趙 輝，戴冬晨，王慶龍，劉 晟

（天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院，天津 300400）

1 概 述

焊管內(nèi)毛刺修磨機(jī)是HFW 焊管生產(chǎn)中不可或缺的設(shè)備之一，在HFW 焊管生產(chǎn)過(guò)程中，由于內(nèi)毛刺刮刀破損、 刮刀位置偏移、 刮除標(biāo)高意外降低、 內(nèi)刮刀導(dǎo)桿支持力不足、 內(nèi)毛刺堵刀等一系列原因，導(dǎo)致內(nèi)焊縫焊接擠壓毛刺殘余超標(biāo)，超標(biāo)內(nèi)毛刺如圖1 所示。 內(nèi)毛刺殘留缺陷會(huì)導(dǎo)致管材一次生產(chǎn)不合格，對(duì)此，生產(chǎn)中行之有效的處理方法就是采用離線(xiàn)直縫焊管內(nèi)毛刺修磨機(jī)對(duì)一次生產(chǎn)不合格的焊縫進(jìn)行修磨處理，將超標(biāo)的內(nèi)毛刺磨削掉，使其幾何尺寸達(dá)標(biāo)。 檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)一般參照API SPEC 5L 第45 版執(zhí)行，標(biāo)準(zhǔn)要求見(jiàn)表1。 標(biāo)準(zhǔn)對(duì) HFW焊管內(nèi)毛刺的刮削深度和余高的要求嚴(yán)格。 如果修磨后修磨區(qū)出現(xiàn)管壁超薄、 粗糙度不足、 缺陷等問(wèn)題，達(dá)不到生產(chǎn)工藝的要求，則該部分鋼管只能降級(jí)使用，甚至成為廢品，造成經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 HFW 焊管超標(biāo)內(nèi)毛刺形貌

表1 HFW 焊管壁厚偏差檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

焊縫的修磨質(zhì)量取決于修磨過(guò)程的平穩(wěn)性和砂輪磨削過(guò)程中的精度控制。 在整個(gè)修磨過(guò)程中，修磨機(jī)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是保證修磨作業(yè)平穩(wěn)性和砂輪磨削精度的關(guān)鍵部件，對(duì)修磨質(zhì)量起決定性作用。 因此，要有效提高內(nèi)毛刺修磨質(zhì)量，磨削機(jī)構(gòu)的管內(nèi)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的選型優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

2 HFW焊管內(nèi)毛刺修磨機(jī)結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn)

目前，國(guó)內(nèi)普遍使用的HFW 焊管內(nèi)毛刺修磨機(jī)大體分為兩種布局結(jié)構(gòu)。 HFW660 生產(chǎn)線(xiàn)采用雙頭修磨結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。 整套修磨機(jī)由2 臺(tái)修磨主機(jī)構(gòu)成，單機(jī)長(zhǎng)約7.5 m，采用鋼管更換工位，兩臺(tái)7.5 m 的修磨機(jī)從管材兩頭向中間修磨。 該修磨機(jī)主傳動(dòng)軸采用剛性軸傳動(dòng)，如果剛性軸過(guò)長(zhǎng)，其自身較大撓度會(huì)造成重心偏移引起強(qiáng)迫振動(dòng)導(dǎo)致不能傳動(dòng)，因此設(shè)計(jì)長(zhǎng)度一般為7.5 m。 由于剛性軸采用軸承支撐，雖然剛性支撐力大，但剛性軸和軸承支撐結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致傳動(dòng)桿直徑大，因此該修磨機(jī)一般應(yīng)用于Φ355 mm 以上規(guī)格的大直徑HFW焊管，可修磨管材長(zhǎng)度約為14.5 m。 這種結(jié)構(gòu)的內(nèi)毛刺修磨機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工制造，廣泛應(yīng)用于HFW 焊管內(nèi)毛刺修磨領(lǐng)域。 但這種雙頭修磨機(jī)從兩端分別向管材中間修磨，導(dǎo)致管材的中間部分被修磨兩次，易產(chǎn)生壁厚超薄的問(wèn)題。

圖2 HFW660 生產(chǎn)線(xiàn)雙頭修磨機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 HFW335 生產(chǎn)線(xiàn)單頭修磨機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

