侯志燕 ，楊勝強(qiáng) ，王會(huì)芝

（1.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

1 引言

山西太鋼不銹鋼股份有限公司所屬鋼管公司擁有目前世界上規(guī)模最大的不銹鋼無縫鋼管生產(chǎn)線，其鋼管熱擠壓機(jī)是目前全國規(guī)模最大的擠壓設(shè)備，年過鋼量為32770t，擠壓產(chǎn)品共27200t，其中荒管為22200 t，成品管為5000t[1]?；墓苤饕a(chǎn)工藝流程為：管坯—環(huán)形爐預(yù)熱—感應(yīng)爐加熱—擴(kuò)孔機(jī)—擠壓機(jī)—冷卻—荒管—精整—檢驗(yàn)—包裝入庫。由于受諸如管坯加熱溫度及速度、坯料與擠壓筒的間隙及模具設(shè)計(jì)中模角、工作帶長度和直徑等因素的影響，荒管表面易產(chǎn)生一些劃傷、毛刺、麻面、起皮等缺陷，這些缺陷在后續(xù)加工過程中不斷地加重，勢必降低鋼管不銹性和耐蝕性，嚴(yán)重地導(dǎo)致整批報(bào)廢[2]。不銹鋼荒管檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：荒管內(nèi)外表面應(yīng)光滑平整，表面不得有異物，如果出現(xiàn)表面缺陷，必須修磨，進(jìn)行精整加工，來提高荒管成材率。

由于太鋼生產(chǎn)的荒管規(guī)格多為細(xì)長、小孔徑的管件，屬于小直徑內(nèi)管深孔精整加工，加工難度較大。對(duì)這種細(xì)而長的荒管內(nèi)壁，常用人工布輥和砂輪修磨的辦法，其工廠里的工人把砂輪固定在細(xì)長桿的一端，再把細(xì)長桿和砂輪放到管內(nèi)，然后通過目測確定缺陷的位置后，移動(dòng)細(xì)長桿至缺陷位置，給砂輪通電后去除表面缺陷。這種方法勞動(dòng)強(qiáng)度高，用力不均會(huì)造成荒管“多角”、“拋焦”、“不圓”等缺陷，加工的質(zhì)量和效率完全取決于工人的技術(shù)水平，存在質(zhì)量不穩(wěn)定和效率低等問題。為此，設(shè)計(jì)出一套結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便、高效的荒管內(nèi)壁精整加工裝置，該裝置適用于細(xì)長荒管內(nèi)壁精整加工，提高了荒管表面質(zhì)量，且加工具有穩(wěn)定性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性。

2 精整加工裝置組成及工作原理

為滿足裝置可以在不銹鋼荒管內(nèi)進(jìn)退自如，且能夠適應(yīng)荒管因內(nèi)部缺陷引起的管徑變化，同時(shí)能夠高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)加工部分去除表面缺陷，完成精整加工，因此設(shè)計(jì)確定了裝置三大部分：（1）電機(jī)和軟軸等組成的動(dòng)力輸出部分；（2）磨具導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)體、浮動(dòng)塊和油石條等組成的珩磨頭部分；（3）驅(qū)動(dòng)輪和支撐輪等組成的進(jìn)給支撐部分，如圖1所示。加工時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)軸通過軟軸驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置旋轉(zhuǎn)，由于驅(qū)動(dòng)輪軸線和管道軸線有一定的夾角θ，驅(qū)使驅(qū)動(dòng)輪沿管壁做螺旋運(yùn)動(dòng)，拖動(dòng)軟軸前行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精整加工裝置的前進(jìn)，同時(shí)浮動(dòng)塊在離心力的作用下沿著磨具導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)體的滑動(dòng)槽徑向移動(dòng)，浮動(dòng)塊被甩出，由于工件內(nèi)壁的限制，固定在浮動(dòng)塊的油石條與工件內(nèi)表面接觸，在一定壓力作用下，產(chǎn)生摩擦運(yùn)動(dòng)，固定在浮動(dòng)塊的油石條緊貼管內(nèi)壁做磨削運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)荒管內(nèi)壁的精整加工。改變電機(jī)工作電流的方向，可改變電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)裝置進(jìn)退自如，從而完成整個(gè)荒管內(nèi)壁的精整加工[3]。

圖1 精整加工裝置示意圖Fig.1 Diagram of the Finishing Device

3 精整加工裝置組成各部分結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1 動(dòng)力輸出部分

