陳 凱，張玉華，劉萬順，任 星，宋新環(huán)

(1.天津市復雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室，天津 300384;2.天津理工大學機械工程學院，天津 300384)

0 前言

近年來隨著我國城鎮(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輸越來越重要，而鋼管又是最常用的管道輸送方式，這將促進我國的鋼管行業(yè)的發(fā)展，市場對鋼管的需求量也越來越大。與此同時，對鋼管尺寸的要求也越來越多、越來越精確。倒棱機是鋼管加工線上必不可少的精加工設(shè)備，主要是對鋼管進行去毛邊、倒棱、平端面的加工。傳統(tǒng)的倒棱機由于結(jié)構(gòu)單一已經(jīng)無法滿足各行各業(yè)對不同口徑鋼管及壁厚的加工要求。針對這一主要問題，本課題組研制了一種新型的銑頭倒棱機，其結(jié)構(gòu)與運動形式都與傳統(tǒng)倒棱機不同，該設(shè)備增大了機器的加工范圍，特別適用于厚壁鋼管加工。

1 傳統(tǒng)鋼管平頭倒棱機的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 傳統(tǒng)平頭倒棱機工作原理

傳統(tǒng)平頭倒棱機簡圖如圖1所示，它主要由動力頭及可使動力頭和刀盤沿軸向移動的進給機構(gòu)構(gòu)成(圖中未畫出)，倒棱刀和平頭刀固定在動力頭主軸的刀盤上，倒棱刀用于對鋼管外棱倒角，平頭刀用于對鋼管平端面。刀盤通過進給機構(gòu)沿軸向的進給，可使倒棱刀和平頭刀逼近鋼管，交流電動機通過動力頭將動力傳到刀盤主軸上，主軸帶動刀盤旋轉(zhuǎn)，刀盤旋轉(zhuǎn)帶動刀具旋轉(zhuǎn)，進而對鋼管端面進行加工。

1.2 傳統(tǒng)平頭倒棱機優(yōu)缺點

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

2 新型銑頭倒棱機的結(jié)構(gòu)分析

2.1 新型平頭倒棱機

該設(shè)備采用自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)的運動方式，使加工刀盤在自轉(zhuǎn)的同時，沿鋼管端面進行公轉(zhuǎn)，同時安裝兩個刀盤，分別進行銑端面和倒外棱工作，一次加工可實現(xiàn)對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際加工需求，設(shè)計加工鋼管壁厚≤80 mm，滿足石油等行業(yè)對鋼管的加工要求，解決了大口徑、大壁厚、高鋼級鋼管的精整加工問題，且設(shè)備運行穩(wěn)定，加工能力大、質(zhì)量好、效率高。

2.2 總體結(jié)構(gòu)

新型銑頭倒棱機結(jié)構(gòu)如圖2所示，支撐底座1上表面通過直線導軌安裝移動底座8，移動底座8與支撐底座1形成滑動配合。中心齒輪傳動裝置2與龍門架11均安裝在移動底座8上，進給機構(gòu)3由伺服電機、減速機、滾珠絲杠組成，當伺服電機轉(zhuǎn)動時，通過減速機帶動絲杠轉(zhuǎn)動，從而通過絲杠螺母驅(qū)動移動底座8相對支撐底座1移動，達到進給的目的。

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

大盤10上安裝有倒棱刀6、平頭刀7及隨動齒輪機構(gòu)9，大盤10通過支撐機構(gòu)12和導向定位機構(gòu)13安裝在龍門架11內(nèi)，通過公轉(zhuǎn)傳動裝置4可使大盤10在龍門架11內(nèi)旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)公轉(zhuǎn)。

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

(1)平頭刀盤機構(gòu)(圖3)，其主要由過渡板4、平頭銑刀10組成，平頭銑刀固定在第一過渡板4上，刀柄主軸通過聯(lián)軸器與隨動齒輪機構(gòu)連接，通過徑向調(diào)節(jié)裝置5移動過渡板，達到調(diào)整刀盤徑向位置的目的。

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

鋼管加工前，首先通過調(diào)節(jié)裝置5使兩刀的距離和鋼管直徑吻合，加工開始時大盤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，當鋼管外徑圓度發(fā)生變化后(圖4)，通過與輥輪8及仿形臂7，直接帶動第二過渡板移動，兩過渡板間的壓緊彈簧可以使刀具加工位置沿鋼管徑向進行微調(diào)，所以倒棱刀盤中銑刀的位置時刻隨著鋼管直徑的變化而變化(如圖4虛線所示)，實現(xiàn)仿形的作用，達到加工精確均勻的效果。

2.3 隨動齒輪機構(gòu)

隨動齒輪傳動機構(gòu)的功能:①將動力從中心齒輪傳遞到刀具上，實現(xiàn)刀盤的自傳;②適應(yīng)刀盤位置調(diào)整，實現(xiàn)不同管徑鋼管的加工。

(1)實現(xiàn)動力傳遞。如圖5所示，隨動齒輪2傳動機構(gòu)的支架安裝在大盤上，其固定支架軸7與中心齒輪1軸的相對位置不變，所以在大盤旋轉(zhuǎn)時固定齒輪8可以同時完成繞自身軸線的自轉(zhuǎn)和繞鋼管軸線的公轉(zhuǎn)。

圖5 刀盤傳動齒輪傳動機構(gòu)Fig.5 Gear drive mechanism of cutter

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

(2)實現(xiàn)加工不同管徑:加工管徑的范圍直接由傳動齒輪機構(gòu)的尺寸決定，在傳動齒輪機構(gòu)中，其隨動齒輪軸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所加工的鋼管半徑的范圍。在考慮加工過程中不發(fā)生干涉現(xiàn)象，最小直徑為φ410 mm，最大直徑為φ710 mm。

3 實例加工

加工壁厚50 mm、直徑710 mm，鋼管的加工參數(shù)見表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動，當?shù)估鈾C構(gòu)運動到下方時，倒棱刀盤的重力也應(yīng)考慮進去:查設(shè)計手冊可得預(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

進給長度L=(50-1.6)×tan50=57.68 mm

4 結(jié)論

新型鋼管銑頭倒棱機可以對大口徑、大壁厚鋼管的端面進行加工，這種設(shè)計對鋼管的加工適應(yīng)能力強，在加工不同規(guī)格直徑的鋼管時不用更換機器，節(jié)省了大量財力物力，同時又能消除鋼管成型過程中產(chǎn)生的圓度誤差問題，提高了自動化程度及加工效率，是鋼管精加工及大量生產(chǎn)必需的實用設(shè)備。

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