HFW355 生產(chǎn)線(xiàn)的內(nèi)焊縫修磨機(jī)為單頭結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。 單臺(tái)修磨主機(jī)機(jī)長(zhǎng)約14.5 m，由單個(gè)修磨頭從管材的單側(cè)開(kāi)始對(duì)內(nèi)焊縫毛刺進(jìn)行全長(zhǎng)修磨。 該修磨機(jī)主傳動(dòng)軸一般采用鋼絲軟軸進(jìn)行傳動(dòng)，解決了長(zhǎng)距離剛性軸因?yàn)樽陨磔^大撓度，而造成重心偏移引起的強(qiáng)迫振動(dòng)過(guò)大不能傳動(dòng)的問(wèn)題。 鋼絲軟軸相對(duì)于剛性軸無(wú)需軸承作為支撐，使得傳動(dòng)軸直徑較小，廣泛應(yīng)用于Φ355 mm 以下規(guī)格的小直徑焊管，可修磨管材長(zhǎng)度約14.5 m。 該種布局的單頭修磨機(jī)，采用鋼絲軟軸傳動(dòng)，雖然解決了長(zhǎng)距離傳動(dòng)問(wèn)題，但由于軟軸剛性不足，修磨頭由于磨削的反作用力在管內(nèi)擺動(dòng)較大，導(dǎo)致修磨過(guò)程中產(chǎn)生修磨軌跡偏離或粗糙度超標(biāo)的現(xiàn)象，內(nèi)焊縫修磨的成材率較低，使得修復(fù)后超標(biāo)的管材仍然得降級(jí)使用。

3 三點(diǎn)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)應(yīng)用需求

對(duì)采用鋼絲軟軸傳動(dòng)的單頭修磨機(jī)來(lái)講，傳動(dòng)軸剛性不足是該修磨機(jī)急需克服的缺點(diǎn)，由于使用空間和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的限制，通過(guò)傳動(dòng)軸自身克服是不可能的，只有通過(guò)提高修磨頭導(dǎo)向定位機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)性，保證修磨頭的修磨過(guò)程穩(wěn)定，以此來(lái)彌補(bǔ)傳動(dòng)軸剛性不足的缺點(diǎn)。 HFW355 單頭修磨機(jī)采用單向反作用力導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)如圖4所示。 該機(jī)構(gòu)在磨削作業(yè)點(diǎn)正上方加設(shè)彈性支承，對(duì)修磨頭進(jìn)行定位導(dǎo)向。 但由于單頭修磨機(jī)傳動(dòng)軸剛性不足，砂輪磨削過(guò)程中，磨削反作用力和傳動(dòng)軸抖動(dòng)復(fù)合作用于定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)上，使得作用力是多方向的，采用單向反作用力導(dǎo)向機(jī)構(gòu)無(wú)法有效地保障單頭修磨機(jī)修磨的穩(wěn)定性。 這也是該修磨機(jī)在磨削過(guò)程中極易產(chǎn)生修磨軌跡偏離或粗糙度超標(biāo)、 內(nèi)焊縫修磨成材率較低的原因所在，因此若采用多方位定位導(dǎo)向?qū)⒛軌蚝芎玫亟鉀Q這一問(wèn)題。在幾何結(jié)構(gòu)中，三角形的穩(wěn)定性最高，因此采用三點(diǎn)支撐是較為理想的導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠克服磨削過(guò)程中產(chǎn)生的多方向力，使修磨頭的定位穩(wěn)定，磨削作業(yè)平穩(wěn)。

圖4 單向反作用力導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

4 三點(diǎn)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

三點(diǎn)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)通過(guò)3 個(gè)導(dǎo)向輪在管壁內(nèi)部形成三角支撐，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小巧，能夠很好地保證修磨頭的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和砂輪磨削過(guò)程中的控制精度。 該導(dǎo)向機(jī)構(gòu)特別適用于單頭修磨機(jī)，能有效解決單頭修磨機(jī)軟軸剛性不足、 修磨頭在管內(nèi)擺動(dòng)較大、 導(dǎo)致修磨過(guò)程中極易產(chǎn)生修磨軌跡偏離或粗糙度超標(biāo)的問(wèn)題。 三點(diǎn)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)如圖5 所示，該機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)向槽、 導(dǎo)向槽底座、緩沖彈簧、 導(dǎo)向輪、 限位輥、 導(dǎo)向板等部分構(gòu)成，3 個(gè)導(dǎo)向輪形成了三角定位。 該支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)安裝于傳動(dòng)軸鄰近修磨頭的位置，安裝及更換方便，性能穩(wěn)定，性?xún)r(jià)比高。

