)，只有公轉(zhuǎn)，鋼管壁厚對(duì)加工影響較大，因而傳統(tǒng)平頭倒棱機(jī)不能加工壁厚鋼管，一般來(lái)說(shuō)，鋼管壁厚不應(yīng)超過(guò)30 mm。

2 新型銑頭倒棱機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

2.1 新型平頭倒棱機(jī)

該設(shè)備采用自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方式，使加工刀盤在自轉(zhuǎn)的同時(shí)，沿鋼管端面進(jìn)行公轉(zhuǎn)，同時(shí)安裝兩個(gè)刀盤，分別進(jìn)行銑端面和倒外棱工作，一次加工可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管壁的外棱倒角及端面加工;該設(shè)備與上料裝置及夾緊裝置等組成鋼管自動(dòng)精整加工生產(chǎn)線，使加工鋼管范圍大大提高，其加工鋼管壁厚范圍完全滿足目前國(guó)際加工需求，設(shè)計(jì)加工鋼管壁厚≤80 mm，滿足石油等行業(yè)對(duì)鋼管的加工要求，解決了大口徑、大壁厚、高鋼級(jí)鋼管的精整加工問(wèn)題，且設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，加工能力大、質(zhì)量好、效率高。

2.2 總體結(jié)構(gòu)

新型銑頭倒棱機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，支撐底座1上表面通過(guò)直線導(dǎo)軌安裝移動(dòng)底座8，移動(dòng)底座8與支撐底座1形成滑動(dòng)配合。中心齒輪傳動(dòng)裝置2與龍門架11均安裝在移動(dòng)底座8上，進(jìn)給機(jī)構(gòu)3由伺服電機(jī)、減速機(jī)、滾珠絲杠組成，當(dāng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)減速機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而通過(guò)絲杠螺母驅(qū)動(dòng)移動(dòng)底座8相對(duì)支撐底座1移動(dòng)，達(dá)到進(jìn)給的目的。

圖2 新型銑頭倒棱機(jī)Fig.2 New type of milling head chamfering machine

大盤10上安裝有倒棱刀6、平頭刀7及隨動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)9，大盤10通過(guò)支撐機(jī)構(gòu)12和導(dǎo)向定位機(jī)構(gòu)13安裝在龍門架11內(nèi)，通過(guò)公轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置4可使大盤10在龍門架11內(nèi)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)公轉(zhuǎn)。

刀盤系統(tǒng)分為平頭刀盤機(jī)構(gòu)和倒棱刀盤機(jī)構(gòu)，兩刀盤機(jī)構(gòu)對(duì)稱安裝在大盤上。

(1)平頭刀盤機(jī)構(gòu)(圖3)，其主要由過(guò)渡板4、平頭銑刀10組成，平頭銑刀固定在第一過(guò)渡板4上，刀柄主軸通過(guò)聯(lián)軸器與隨動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)連接，通過(guò)徑向調(diào)節(jié)裝置5移動(dòng)過(guò)渡板，達(dá)到調(diào)整刀盤徑向位置的目的。

(2)倒棱刀盤機(jī)構(gòu)(圖3)，其主要由第一、二過(guò)渡板2和3、倒棱刀盤6、仿形機(jī)構(gòu)組成，第一層過(guò)渡板2安裝有徑向調(diào)節(jié)裝置5，通過(guò)導(dǎo)軌定位在大盤11上;兩過(guò)渡板2、3通過(guò)導(dǎo)軌定位連接，通過(guò)壓緊彈簧1使得第二過(guò)渡板3保持徑向預(yù)壓緊狀態(tài)，仿形輥輪8通過(guò)仿形臂7也安裝在第二層過(guò)渡板上，消除鋼管的圓度和壁厚誤差引起的加工問(wèn)題，在加工過(guò)程中完成仿形運(yùn)動(dòng)。

