劉萬(wàn)順，張玉華，陳凱，宋新環(huán)，任星

(1.天津理工大學(xué)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)

鋼管銑頭倒棱機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

劉萬(wàn)順1，2，張玉華1，2，陳凱1，2，宋新環(huán)1，2，任星1，2

(1.天津理工大學(xué)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)

新型全自動(dòng)鋼管銑頭倒棱機(jī)是對(duì)傳統(tǒng)的平頭倒棱機(jī)的加工工藝進(jìn)行了改進(jìn)，加入了自轉(zhuǎn)系統(tǒng)，銑刀和倒棱刀在隨大盤轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，可進(jìn)行自轉(zhuǎn)。與傳統(tǒng)平頭倒棱機(jī)相比，鋼管由車削加工變?yōu)殂娤骷庸?，提高了鋼管加工表面質(zhì)量;設(shè)備加工范圍得到了擴(kuò)大;大幅度的減小了切削力和切削功率。

自轉(zhuǎn)系統(tǒng);銑頭;倒棱

0 前言

近年來(lái)，隨著火力發(fā)電、西氣東輸、石油高價(jià)位運(yùn)行，市場(chǎng)對(duì)大口徑特別是特大口徑鋼管的需求逐年增加。由于出口退稅等優(yōu)惠政策的實(shí)行，大口徑鋼管的生產(chǎn)成為一個(gè)相對(duì)波動(dòng)較小并且保持了一定利潤(rùn)的行業(yè)。鋼管按照制造工藝的不同，分為無(wú)縫鋼管和焊管，無(wú)論是無(wú)縫鋼管還是焊管，其工藝流程均需要對(duì)鋼管端面進(jìn)行銑端面、倒棱的加工。因此，作為銑端面、倒棱的大口徑大壁厚的鋼管銑頭倒棱機(jī)的研制是十分必要的，設(shè)備的好壞將直接關(guān)系到鋼管的加工質(zhì)量和加工成本［1］。

1 傳統(tǒng)平頭倒棱機(jī)

1.1 傳統(tǒng)平頭倒棱機(jī)工作原理

傳統(tǒng)平頭倒棱機(jī)機(jī)頭(圖1)由倒棱刀具、平頭刀具、刀盤、動(dòng)力頭和交流電機(jī)組成。在動(dòng)力頭上安裝可作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的刀盤，將端面平頭刀和倒棱刀固定在刀盤上，通過(guò)刀盤的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)刀具的旋轉(zhuǎn)，以此對(duì)鋼管的端面和內(nèi)外棱進(jìn)行加工，刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)為切削主運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)平頭倒棱機(jī)除機(jī)頭以外，還有底座、進(jìn)給機(jī)構(gòu)和夾緊機(jī)構(gòu)［2］。機(jī)頭整體安裝在底座上，進(jìn)給機(jī)構(gòu)可驅(qū)動(dòng)底座沿著鋼管的軸線方向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。夾緊機(jī)構(gòu)的作用是在平頭、倒棱時(shí)夾緊鋼管。

圖1 傳統(tǒng)平頭倒棱機(jī)機(jī)頭Fig.1Head of traditional plain-end chamfering machine

1.2 傳統(tǒng)平頭倒棱機(jī)的局限性

傳統(tǒng)平頭倒棱機(jī)設(shè)計(jì)、制造簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕，但是其加工范圍小。由于傳統(tǒng)平頭倒棱機(jī)采用的是車削加工，車削包括刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)、刀具相對(duì)于工件的軸向進(jìn)給兩種運(yùn)動(dòng)。當(dāng)鋼管壁厚較小時(shí)可以進(jìn)行車削加工，但是鋼管壁厚變大時(shí)，加工長(zhǎng)度隨之變大，該傳統(tǒng)平頭倒棱機(jī)就不能加工了。當(dāng)鋼管壁厚超過(guò)30 mm時(shí)，要求刀具的切削刃足夠長(zhǎng)，導(dǎo)致切削力增大，發(fā)生刀具振動(dòng)，不能保證切削的穩(wěn)定性，傳統(tǒng)平頭倒棱機(jī)一般不能對(duì)壁厚超過(guò)30 mm的鋼管進(jìn)行加工。因此，傳統(tǒng)平頭倒棱機(jī)不能滿足市場(chǎng)對(duì)大口徑大壁厚的鋼管的需求。