由于裝置是針對(duì)內(nèi)徑為φ55的細(xì)長荒管設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)若要進(jìn)入到管內(nèi)，只能選擇微小電機(jī)，但考慮到微小電機(jī)的功率達(dá)不到要求，所以決定采用電機(jī)置于外部，通過軟軸驅(qū)動(dòng)裝置在管內(nèi)前進(jìn)的方式。動(dòng)力由電機(jī)輸出，由柔性軟軸傳遞動(dòng)力。電機(jī)和軟軸的連接，如圖2所示。連接件通過鍵和電機(jī)軸連接，連接件內(nèi)開有方孔，與軟軸方頭固定，法蘭盤與電機(jī)端面固定，起連接并固定軟軸和電機(jī)軸的作用。金屬軟軸是由內(nèi)部傳遞動(dòng)力的柔性軸及外表面數(shù)層金屬鋼絲包裹而成[4]。金屬軟軸內(nèi)柔性軸通過旋轉(zhuǎn)來傳遞動(dòng)力，而軟軸的外表面包裹層是相對(duì)靜止的。因此金屬軟軸傳遞動(dòng)力平穩(wěn)，不會(huì)產(chǎn)生任何振動(dòng)和離心力。另外，由于軟軸具有非直線或非同一平面?zhèn)鲃?dòng)特性，當(dāng)傳動(dòng)長度為幾米到十幾米時(shí)，還能滿足工作轉(zhuǎn)速接近于額定轉(zhuǎn)速，能夠遠(yuǎn)距離傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此軟軸能自主適應(yīng)管道形狀的變化，帶動(dòng)加工部件順利完成精整加工。

圖2 動(dòng)力輸出部分Fig.2 The Power Output Section

3.2 珩磨頭部分

在傳統(tǒng)的珩磨加工中，珩磨頭的徑向進(jìn)給靠脹縮機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)[5]。而該珩磨頭是利用離心力自動(dòng)調(diào)節(jié)徑向進(jìn)給[6]，結(jié)構(gòu)極其簡單，整個(gè)珩磨頭由磨具導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)體、浮動(dòng)塊、擋板、螺釘和油石條等組成。其中磨具導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)體和浮動(dòng)塊是整個(gè)珩磨頭的重要零件，三維模型，如圖3、圖4所示。磨具導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)體呈階梯狀，中間芯軸上沿圓周方向可以支撐四瓣浮動(dòng)塊，左右兩個(gè)圓盤上沿圓周方向均勻分布著四組滑動(dòng)槽，分別與四瓣浮動(dòng)塊左右兩側(cè)突出的鍵配合，起導(dǎo)向作用。浮動(dòng)塊呈扇形狀，每瓣上沿軸向分布著三個(gè)固定油石條的方槽，依次裝上油石條。四瓣浮動(dòng)塊通過兩端突出的鍵可以在磨具導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)體的滑動(dòng)槽內(nèi)自由滑動(dòng)，固定在浮動(dòng)塊槽中的油石條隨之作徑向滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了油石條的浮動(dòng)和磨削直徑的自動(dòng)調(diào)節(jié)。為防止浮動(dòng)塊在沒有內(nèi)壁的約束下飛離珩磨頭，在滑動(dòng)槽的外側(cè)開方槽，與擋板用螺釘連接。由于油石條固定在浮動(dòng)塊上并和其一起做離心運(yùn)動(dòng)，大大增加了做離心運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量，從而大大增加了離心力和油石條對(duì)荒管內(nèi)壁的壓力，進(jìn)而增加了油石條對(duì)荒管內(nèi)壁的磨削力。

圖3 磨具導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)體三維模型圖Fig.3 3D Model of the Abrasive Guide Revolver

圖4 浮動(dòng)塊三維模型圖Fig..4 3D Model of the Slider

3.3 進(jìn)給支撐部分

進(jìn)給支撐部分采用輪式螺旋驅(qū)動(dòng)方式[7]，主要由驅(qū)動(dòng)輪、支撐輪、輪軸、驅(qū)動(dòng)輪桿、支撐輪桿、壓縮彈簧等組成。為保證該裝置穩(wěn)定自如在管內(nèi)行走，驅(qū)動(dòng)輪和支撐輪沿圓周方向均勻分布3組，分別通過驅(qū)動(dòng)輪桿和支撐輪桿安裝在磨具導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)體左右兩端的輪桿導(dǎo)向孔中，其中支撐輪的軸線與管道軸線平行，起支撐導(dǎo)向作用，驅(qū)動(dòng)輪軸線與管道軸線呈一定的傾斜角θ，可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直接轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)[8]。當(dāng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩通過軟軸傳遞給驅(qū)動(dòng)輪后，在軸線方向上產(chǎn)生的分力為裝置提供了沿管道軸線前進(jìn)或后退的動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)輪與管壁的正壓力越大，則驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力越大。此外，六個(gè)輪桿上均裝有壓縮彈簧，在彈簧的作用下壓緊在管壁上，可以使自給裝置獲得更加穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)力，使裝置進(jìn)退自如[9]。

