李潮偉　何靜　楊彪　王建　袁軍

摘 要：該文針對(duì)核設(shè)備環(huán)形端接焊縫的結(jié)構(gòu)形式和焊縫切割需求，研制了適用于現(xiàn)場(chǎng)切割的專(zhuān)用切割裝置，對(duì)裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、切削試驗(yàn)情況和結(jié)果進(jìn)行了說(shuō)明。切削試驗(yàn)的結(jié)果表明：切割裝置的設(shè)計(jì)和使用滿足核設(shè)備環(huán)形端接焊縫切割以及后續(xù)坡口加工的要求。焊縫切割和坡口加工的尺寸精度和形位公差滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：環(huán)形端接焊縫 切割裝置 切割試驗(yàn) 核設(shè)備

中圖分類(lèi)號(hào)：TH123 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）11（a）-0082-02

某核設(shè)備存在環(huán)形端接結(jié)構(gòu)焊縫，在該設(shè)備維修時(shí)，需要對(duì)環(huán)形端接焊縫進(jìn)行切斷加工，同時(shí)，為滿足新零件的安裝要求，還需對(duì)原焊縫坡口進(jìn)行加工。由于該整體結(jié)構(gòu)尺寸較大，必須在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行切割和坡口加工工作。通過(guò)調(diào)研，現(xiàn)有的內(nèi)漲式管道坡口機(jī)、外卡式管道坡口機(jī)和法蘭加工機(jī)等切割設(shè)備無(wú)法直接滿足該核設(shè)備環(huán)形端接焊縫的加工要求，需設(shè)計(jì)專(zhuān)用的焊縫切割裝置，實(shí)現(xiàn)環(huán)形端接焊縫的切割以及后續(xù)的坡口加工工作。

1 設(shè)計(jì)要求

（1）可實(shí)現(xiàn)環(huán)形端接焊縫的切斷加工，切割的材料為鎳基合金，切割直徑約為Φ350 mm，切割深度約為30 mm。

（2）可實(shí)現(xiàn)環(huán)形端接焊縫的坡口加工，坡口形式為待鈍邊的V型坡口，鈍邊寬度約為3 mm，坡口角度約為20°。

（3）環(huán)型端接焊縫周?chē)诩sФ450 mm的圓周上均勻布置了若干個(gè)可利用的法蘭式安裝螺紋孔。

（4）切割裝置的運(yùn)行穩(wěn)定可靠，切割進(jìn)刀方式為自動(dòng)進(jìn)刀。

2 設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)原理

2.1 總體思路

根據(jù)待切割焊縫和待加工坡口的結(jié)構(gòu)形式，總體上確定采用車(chē)削原理設(shè)計(jì)切割裝置。刀具繞焊縫中心做圓周旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)焊縫切割。首先將環(huán)形端接焊縫切斷，拆除更換的零件，然后進(jìn)行坡口加工。

焊縫切割裝置包括：動(dòng)力源、傳動(dòng)部分、連接部分、刀架和刀具5個(gè)部分。采用電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，配套設(shè)計(jì)傳動(dòng)頭，在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)軸向機(jī)械走刀進(jìn)給。傳動(dòng)頭的輸出軸處設(shè)計(jì)安裝刀架，實(shí)現(xiàn)刀具的周向旋轉(zhuǎn)和軸向進(jìn)給。同時(shí)為了滿足端面和V型坡口的加工需求，再設(shè)計(jì)兩套刀架，將傳動(dòng)頭輸出的軸向進(jìn)給轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蜻M(jìn)給和沿指定角度進(jìn)給。設(shè)計(jì)連接支撐，用于安裝固定傳動(dòng)頭，支座通過(guò)焊縫周?chē)衫玫陌惭b螺紋孔進(jìn)行定位夾緊。