2 新型鋼管銑頭倒棱機(jī)的改進(jìn)

通過(guò)對(duì)原有平頭倒棱機(jī)的分析，把已有的平頭倒棱機(jī)的車刀更換為多刀頭的面銑刀，并對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)做了改進(jìn)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用證明了其可行性。

2.1 將車刀換成銑刀

將傳統(tǒng)平頭倒棱機(jī)的車刀改換為多刀頭的面銑刀，車削加工變?yōu)殂娖矫娴募庸?，這種改進(jìn)相比于傳統(tǒng)的平頭倒棱機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn):①加工厚壁鋼管，穩(wěn)定性好，切削力變小;②可以有更高的切削速度，由于是面加工，可以保證更高的加工精度;③消耗的功率變小;④提高了生產(chǎn)效率。

2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

改進(jìn)后的鋼管銑頭倒棱機(jī)如圖2所示。該新型倒棱機(jī)要能完成以下三個(gè)運(yùn)動(dòng):銑刀主軸的切削主運(yùn)動(dòng)(銑刀的自轉(zhuǎn))，銑刀裝置隨大盤的轉(zhuǎn)動(dòng)(銑刀公轉(zhuǎn))，銑刀的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。為了滿足鋼管銑頭倒棱機(jī)的加工工藝，各運(yùn)動(dòng)應(yīng)由不同的電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力傳動(dòng)。

圖2 改進(jìn)后鋼管銑頭倒棱機(jī)示意圖Fig.2Improved steel pipe milling and chamfering machine

(1)大盤轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力傳動(dòng)。電機(jī)1通過(guò)與齒輪2嚙合的齒輪1將動(dòng)力傳遞給齒輪2，齒輪2與大盤的軸通過(guò)鍵聯(lián)接，帶動(dòng)大盤的轉(zhuǎn)動(dòng)。

(2)銑刀自轉(zhuǎn)的動(dòng)力傳動(dòng)。電機(jī)2通過(guò)齒輪3傳遞給與其嚙合的齒輪4，齒輪4、齒輪5與套筒通過(guò)鍵聯(lián)接，二者轉(zhuǎn)動(dòng)同步，套筒通過(guò)軸承與大盤連接，齒輪5通過(guò)與其嚙合的齒輪6將動(dòng)力傳動(dòng)到軸上，進(jìn)而傳遞給刀具減速部分，倒棱刀具通過(guò)萬(wàn)能角度頭與主軸連接。

(3)銑刀軸向進(jìn)給的動(dòng)力傳動(dòng)。電機(jī)3通過(guò)齒輪7將動(dòng)力傳遞給齒輪8，齒輪8、9二者轉(zhuǎn)動(dòng)同步，通過(guò)軸承與套筒連接，將動(dòng)力傳遞給齒輪10，齒輪10通過(guò)軸將動(dòng)力傳遞給錐齒輪1，錐齒輪1、2嚙合，將動(dòng)力傳遞給滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，從而控制銑刀的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)鋼管的管徑和加工角度要求，可通過(guò)銑刀的軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)倒棱銑刀和平面銑刀的回轉(zhuǎn)半徑。倒棱銑刀與主軸的連接采用萬(wàn)能角度頭。通過(guò)萬(wàn)能角度頭，可使倒棱銑刀與機(jī)頭主軸的角度在0°～90°之間連續(xù)調(diào)節(jié)，用于鋼管特定倒棱角度的加工，因此可以根據(jù)具體倒棱角度要求來(lái)相應(yīng)的改變刀具的倒棱角度;平面銑刀、倒棱銑刀可通過(guò)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的絲杠來(lái)調(diào)節(jié)刀具的工作位置，從而為不同直徑的鋼管進(jìn)行加工。

