郭 瑞，張玉華

（天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300381）

0 引言

近些年，伴隨著我國天然氣工程的快速發(fā)展、海洋油氣進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)階段以及城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快，包括西氣東輸工程、中俄油氣管道、中緬油氣管道、海洋油氣管道等，鋼管行業(yè)將有很大的發(fā)展，與此同時對鋼管的要求也隨之更高，市場上大口徑、大壁厚的鋼管已經(jīng)有很大需求。

而平頭倒棱機(jī)是鋼管精裝線中必不可少的深加工設(shè)備，主要用于對于鋼管進(jìn)行去毛刺、管端倒棱、平端面的加工。隨著市場對鋼管的高要求，傳統(tǒng)的平頭倒棱機(jī)由于受結(jié)構(gòu)限制，已經(jīng)很難滿足對大口徑厚壁鋼管的加工要求，而且設(shè)備穩(wěn)定性較差、加工精度不夠高。

針對這些問題，本課題組最新研制了一種新型全自動平頭倒棱機(jī)，它與傳統(tǒng)的平頭倒棱機(jī)無論在運動形式上、還是在結(jié)構(gòu)上都不相同，該設(shè)備增大了設(shè)備的加工范圍、增強(qiáng)了設(shè)備的穩(wěn)定性及提高了加工精度。

1 普通鋼管平頭倒棱機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

1.1 普通平頭倒棱機(jī)適用鋼管規(guī)格

外徑?140.0～?426.0mm；壁厚5～30mm。

1.2 普通鋼管平頭倒棱機(jī)的結(jié)構(gòu)及其工作原理

平頭倒棱機(jī)由底座、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、機(jī)頭（如圖1所示）和夾緊裝置構(gòu)成，機(jī)頭包括交流電機(jī)、動力頭、刀盤、倒棱刀具和平頭刀具。機(jī)頭沿鋼管軸向方向的進(jìn)給運動由進(jìn)給機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。交流電機(jī)通過動力頭的傳動將動力傳動到主軸上，主軸上裝有刀盤，刀盤上裝有倒棱刀具與平頭刀具，刀具可在刀盤上調(diào)整位置以適應(yīng)不同軸徑工件的端面加工。倒棱刀具設(shè)有仿形浮動機(jī)構(gòu)，仿形浮動機(jī)構(gòu)有燕尾導(dǎo)向的仿形浮動和杠桿式導(dǎo)軌導(dǎo)向的仿形浮動兩種形式。采用仿形機(jī)構(gòu)能夠有效地消除鋼管端面的不圓度對倒棱均勻度的影響，使加工后的鋼管端口達(dá)到較高的精度。

圖1 普通平頭倒棱機(jī)機(jī)頭

1.3 普通平頭倒棱機(jī)優(yōu)缺點

普通平頭倒棱機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，實用性強(qiáng)，針對一定規(guī)格的鋼管加工效率、加工精度比較高；其局限性表現(xiàn)在由于受切削刃長度及強(qiáng)度、剛度的限制，普通鋼管平頭倒棱機(jī)在加工鋼管壁厚超過30mm時就出現(xiàn)設(shè)備抖動、加工面波紋狀及刀具壽命差、加工效率低等問題，而且一般不能對壁厚超過40mm的鋼管進(jìn)行加工，這就遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了市場對大口徑厚壁鋼管的加工要求。通過以上分析可知：刀具相對于鋼管只有公轉(zhuǎn)，沒有自轉(zhuǎn)。

2 新型平頭倒棱機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

2.1 新型平頭倒棱機(jī)的適用鋼管規(guī)格

新型平頭倒棱機(jī)的刀具采用可轉(zhuǎn)位銑刀，刀盤機(jī)構(gòu)安裝在直徑較大的大盤上，通過大盤與銑刀的旋轉(zhuǎn)，使得銑刀相對鋼管端面既有自轉(zhuǎn)運動又有公轉(zhuǎn)運動，這樣的加工方式有效的拓展了加工范圍，適用鋼管規(guī)格：壁厚20mm～80mm，長度6000mm～24000mm；加工外倒角0～45°；刀具轉(zhuǎn)速范圍為0～1000rpm，大盤轉(zhuǎn)速范圍為0～50rpm。

2.2 總體結(jié)構(gòu)

新型平頭倒棱機(jī)由固定底座1、移動箱體2、進(jìn)給機(jī)構(gòu)3和動力系統(tǒng)4組成，如圖2所示。

圖2 新型平頭倒棱機(jī)

固定底座為鋼板焊接板型結(jié)構(gòu)，下表面安裝在基礎(chǔ)上，上表面安裝有兩根直線導(dǎo)軌。移動箱體為鋼板焊接箱型結(jié)構(gòu)，下表面安裝有滑塊并與固定底座的直線導(dǎo)軌形成滑動配合。