2.2 設(shè)計(jì)原理

環(huán)形端接焊縫切割裝置總體分為5個(gè)部分：減速電機(jī)、傳動(dòng)頭、支座、刀架、刀具。

傳動(dòng)頭的設(shè)計(jì)需滿足刀具的轉(zhuǎn)速和扭矩要求，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)機(jī)械走刀進(jìn)給。傳動(dòng)頭采用主軸旋轉(zhuǎn)，副軸減速、差速進(jìn)給原理實(shí)現(xiàn)機(jī)械走刀。傳動(dòng)頭可實(shí)現(xiàn)機(jī)械走刀的通與斷、手動(dòng)走刀以及進(jìn)刀量顯示。傳動(dòng)頭應(yīng)實(shí)現(xiàn)刀具切割扭矩增大時(shí)的自動(dòng)斷開(kāi)，避免損壞切割系統(tǒng)。

支座的設(shè)計(jì)同時(shí)考慮與帶切設(shè)備和切割裝置的定位安裝。

焊縫切割用刀架設(shè)計(jì)為平面卡盤(pán)結(jié)構(gòu)，安裝在傳動(dòng)頭的輸出軸上，刀具安裝在平面卡盤(pán)上，傳動(dòng)頭輸出軸帶動(dòng)刀架和車(chē)刀的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給即可實(shí)現(xiàn)焊縫切割。焊縫端面加工用刀架需實(shí)現(xiàn)把輸出軸的軸向進(jìn)給轉(zhuǎn)換為沿焊縫端面的徑向進(jìn)給。V型坡口加工用刀架需實(shí)現(xiàn)把傳動(dòng)頭輸出軸的軸向進(jìn)給轉(zhuǎn)換為沿坡口表面的軸向和徑向同時(shí)進(jìn)給。

刀具的設(shè)計(jì)考慮待切割焊縫和待加工表面的形狀及材料性能，確定刀具切割焊縫所需的線轉(zhuǎn)速和扭矩。為了方便實(shí)現(xiàn)坡口和溝槽異型表面的加工，考慮設(shè)計(jì)成型刀來(lái)滿足加工要求。

3 結(jié)構(gòu)說(shuō)明和工作原理

該套裝置主要分為5個(gè)部分：減速電機(jī)、傳動(dòng)頭、支座、刀架和車(chē)刀。

（1）電機(jī)選型。

根據(jù)待切割材料的特點(diǎn)、擬定的切割線速度和切割厚度，計(jì)算切削力矩，在考慮一定的安全系數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行電機(jī)的選型，確定的減速電機(jī)功率為1 500 W，輸出轉(zhuǎn)速為200 r/min，輸出扭矩為70 N·m。減速電機(jī)以法蘭連接的方式與傳動(dòng)頭相連，電機(jī)的空心軸與蝸桿采用鍵連接。

（2）傳動(dòng)頭結(jié)構(gòu)說(shuō)明。

傳動(dòng)頭部分用作切割焊縫、加工端面、加工坡口工作的傳動(dòng)部分，將減速電機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為周向旋轉(zhuǎn)和軸向向進(jìn)給。傳動(dòng)頭內(nèi)安裝有主傳動(dòng)回路—— 用來(lái)旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸，以及輔助傳動(dòng)回路—— 用來(lái)使傳動(dòng)軸做軸向的機(jī)械移動(dòng)和手動(dòng)移動(dòng)。

①主傳動(dòng)回路—— 從電機(jī)的轉(zhuǎn)矩開(kāi)始通過(guò)蝸桿傳動(dòng)蝸輪，通過(guò)套筒傳遞給傳動(dòng)軸，蝸輪與套筒以及套筒與傳動(dòng)軸之間采用鍵連接。蝸桿在軸承內(nèi)旋轉(zhuǎn)，并由止推軸承、端蓋對(duì)其進(jìn)行軸向限位。套筒在軸承內(nèi)旋轉(zhuǎn)，并由止推軸承、端蓋對(duì)其進(jìn)行軸向限位。在套筒上安裝有齒輪，它將主傳動(dòng)回路的轉(zhuǎn)矩傳遞給輔助傳動(dòng)回路。在套筒上安裝了一個(gè)螺桿，并帶有螺母，螺母安裝并固定在傳動(dòng)軸的上端，用來(lái)使傳動(dòng)軸做軸向移動(dòng)。螺桿的軸向移動(dòng)由止推軸承、螺母和螺釘來(lái)進(jìn)行限位。