2.3 銑刀減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

電機(jī)通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞給齒輪軸1，如果齒輪軸1直接與齒輪2嚙合，將動(dòng)力傳遞給銑刀，齒輪2的尺寸將很大，占用較大的面積，因此，采用二級(jí)減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示。各個(gè)齒輪的參數(shù):

圖3 銑刀減速部分示意圖Fig.3Schematic diagram of milling cutter reducer device

3 改進(jìn)前后的倒棱機(jī)參數(shù)比較

新型的鋼管銑頭倒棱機(jī)適用的鋼管規(guī)格:鋼管外徑φ426～φ800 mm;鋼管壁厚5～80 mm;加工外倒角為0°～45°;材質(zhì)為低合金鋼如Q235，合金鋼如12Cr1MoV等。

新型鋼管銑頭倒棱機(jī)加工參數(shù)的計(jì)算。選取鋼管直徑為φ800 mm、壁厚80 mm，材料Q235，刀具采用硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位銑刀［3］，通過(guò)萬(wàn)能角度頭連接在軸上，根據(jù)銑削深度、銑削寬度對(duì)刀具的相關(guān)規(guī)定，刀具選擇的平面銑刀和倒棱銑刀均為直徑d0=125 mm，齒數(shù)z=10，刀具材料為YT15。

(1)切削主軸轉(zhuǎn)速的計(jì)算。根據(jù)銑削速度公式

式中，kv為銑削條件改變時(shí)銑削速度修正系數(shù); T為銑刀耐用度，取T=108 min;根據(jù)銑削條件，取Cv=172，qv=0.2，xv=0.1，yv=0.4，uv= 0.2，pv=0，γ=0.2。

將v和d0帶入式(2)，得到切削主軸轉(zhuǎn)速n。

(2)大盤轉(zhuǎn)速nf的計(jì)算。

每轉(zhuǎn)進(jìn)給量

大盤圓周旋轉(zhuǎn)進(jìn)給速度

大盤轉(zhuǎn)速

式中，D為鋼管直徑為800 mm;af為每齒進(jìn)給量;af=0.18 mm/r。

(3)圓周切削力F。

式中，kFz為銑削條件改變時(shí)銑削力的修正系數(shù);根據(jù)銑削條件，取CF=7750，xF=1.0，yF= 0.75，uF=1.1，wF=0.2，qF=1.3，z=10;銑端面時(shí)，選取ap=2 mm，af=0.18 mm，aw=80 mm，得到F=2533 N;倒棱時(shí)，選取ap=5 mm，af= 0.18 mm，aw=108.9 mm，得到F=10494 N。

(4)切削功率P。

銑端面時(shí)，P=6.27 kW;倒棱時(shí)，P= 19 kW。

(5)倒棱角度為45°時(shí)加工一根鋼管的時(shí)間。

鋼管加工的進(jìn)給距離L=(80-3)·tan45°= 77 mm

新型鋼管銑頭倒棱機(jī)與傳統(tǒng)平頭倒棱機(jī)在加工工藝參數(shù)的比較見(jiàn)表1、2。

表1 鋼管銑頭倒棱機(jī)加工參數(shù)Tab.1Processing parameters of steel pipe milling and chamfering machine

表2 傳統(tǒng)平頭倒棱機(jī)加工參數(shù)Tab.2The processing parameters of traditional plain-end chamfering machine

通過(guò)表1、表2數(shù)據(jù)可以看出:鋼管銑頭倒棱機(jī)的切削力和切削功率比普通平頭倒棱機(jī)的小很多，銑端面切削力由3 286 N減少到2 533 N，減少了22.92%，倒棱切削力由31 037 N減少到10 494 N減少了66.19%，銑端面切削功率由7.6 kW減少到6.27 kW，減少了17.5%，倒棱切削功率由49.4 kW減少到19 kW，減少了49.2%，這就極大的節(jié)約了能源，符合現(xiàn)在提倡的節(jié)能減排的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