進(jìn)給機(jī)構(gòu)由驅(qū)動電機(jī)、減速機(jī)、滾珠絲杠和絲杠螺母組成，當(dāng)驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動時，通過減速機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動，從而通過絲杠螺母驅(qū)動整個動力系統(tǒng)直線移動。

動力系統(tǒng)包括電機(jī)、無級變速器、移動齒輪傳動箱、大盤旋轉(zhuǎn)傳動機(jī)構(gòu)、隨動齒輪機(jī)構(gòu)和刀盤機(jī)構(gòu)，變頻電機(jī)、無級變速器等支撐在移動箱體上。下面對新型平頭倒棱機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)加以說明。

2.2.1 大盤旋轉(zhuǎn)傳動機(jī)構(gòu)

圖3 大盤旋轉(zhuǎn)傳動機(jī)構(gòu)

如圖3所示，大盤通過一對圓錐滾子軸承安裝在支撐箱體內(nèi)的支承座上，電機(jī)通過齒形帶帶動主軸旋轉(zhuǎn)，主軸通過其上面的齒輪與齒輪Ⅰ嚙合，齒輪Ⅰ帶動軸Ⅰ旋轉(zhuǎn)，軸Ⅰ將動力傳入到無級變速器中，無級變速器通過調(diào)速后將動力輸出到軸Ⅱ上，軸Ⅱ帶動齒輪Ⅱ旋轉(zhuǎn)，齒輪Ⅱ與大齒輪嚙合，大齒輪帶動大盤旋轉(zhuǎn)支撐套進(jìn)而帶動大盤旋轉(zhuǎn)。大盤轉(zhuǎn)速的調(diào)整由無級變速器和變頻電機(jī)共同控制。

2.2.2 主軸動力系統(tǒng)的設(shè)計

主軸動力系統(tǒng)由主軸、中心齒輪、大盤、隨動齒輪機(jī)構(gòu)和刀盤機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。此系統(tǒng)可實現(xiàn)刀盤的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，其動力通過主軸分配，主軸的轉(zhuǎn)速通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制。

刀盤自轉(zhuǎn)的實現(xiàn)：電機(jī)通過齒形傳送帶將動力傳送到主軸輸入端，主軸另一端裝有中心齒輪，通過中心齒輪可將動力分別傳遞給兩套刀盤隨動齒輪機(jī)構(gòu)的固定齒輪，進(jìn)而通過過渡齒輪、隨動齒輪實現(xiàn)刀盤的自轉(zhuǎn)；刀盤自轉(zhuǎn)的速度為銑刀加工鋼管的切削速度。

刀盤公轉(zhuǎn)的實現(xiàn)：兩套隨動齒輪機(jī)構(gòu)與刀盤機(jī)構(gòu)都安裝在大盤上，隨著大盤的旋轉(zhuǎn)能實現(xiàn)刀盤的公轉(zhuǎn)；刀盤公轉(zhuǎn)速度即大盤旋轉(zhuǎn)速度，即為銑刀沿鋼管端面圓周方向的進(jìn)給速度。

1）隨動齒輪機(jī)構(gòu)

圖4 隨動齒輪機(jī)構(gòu)

隨動齒輪傳動機(jī)構(gòu)如圖4所示，一方面能夠?qū)恿鬟f到主軸上，另一方面能夠適應(yīng)不同口徑鋼管的加工。隨動齒輪傳動機(jī)構(gòu)由固定支架軸、固定齒輪、連桿、心軸、過渡齒輪、移動支架軸、隨動齒輪和移動支架組成，固定支架軸固定在大盤底面，固定支架軸上裝配有固定齒輪，固定齒輪與中心齒輪嚙合，在大盤旋轉(zhuǎn)時固定齒輪不僅繞自身軸線自轉(zhuǎn)同時還繞中心齒輪軸軸線實現(xiàn)公轉(zhuǎn)，移動支架與刀盤機(jī)構(gòu)的底板固定，移動支架內(nèi)裝有移動支架軸和隨動齒輪，在固定支架和移動支架之間設(shè)有過渡齒輪和心軸，心軸和兩個支架由兩套連桿形成可旋轉(zhuǎn)連接。

固定齒輪、過渡齒輪和隨動齒輪依次嚙合并將動力和運動傳遞給刀盤，刀盤位置移動時移動支架內(nèi)的隨動齒輪繞過渡齒輪和固定齒輪擺動，以實現(xiàn)不同口徑鋼管的加工。隨動齒輪傳動機(jī)構(gòu)設(shè)有兩套，分別通過傳動軸與倒棱刀盤機(jī)構(gòu)和銑平面刀盤機(jī)構(gòu)連接。