4 精整加工裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真分析

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，精整加工裝置之所以能在管道中以穩(wěn)定的速度行走，驅(qū)動(dòng)輪軸線和管道軸線的夾角、驅(qū)動(dòng)輪桿上的壓縮彈簧的預(yù)壓力對(duì)裝置移動(dòng)速度、牽引力及油石條磨削力等有著直接的影響。因此利用UG建立裝置模型，導(dǎo)入ADAMS軟件對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真分析，最終確定合適的θ角和彈簧預(yù)壓力的值，為下一步制作樣機(jī)提供了依據(jù)[10]。導(dǎo)入ADAMS中賦予材料屬性、添加約束后的模型，如圖5所示。

圖5 不銹鋼荒管內(nèi)壁精整加工裝置模型Fig.5 3D Model for Finishing Machining Device of Semi-Finished Stainless Steel Tube

4.1 驅(qū)動(dòng)輪軸線和管道軸線的夾角對(duì)牽引力的影響

當(dāng)電機(jī)的輸出力矩一定時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪軸線和管道軸線的夾角θ越大，牽引力越小，裝置的移動(dòng)速度越大，從而使同一表面加工時(shí)間變短，造成加工效果不明顯，因此θ應(yīng)盡量小，通過仿真得出為彈簧預(yù)壓力為一定時(shí)，θ分別為 1°、2°、3°、4°、5°時(shí)牽引力隨角度的變化情況，得出當(dāng)θ角從1°變化到5°時(shí)，牽引的大小從27.351N變?yōu)?3.835N。θ角為1°時(shí)，牽引力隨時(shí)間的變化，如圖6所示?？紤]到加工工藝的限制，在滿足裝置的移動(dòng)速度的前提下選擇θ角度值為1°。

圖6 牽引力隨時(shí)間的變化曲線Fig.6 Change Curve of Traction Along with the Time

4.2 輪桿上彈簧的預(yù)壓力對(duì)牽引力的影響

由理論分析可知，彈簧預(yù)壓力增加，會(huì)使輪子和管內(nèi)壁的摩擦力增加，從而使裝置前進(jìn)時(shí)電機(jī)所做的功增加，當(dāng)彈簧預(yù)壓力增加到一定值時(shí)，加工裝置將會(huì)由于輪子和管壁的摩擦力太大而導(dǎo)致電機(jī)不能帶動(dòng)裝置前進(jìn)，影響加工效率。因此選擇彈簧時(shí)預(yù)壓力不能過大，以滿足輪子不打滑為好。由仿真得出六個(gè)輪腿上的彈簧預(yù)壓力分別為150N、100N、50N時(shí)，牽引力的大小分別為second、three、four曲線，如圖7所示。由圖7得出彈簧預(yù)壓力變小時(shí)，牽引力變大，裝置的移動(dòng)速度越小，從而使同一表面加工時(shí)間變長，有利于荒管內(nèi)壁的加工，當(dāng)彈簧預(yù)壓力為50N時(shí)，由仿真可知，輪子的角加速度為0，因此輪子勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，沒有出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。結(jié)合實(shí)際情況，本裝置設(shè)計(jì)的時(shí)候彈簧預(yù)壓力選用了50N。

圖7 不同彈簧預(yù)壓力下牽引力對(duì)比圖Fig.7 Contrast Diagram of Traction with Different Spring Preload

4.3 裝置運(yùn)動(dòng)過程中裝置質(zhì)心位置隨時(shí)間的變化

當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪軸線和管道軸線的夾角為1°時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為940r/min時(shí)，彈簧預(yù)壓力為50N時(shí)，裝置質(zhì)心位置隨時(shí)間的變化，如圖8所示。由圖可知，裝置質(zhì)心的位置基本穩(wěn)定，說明裝置在行走的過程中穩(wěn)定性好，即保證了裝置對(duì)不銹鋼荒管內(nèi)壁精整加工的均勻性。