新型鋼管銑頭倒棱機(jī)是一種創(chuàng)新設(shè)備，與傳統(tǒng)平頭倒棱機(jī)相比，鋼管由車削加工變?yōu)槎嗟额^的銑削加工，提高了鋼管加工表面質(zhì)量;設(shè)備加工范圍得到了擴(kuò)大，可加工壁厚30 mm以上的大口徑厚壁管;大幅度的減小了切削力和切削功率。目前已有多臺(tái)設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)使用，完全滿足對(duì)鋼管精度的要求。

［1］彭在美.從國(guó)產(chǎn)連續(xù)油管成功研制看我國(guó)焊管產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整［J］.焊管，2010(4).

［2］馬露濤.φ720mm焊管平頭機(jī)夾管裝置設(shè)計(jì)［J］.焊管，2009(9).

［3］劉瑩華，杜玉國(guó)，林春芳，等.銑削高錳鋼用高性能硬質(zhì)合金銑刀材料的研制［J］.中國(guó)鎢業(yè)，2009 (6).

［4］崔永莉.大應(yīng)變鋼管在管道建設(shè)中的應(yīng)用及現(xiàn)場(chǎng)焊接技術(shù)［J］.焊管，2013(6).

［5］隋永莉.長(zhǎng)輸油氣管道高強(qiáng)度管線鋼管現(xiàn)場(chǎng)焊接技術(shù)［J］.焊管，2014(5).

［6］王曉香.超高強(qiáng)度管線鋼管研發(fā)新進(jìn)展［J］.焊管，2011(3).

［7］林鍵津.淺談平頭倒棱機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.科技信息，2014(5).

［8］劉梅杰.鋼管倒棱機(jī)床頭箱主軸齒輪的改型設(shè)計(jì)［J］.湖南農(nóng)機(jī)，2014(3).

［9］譚玉雙，劉萬(wàn)錄.一種高效柔性倒棱進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械，2012(4).

［10］吳偉，張強(qiáng).鋼管倒棱機(jī)液壓伺服系統(tǒng)的仿真分析［J］.山西冶金，2011(12).

［11］武鑫，王亞彬.倒棱機(jī)鋼管托架電氣控制系統(tǒng)的改進(jìn)［J］.鋼管，2011(8).

［12］秦世倫.材料力學(xué)［M］.四川:四川大學(xué)出版社，2011.

［13］李俊峰，張雄.理論力學(xué)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

［14］于靖衛(wèi).機(jī)械原理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［15］陳秀寧，顧大強(qiáng).機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，2010.

Innovative design of steel pipe milling and chamfering machine

LIU Wan-shun1，2，ZHANG Yu-hua1，2，CHEN Kai1，2，SONG Xin-huan1，2，REN Xing1，2
(1.Tianjin Key Laboratory for Control Theory＆Applications in Complicated Systems，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China 2.School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

This paper has improved processing technology of traditional plain-end chamfering machine.A rotation system is added to new automatic steel pipe milling and chamfering machine.milling and chamfering cutter can do rotation，in the process of turning with rotary table，steel tube chamfer by milling instead of turning with respect to traditional plain-end chamfering machine.Therefore，the surface quality of steel tube is improved，processed tube diameter is enlarged，the cutting force and cutting power is greatly reduced.

autoroatation system;milling head;chamfering

TG544

A

1001-196X(2014)06-0036-04

2014-07-09;

2014-07-30

2009年天津市科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(90ZCKFGX02900)國(guó)家發(fā)明專利號(hào):ZL 2012 1 0029140.2

劉萬(wàn)順(1988-)，男，天津理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)?機(jī)械制造及其自動(dòng)化。