2）刀盤機(jī)構(gòu)

刀盤機(jī)構(gòu)如圖5所示，包括倒棱刀盤機(jī)構(gòu)和銑平面刀盤機(jī)構(gòu)，并固定在大盤上，且呈180°布置，兩個刀盤機(jī)構(gòu)通過各自的底板固定在大盤上并通過徑向移動調(diào)節(jié)裝置使得刀盤能夠沿大盤徑向移動并實現(xiàn)刀盤公轉(zhuǎn)半徑調(diào)整。

圖5 刀盤機(jī)構(gòu)

倒棱刀盤機(jī)構(gòu)由于鋼管壁厚不均勻，管壁圓度的誤差比較大，必須設(shè)有仿形浮動機(jī)構(gòu)，才能使倒棱滿足要求的公差范圍。

倒棱銑刀通過刀柄裝置以及輥輪通過仿形臂都裝在過渡板上，過渡板與底板之間裝有導(dǎo)軌并設(shè)有帶阻尼的彈簧裝置。仿形浮動機(jī)構(gòu)采用內(nèi)靠模浮動式，通過輥輪靠模模仿鋼管內(nèi)壁的圓弧，使刀盤行走軌跡與鋼管內(nèi)壁曲線相似，如圖6所示，這樣刀盤在半徑方向有一定的浮動，此仿形浮動功能由彈簧裝置實現(xiàn)。

圖6 鋼管內(nèi)徑變化圖

實現(xiàn)方法如下：假設(shè)在加工前，根據(jù)鋼管的加工要求將刀盤的位置通過徑向裝置調(diào)整好來對刀，并假設(shè)鋼管內(nèi)徑變化如圖6所示，當(dāng)輥輪剛好處于圖中加工位置a處時，鋼管內(nèi)徑為a通過調(diào)節(jié)彈簧裝置的調(diào)節(jié)螺釘給彈簧一個適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，使得輥輪壓在鋼管內(nèi)壁，隨著大盤的旋轉(zhuǎn)，加工位置從a處轉(zhuǎn)到b處過程中，鋼管內(nèi)徑從a增大到b，受彈簧張力的作用，輥輪始終壓在鋼管內(nèi)壁，彈簧裝置帶動刀盤上的輥輪與銑刀從a處運動到b處；

當(dāng)加工位置從b處轉(zhuǎn)到c處過程中，鋼管內(nèi)徑從b減小到c，此時輥輪受到內(nèi)壁壓力的作用，彈簧裝置帶動刀盤上的輥輪與銑刀從b處運動到c處。

因此由于受到壓縮彈簧的作用，靠模輥輪始終靠在鋼管內(nèi)壁上，輥輪中心，刀具上的任意一點的運動曲線，都和鋼管內(nèi)壁曲線相一致，從而刀盤實現(xiàn)了仿形浮動的功能。

采用內(nèi)靠模仿形浮動機(jī)構(gòu)不僅能夠抵消一部分倒棱銑刀倒棱過程產(chǎn)生的切削力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，而且能使得鋼管的設(shè)計基準(zhǔn)與工藝基準(zhǔn)相一致，確保切削后的鋼管端面的倒棱尺寸在一定公差范圍內(nèi)，有效地消除了鋼管在直徑方向上的不圓度對倒棱均勻度的影響，使得端面倒棱能夠達(dá)到較高的精度。

銑平面刀盤機(jī)構(gòu)包括底板、刀柄裝置、主軸與端面銑刀組成。

銑刀裝在刀柄裝置內(nèi)的輸出軸中，輸出軸軸通過聯(lián)軸器與隨動齒輪傳動機(jī)構(gòu)的移動支架軸聯(lián)接，刀柄裝置固定在底板上。

3 加工實例

在被加工鋼管為壁厚50mm，直徑820mm的情況下，加工參數(shù)如表1所示。

根據(jù)表1給出的加工參數(shù)，加工后的鋼管端面粗糙度能夠達(dá)到3.2um，實現(xiàn)了對直徑達(dá)到820mm，壁厚達(dá)到50mm的鋼管端面倒棱的高效率、高精度的加工。

表1 加工參數(shù)

4 結(jié)論

新型的鋼管平頭倒棱機(jī)能夠適用于大口徑、大壁厚、高鋼級鋼管端面的加工，該設(shè)備具有對鋼管口徑、壁厚適應(yīng)力強(qiáng)，加工質(zhì)量好，加工效率高，自動化程度高等特點，加工鋼管最大壁厚從30mm提高到80mm，為高質(zhì)量鋼管的精加工提供了一種實用、高效專用設(shè)備。

目前該設(shè)備已在現(xiàn)場應(yīng)用，且正在申報專利中。

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