圖8 裝置質(zhì)心位置隨時(shí)間的變化Fig.8 Change Curve of the Center of the Device Along with Time

5 不銹鋼荒管內(nèi)壁初步試驗(yàn)研究

5.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)條件如下：試件為內(nèi)徑為φ55mm，壁厚為5mm，長1.5mm的無縫不銹鋼荒管，其原始平均粗糙度值為Ra1.386μm；選擇型號(hào)為Y2-112M-6三相異步電動(dòng)機(jī)，額定功率為2.2kW，額定轉(zhuǎn)速940r/min；根據(jù)功率大小選擇直徑8mm，長度1.5mm，G型動(dòng)力傳動(dòng)用鋼絲軟軸；油石條材料為碳化硼，規(guī)格為（5×10×30）mm，粒度800目；測試儀器為Ivp6-4vd-150電子內(nèi)窺鏡，Perthometer M2 1.4_0.0粗糙度儀，秒表，卷尺。

5.2 實(shí)驗(yàn)過程

為掌握裝置在荒管中的運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)沒有安裝油石條的裝置進(jìn)行速度測試，首先將荒管水平放置，然后將裝置放置荒管內(nèi)，并對(duì)入口處軟軸標(biāo)識(shí)記號(hào)，啟動(dòng)電機(jī)，取5s為測試時(shí)間，關(guān)閉電機(jī)，對(duì)入口處軟軸中再次標(biāo)識(shí)記號(hào)。量出兩處記號(hào)之間距離，即為裝置行走的距離，通過測試得出5組數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 裝置沿水平方向平均速度Tab.1 Average Velocity of the Device Along the Horizontal Direction

通過5組實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在940r/min時(shí)，測試得出裝置在荒道中沿水平方向平均最大進(jìn)給速度45.8mm/s，裝置在荒管內(nèi)運(yùn)行平穩(wěn)。

安裝油石條，裝置放入荒管入口，啟動(dòng)電機(jī)，珩磨頭加工30s后，改變電機(jī)電流極性，珩磨頭反向加工30s，回到初始位置，關(guān)閉電機(jī)。如此反復(fù)6次，加工完畢。為了測試精整加工后荒管內(nèi)表面的粗糙度值，在荒管管口內(nèi)表面式樣沿軸向一定的周向區(qū)域選取8個(gè)標(biāo)記點(diǎn)測量其表面粗糙度，取其平均值作為該時(shí)刻的粗糙度值，即平均粗糙度值。

5.3 實(shí)驗(yàn)效果

用Ivp6-4vd-150電子內(nèi)窺鏡觀察到加工前荒管內(nèi)壁情況，可看出不銹鋼荒管內(nèi)表面缺陷主要為沿軋制方向的螺旋線紋、劃傷和與機(jī)體相連的翹皮及微裂紋。加工6min后，觀察內(nèi)壁情況，如圖9所示。試件加工前后內(nèi)壁對(duì)比照片情況，加工后表面翹皮消失，螺旋狀劃痕減輕。用Perthometer M2 1.4_0.0粗糙度儀測試粗糙度值，如表2所示。

表2 不同時(shí)刻平均粗糙度值Tab.2 Average Roughness Value at Different Time

圖9 荒管加工前后內(nèi)壁對(duì)比照片F(xiàn)ig.9 Contrast Photograph for Inner Surface of Semi-Finished Stainless Steel Tubes Before and After Processing

從表2可知：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為940r/min時(shí)，用800目的碳化硼加工工件，在360s的時(shí)間內(nèi)可將荒管內(nèi)壁粗糙度值從開始的Ra1.386μm 降到 Ra0.613μm。

6 結(jié)論

通過初步實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：（1）該裝置通過軟軸傳遞轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)珩磨頭部分的高速旋轉(zhuǎn)，從而完成精整加工是可行的。（2）該裝置通過控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)和驅(qū)動(dòng)輪的共同作用，可以實(shí)現(xiàn)軟軸帶動(dòng)加工頭進(jìn)退自如。（3）對(duì)于不銹鋼荒管，該裝置選擇高轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給速度，并配備高硬度油石條來加工，一定時(shí)間后，內(nèi)壁表面缺陷減輕，表面粗糙度值提高，加工效果明顯。（4）油石條對(duì)管壁的磨削力可以隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，也可以通過改變油石條的粒度、材料等來調(diào)節(jié)珩磨頭的磨削效率，從而控制多個(gè)變量來實(shí)現(xiàn)荒管內(nèi)壁的精整加工。