②輔助傳動(dòng)回路—— 傳動(dòng)軸的機(jī)械走刀傳動(dòng)鏈由主軸齒輪傳動(dòng)給副軸齒輪，再傳回主軸，通過(guò)銷(xiāo)釘傳給撥桿，撥桿通過(guò)與螺桿的鍵連接方式把轉(zhuǎn)動(dòng)傳給螺桿，螺桿與傳動(dòng)軸之間有轉(zhuǎn)速差，實(shí)現(xiàn)機(jī)械走刀。

③副軸保險(xiǎn)離合器—— 離合器由外殼、螺釘、彈簧、鋼珠組成，鋼珠被彈簧壓在軸的錐形凹槽內(nèi)。當(dāng)傳動(dòng)軸機(jī)械走刀回路里的轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，鋼珠就會(huì)從錐形凹槽內(nèi)滾出來(lái)，從而停止進(jìn)刀。

④機(jī)械走刀離合器—— 轉(zhuǎn)動(dòng)手柄即可實(shí)現(xiàn)機(jī)械走刀的通與斷。轉(zhuǎn)動(dòng)手柄時(shí)，凸輪會(huì)使法蘭提升或下降，在法蘭上安裝3個(gè)銷(xiāo)釘，接通時(shí)，3個(gè)銷(xiāo)釘中的一個(gè)與撥桿的銷(xiāo)嚙合，斷開(kāi)時(shí)則脫開(kāi)。

⑤傳動(dòng)軸手動(dòng)進(jìn)刀—— 通過(guò)卡鎖和撥桿來(lái)實(shí)現(xiàn)。卡鎖由罩、外殼、彈簧和銷(xiāo)組成。按下并旋轉(zhuǎn)卡鎖，即可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)進(jìn)刀和退刀。

（3）環(huán)形端接焊縫切割裝置。

環(huán)形端接焊縫切割工序用到的切割裝置包括傳動(dòng)頭、支座部分、刀架、刀具。刀具安裝在刀架上，刀架固定在傳動(dòng)頭上，傳動(dòng)頭通過(guò)支座部分固定在焊縫周?chē)陌惭b螺紋孔上。傳動(dòng)頭動(dòng)刀架和刀具進(jìn)行周向旋轉(zhuǎn)和軸向進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)焊縫切割。

4 切割試驗(yàn)

4.1 切割試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)環(huán)形端接焊縫切割試件，采用環(huán)形端接焊縫切割裝置，開(kāi)展焊縫切割以及坡口加工試驗(yàn)。由于環(huán)形端接焊縫實(shí)際為價(jià)格較高的鎳基合金材料，所以首先開(kāi)展碳鋼切削試驗(yàn)和不銹鋼切削試驗(yàn)，驗(yàn)證環(huán)形端接焊縫切割裝置的可行性，以及坡口加工后的形狀，最后采用鎳基合金材料進(jìn)行切削試驗(yàn)，驗(yàn)證刀具等。

4.2 切割試件設(shè)計(jì)與準(zhǔn)備

根據(jù)環(huán)形端接焊縫的實(shí)際結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)平板切割試件，試件厚度為40 mm，外徑為Ф510 mm。分別采用碳鋼和不銹鋼材料加工了切割試件，同時(shí)制備了一件鎳基合金材料的切割試件。

4.3 碳鋼切削試驗(yàn)