鋼管加工前，首先通過(guò)調(diào)節(jié)裝置5使兩刀的距離和鋼管直徑吻合，加工開(kāi)始時(shí)大盤11旋轉(zhuǎn)，輥輪8沿鋼管9表面公轉(zhuǎn)，由于壓緊彈簧1的作用，輥輪8始終保持與鋼管緊密接觸，當(dāng)鋼管外徑圓度發(fā)生變化后(圖4)，通過(guò)與輥輪8及仿形臂7，直接帶動(dòng)第二過(guò)渡板移動(dòng)，兩過(guò)渡板間的壓緊彈簧可以使刀具加工位置沿鋼管徑向進(jìn)行微調(diào)，所以倒棱刀盤中銑刀的位置時(shí)刻隨著鋼管直徑的變化而變化(如圖4虛線所示)，實(shí)現(xiàn)仿形的作用，達(dá)到加工精確均勻的效果。

2.3 隨動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)

隨動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能:①將動(dòng)力從中心齒輪傳遞到刀具上，實(shí)現(xiàn)刀盤的自傳;②適應(yīng)刀盤位置調(diào)整，實(shí)現(xiàn)不同管徑鋼管的加工。

(1)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。如圖5所示，隨動(dòng)齒輪2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的支架安裝在大盤上，其固定支架軸7與中心齒輪1軸的相對(duì)位置不變，所以在大盤旋轉(zhuǎn)時(shí)固定齒輪8可以同時(shí)完成繞自身軸線的自轉(zhuǎn)和繞鋼管軸線的公轉(zhuǎn)。

圖5 刀盤傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.5 Gear drive mechanism of cutter

刀盤軸與移動(dòng)支架軸3連接，中心齒輪1通過(guò)固定齒輪8、過(guò)渡齒輪4及隨動(dòng)齒輪2將動(dòng)力傳遞給刀盤。當(dāng)改變加工鋼管規(guī)格時(shí)，刀盤機(jī)構(gòu)可在大盤直徑方向上移動(dòng)，與中心齒輪1嚙合的刀盤隨動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的固定支架軸不動(dòng)，而過(guò)渡齒輪4和隨動(dòng)齒輪2會(huì)配合刀盤的主軸移動(dòng)。傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)對(duì)稱布置兩套，分別通過(guò)中心齒輪與傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)配合，與移動(dòng)支架軸3相連的倒棱刀和銑平面刀連接輸出動(dòng)力。

(2)實(shí)現(xiàn)加工不同管徑:加工管徑的范圍直接由傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的尺寸決定，在傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)中，其隨動(dòng)齒輪軸3與主軸上中心齒輪同軸線(圖5)。

圖5左圖為鋼管加工的最大半徑，右圖為鋼管加工的最小半徑，兩條虛線之間即為倒棱機(jī)所加工的鋼管半徑的范圍。在考慮加工過(guò)程中不發(fā)生干涉現(xiàn)象，最小直徑為φ410 mm，最大直徑為φ710 mm。

3 實(shí)例加工

加工壁厚50 mm、直徑710 mm，鋼管的加工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鋼管的加工參數(shù)Tab.1 Technological parameters of the pipe

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得銑削力Fc=1 389 N，離心力Frc=mr(2π·n)2=354 N

倒棱刀盤總重力G=mg=558 N

仿形力用于將輥輪壓在鋼管外壁上，所以仿形力應(yīng)大于銑削力向外的分力和離心力的合力才能保證使其一直沿著鋼管外壁運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)估鈾C(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到下方時(shí)，倒棱刀盤的重力也應(yīng)考慮進(jìn)去:查設(shè)計(jì)手冊(cè)可得預(yù)緊比例系數(shù)k=1.2～1.5，倒棱刀具加工角度為30°～50°。

仿形力預(yù)緊力F=(G+Frc+Fc·sin50°)·k=2 568 N

進(jìn)給長(zhǎng)度L=(50-1.6)×tan50=57.68 mm

4 結(jié)論

新型鋼管銑頭倒棱機(jī)可以對(duì)大口徑、大壁厚鋼管的端面進(jìn)行加工，這種設(shè)計(jì)對(duì)鋼管的加工適應(yīng)能力強(qiáng)，在加工不同規(guī)格直徑的鋼管時(shí)不用更換機(jī)器，節(jié)省了大量財(cái)力物力，同時(shí)又能消除鋼管成型過(guò)程中產(chǎn)生的圓度誤差問(wèn)題，提高了自動(dòng)化程度及加工效率，是鋼管精加工及大量生產(chǎn)必需的實(shí)用設(shè)備。

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