周德義

(1.太原縱橫重型機械設(shè)備有限公司，山西030000；2.太原縱橫海威科技有限公司，山西030000)

我公司應(yīng)天津某大型鋼管廠邀約，對其公司所擁有的?820 mm×16 mm平頭倒棱機進行改造，以便消除鋼管倒棱后表面波紋缺陷的問題。據(jù)相關(guān)作業(yè)人員對故障的描述以及我方現(xiàn)場實際觀察發(fā)現(xiàn)，不同規(guī)格的鋼管倒棱后均出現(xiàn)有不同程度的周期性波紋缺陷。波紋缺陷如圖1所示。在同一種材質(zhì)(Q345B)的前提下，壁厚不變，鋼管直徑的大小變化對表面波紋缺陷的形態(tài)影響很小，基本一致；但直徑不變，鋼管壁厚的增加則鋼管表面波紋缺陷的形態(tài)變化很明顯，8 mm及以下基本為視覺上的鏡面波紋，用手觸摸無明顯凹凸，而8 mm以上則倒棱面毛刺越來越大，凹凸感明顯，無論是哪種形式的波紋缺陷，斷屑形態(tài)與波紋缺陷形態(tài)都一一對應(yīng)，此問題嚴重影響鋼管成品的美觀與質(zhì)量，無法滿足客戶對質(zhì)量的要求。通過對鋼管倒棱機的改造與調(diào)試，根據(jù)調(diào)試結(jié)果分析，最終確定了影響鋼管倒棱后波紋缺陷的主要原因，可為生產(chǎn)與設(shè)計廠家提供一定的指導(dǎo)和借鑒。

1 平頭倒棱機的參數(shù)及結(jié)構(gòu)

1.1 參數(shù)

主切削電機：30 kW

機頭：分4級傳動，機頭轉(zhuǎn)速分別為42、62、87、130 r/min

1—進給油缸 2—皮帶 3—主切削電機 4—機頭 5—底座 6—刀盤 7—刀座 8—刀桿 9、10—夾緊裝置圖1 鋼管倒棱后波紋缺陷圖Figure 1 Wave defects appearance after pipe chamfering

圖2 平頭倒棱機的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Structural sketch of flat head chamfering machine

切削速度：v=80～100 m/min

進給油缸：?110 mm/?80 mm

走刀量：s=0.2～0.6 mm/r

刀桿尺寸：28 mm×28 mm×130 mm

刀片尺寸：19 mm×19 mm

刀片材質(zhì)：YT15

1.2 結(jié)構(gòu)

平頭倒棱機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

?820 mm×16 mm平頭倒棱機由主切削電機、同步帶、機頭、進給油缸、刀盤和夾緊機構(gòu)等組成。正常工作時，被加工的鋼管由臺架送進倒棱工位后，由夾緊機構(gòu)夾緊。由主切削電機通過同步帶帶動機頭主軸轉(zhuǎn)動，從而帶動刀盤轉(zhuǎn)動，刀盤上的仿型機構(gòu)圍繞鋼管做切削運動，在進給油缸由快進→攻進→快退的工藝路線下，完成對鋼管端部的加工。

2 分析原因及整改措施

根據(jù)現(xiàn)場實際觀察和試驗初步分析，鋼管倒棱面出現(xiàn)均勻波紋缺陷，最大的原因可能來自震動，因此我們對現(xiàn)場存在的震動結(jié)構(gòu)，由淺入深、逐一檢測，并加以整改，以便觀察引起波紋缺陷的主要原因：

(1)因設(shè)備服務(wù)年限已長，加之平時維護保養(yǎng)不夠，夾緊裝置轉(zhuǎn)動處因銅套磨損，配合間隙明顯過大，在正常切削過程中，鋼管夾不穩(wěn)，在軸向和徑向均有竄動。

整改措施：重新制作并更換銅套，加固因時效變形的夾具，調(diào)整夾緊油缸壓力，保證鋼管在切削過程中無竄動，同時注意油壓不宜過高，防止將鋼管夾變形，影響切削效果。

(2)機頭進給導(dǎo)軌處的導(dǎo)滑銅板的防塵、潤滑和間隙調(diào)整均不合適，在正常的切削過程中，機頭會發(fā)生左右搖擺的狀況，此原因會直接導(dǎo)致鋼管倒棱后切口深淺不一的情況。

整改措施：調(diào)整因?qū)Щ迥p而產(chǎn)生的間隙，間隙過大機頭會左右晃動，間隙過小或?qū)к壧幍姆缐m及防鐵屑處理不好，在進給過程中機頭會產(chǎn)生爬行，從而使鋼管倒棱面產(chǎn)生波紋狀缺陷。

(3)經(jīng)百分表打表檢測，刀盤中心與夾緊裝置的中心不在同一直線上，高差在5 mm。過大的中心偏差再加上鋼管的橢圓度偏差，導(dǎo)致仿型刀座內(nèi)的彈簧波動范圍太大，從而引起震動，可能產(chǎn)生波紋缺陷。

整改措施：重新調(diào)整夾緊裝置和刀盤的中心，使其偏差控制在0.5 mm以內(nèi)。

(4)對切削過程中刀盤的跳動公差進行檢測，經(jīng)百分表打表檢測，刀盤前后竄動為2 mm，最終確定原因為機頭的主軸尾部鎖緊螺母松動，造成刀盤竄動，從而引起切削震動。