4.3.1 試驗(yàn)過(guò)程

首先進(jìn)行焊縫切割試驗(yàn)，采用焊縫切割裝置在切割試件上切割外圓為Ф340 mm，寬度為8 mm，深度為30 mm的環(huán)形槽；第二步，采用機(jī)加工手段去除Ф340 mm環(huán)餅，便于后續(xù)坡口加工試驗(yàn)；第三步，進(jìn)行端面加工試驗(yàn)，更換刀架和刀具，去除焊縫余高部分；最后，進(jìn)行坡口加工試驗(yàn)，更換刀架和刀具，加工外徑為Ф366.7 mm、角度為20°、深度為28 mm的坡口。

4.3.2 存在的問(wèn)題

（1）加工后Ф340 mm尺寸偏大，實(shí)測(cè)值為Ф341.6 mm；

（2）加工到深度30 mm后無(wú)法實(shí)現(xiàn)手動(dòng)退刀；

（3）坡口加工時(shí)，顫刀現(xiàn)象嚴(yán)重，表面粗糙度過(guò)大。

4.3.3 解決方法

（1）檢查刀具尺寸，測(cè)量后發(fā)現(xiàn)刀具尺寸超差，重新加工刀具；

（2）在檢查傳動(dòng)頭差速進(jìn)給部件后，發(fā)現(xiàn)銅合金材料的螺母嚴(yán)重磨損，采用強(qiáng)度更高的銅合金重新加工該零件，提高耐磨強(qiáng)度；

（3）調(diào)整坡口加工工藝，通過(guò)改變刀具角度減少吃刀量。

4.4 鎳基合金切削試驗(yàn)

不銹鋼切割試件的切削試驗(yàn)已經(jīng)證明該套焊縫切割裝置滿足功能使用要求，但由于鎳基合金可切削性能差，所以開(kāi)展鎳基合金切削試驗(yàn)的重點(diǎn)在于考驗(yàn)刀具的性能。

在鎳基合金試件切削試驗(yàn)中多次出現(xiàn)刀具磨損嚴(yán)重以及崩刀現(xiàn)象。

4.4.1原因分析

刀具磨損嚴(yán)重以及崩刀現(xiàn)象可能由多個(gè)因素導(dǎo)致：刀具切削線速度、切削進(jìn)刀量、刀具材料和刀具切削角度等。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，首先排除了由于切削線速度和切削進(jìn)刀量不合適而導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重的情況。

在切割裝置刀具設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了保證刀具的強(qiáng)度，刀具前角設(shè)計(jì)的較小，并且取消了排削槽，切割試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，刀具切削性能較差，并且排削不暢。因此，刀具的材料和刀具的切削角度選用不當(dāng)是導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重的主要原因。

4.4.2 解決措施

選用不同牌號(hào)的硬質(zhì)合金刀片加工刀具，開(kāi)展了切削試驗(yàn)，最終確認(rèn)選擇硬質(zhì)合金YG8材料加工刀具。同時(shí)，增大了刀具的切削前角α，由8°增大到10°，增加了半徑為6 mm的排削槽，排削槽距離刀尖0.2 mm。

4.4.3 切割試驗(yàn)結(jié)果

采用焊縫切割裝置在鎳基合金切割試件上進(jìn)行了切削試驗(yàn)，通過(guò)刀具材料的更改以及刀具排削槽的改進(jìn)，找出了一種適合切削鎳基合金材料的途徑，結(jié)果表明：改進(jìn)后的刀具滿足鎳基合金材料的切削要求，該套切割裝置滿足環(huán)形端接焊縫切割和坡口加工要求。

5 結(jié)語(yǔ)

研制的專(zhuān)用切割裝置運(yùn)行穩(wěn)定，滿足現(xiàn)場(chǎng)切割操作需求，實(shí)現(xiàn)了環(huán)形端接焊縫切割以及坡口加工的要求，焊縫切割和坡口加工的尺寸精度和形位公差滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

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