整改措施：調(diào)整主軸尾部的鎖緊螺母，并加止動墊圈，保證刀盤在切削過程中的跳動公差在0.1 mm以內(nèi)。

通過以上整改措施，本機外部中所有能夠產(chǎn)生間隙或引起震動的部位均調(diào)整合適，但鋼管倒棱后的波紋缺陷仍沒有明顯改善，同時，我們在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，通過改變切削刀刃的前角，即適當增加刀刃的前角，切削效果改善明顯，但是磨過的切削刃壽命卻遠遠下降，刀尖很容易被破壞，且磨過的刀片替換性很差。通過增大前角，使主切削刃鋒利，而壽命下降，可能是刀桿剛度不夠造成的。以下通過刀桿剛度的校核來確定刀桿的剛度與鋼管表面波紋缺陷是否有直接關(guān)系。

3 倒棱刀桿剛度校核

實踐證明，刀具前角為5°時，在我公司其他倒棱機上，刀具使用壽命和使用效果均表現(xiàn)良好，所以本文不再對刀具前角做具體分析，重點分析對象為刀桿的剛度。

試驗鋼管規(guī)格為?355 mm×12.5 mm，材質(zhì)為Q345B，在試車過程中，具體分析及校核刀桿的剛度。已知參數(shù)：

機頭轉(zhuǎn)速：87 r/min

輪箱速比：i=16.8

電機功率：30 kW

電機轉(zhuǎn)速：1470 r/min

切削速度：v=80 m/min

走刀量：s=0.3 mm/r

3.1 切削力

用功率表測出機頭主電機在切削過程中所消耗的功率Pe后，可按下式計算實際作用在鋼管上的切削功率Pm：

Pm=Peηm=18 kW

式中，ηm為機頭箱體傳動效率，一般ηm取0.75～0.85，新機器取大值，舊機器取小值。根據(jù)現(xiàn)場實測功率Pe=25 kW，ηm取0.75。

根據(jù)電機轉(zhuǎn)矩公式，電機轉(zhuǎn)矩T為：

T=9550Pm/n

(1)

機頭主軸輸出轉(zhuǎn)矩Tz為：

Tz=iT

(2)

在直徑D=355mm處的切削力F為：

F=Tz/(D/2)

(3)

將以上已知參數(shù)帶入公式(1)、(2)、(3)中，得出切削力F=11.064 kN

3.2 刀桿受力模型

刀桿受力模型示意圖如圖3所示。

因為刀桿周而復(fù)始地做圓周運動，可理解為將鋼管從圓周方向上展開，刀桿做直線運動，切削力F為主切削力F1和進給切削力F2的合力，但F2相對于F1所消耗的力來說一般很小，可以略去不計(小于1%～2%)，所以為了簡化模型，F(xiàn)1近似等于F。

現(xiàn)有刀桿尺寸a=28 mm，刀桿伸出長度L=60 mm，刀桿材質(zhì)45#鋼。

刀桿撓度f為：

f=FL3/3EI

(4)

E為刀桿材料彈性模量，碳素鋼刀桿E=210 GPa；f為刀桿撓度，精車時，刀桿許用撓度為[f]，一般取0.03～0.05 mm。

矩形刀桿的慣性矩為：

I=a4/12

(5)

將以上已知參數(shù)帶入公式(4)和(5)中，得出f=0.07 mm>[f]。

圖3 刀桿受力模型示意圖Figure 3 Sketch of cutter bar model under force

尺寸為28 mm×28 mm刀桿的撓度大于其許用撓度，所以刀桿的剛度校核未通過。

通過以上公式發(fā)現(xiàn)，刀桿的撓度與刀桿的伸出長度L成正比，與彈性模量和慣性矩成反比，所以通過增大刀桿尺寸來增加慣性矩，或者更換更優(yōu)的材質(zhì)以提升彈性模量，以及通過減小刀桿伸出長度都可以減小刀桿的撓度。刀桿變形雖然與彈性模量E有關(guān)，但就材料來說，高強度鋼與強度較低的鋼材彈性模量E非常接近，考慮到經(jīng)濟成本，我們只在另外兩個因素上進行改造。將刀桿尺寸28 mm×28 mm改為40 mm×40 mm，將刀桿伸出長度L=60 mm改為L=40 mm，再將更改后的參數(shù)代入公式(4)和(5)中，得到最終f=0.005 mm<[f]。

改造后，刀桿的撓度遠遠小于其許用撓度[f]，所以刀桿的剛度校核通過，根據(jù)新設(shè)計的刀桿以及刀座，通過現(xiàn)場實際使用，效果良好，徹底解決了波紋缺陷問題。刀桿對比圖見圖4。

圖4 刀桿對比Figure 4 Comparison of tool bars

4 結(jié)語

經(jīng)過以上分析，并加以整改，根據(jù)校核及整改結(jié)果，最終確定刀桿的剛度不夠是導(dǎo)致鋼管倒棱后產(chǎn)生波紋的直接原因，改進了刀桿和刀座的結(jié)構(gòu)后，徹底消除了鋼管倒棱后表面的波紋缺陷。