圖5 三點(diǎn)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

5 三點(diǎn)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的工作原理

如圖5 所示，三點(diǎn)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和待磨管的內(nèi)管壁之間通過(guò)3 個(gè)導(dǎo)向輪相接觸，使得支撐點(diǎn)形成三角形機(jī)構(gòu)，支撐著修磨頭縱深運(yùn)動(dòng)。 導(dǎo)向輪選擇滾針軸承承載設(shè)計(jì)，用滾動(dòng)支撐代替相對(duì)滑動(dòng)，使得運(yùn)動(dòng)阻力降到最小。 限位輥與導(dǎo)向板采用2 個(gè)定位螺絲緊固連接，通過(guò)調(diào)整限位輥和導(dǎo)向板的相對(duì)位置來(lái)控制3 個(gè)導(dǎo)向輪與待磨管內(nèi)壁的精密配合，很好地克服磨削過(guò)程中產(chǎn)生的多方向力，保證定位精度，確保傳動(dòng)軸和砂輪在待磨管內(nèi)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，使得修磨軌跡不偏離。 導(dǎo)向板和導(dǎo)向槽通過(guò)導(dǎo)向槽上的4 個(gè)定位螺絲緊固連接，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向板沿著導(dǎo)向槽進(jìn)行上下方向的高度調(diào)整。 由于導(dǎo)向板利用3 個(gè)導(dǎo)向輪與待磨管形成精密配合，故通過(guò)調(diào)整導(dǎo)向板和導(dǎo)向槽的相對(duì)位置，能夠精確地調(diào)整傳動(dòng)軸的軸心 （即砂輪的中心） 相對(duì)于待磨管焊縫的高度，該調(diào)整實(shí)現(xiàn)了對(duì)砂輪片單次磨削的深度和修磨阻力的有效控制。 通過(guò)對(duì)砂輪片單次磨削深度的控制，能夠很好地保障修磨后焊縫壁厚尺寸和修磨面的表面粗糙度滿(mǎn)足技術(shù)要求； 通過(guò)對(duì)砂輪修磨阻力的控制，既能夠保證磨削最大工作效率，又能夠有效防止驅(qū)動(dòng)過(guò)載或砂輪由于阻力過(guò)大而破碎； 在修磨過(guò)程中，隨著砂輪磨損及砂輪直徑減小，將導(dǎo)向槽沿著導(dǎo)向板向下調(diào)整，就可以實(shí)現(xiàn)砂輪的中心相對(duì)于待磨管焊縫的高度降低，從而補(bǔ)償砂輪磨損造成的直徑減小，延長(zhǎng)了砂輪的使用壽命。

當(dāng)待磨管為同一管徑而壁厚不同或管徑變化不大時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整或更換限位輥滿(mǎn)足待磨管小范圍的內(nèi)徑變化。 當(dāng)待磨管管徑發(fā)生變化，調(diào)整或更換限位輥不能夠滿(mǎn)足需求時(shí)，可通過(guò)更換導(dǎo)向板來(lái)滿(mǎn)足待修磨管內(nèi)徑大范圍變化的需求。通過(guò)限位輥和導(dǎo)向板的按需調(diào)整更換，使得修磨機(jī)能夠適用于大跨度管徑規(guī)格的修磨作業(yè)。

在導(dǎo)向槽和傳動(dòng)軸之間安裝有緩沖彈簧，可吸收磨削時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)，保證修磨作業(yè)的平穩(wěn)性，提高磨削表面的粗糙度。 當(dāng)管材焊縫內(nèi)毛刺的殘留高度突然增高而導(dǎo)致修磨量突然增大時(shí)，增大量會(huì)被彈簧有效抵消，使砂輪和設(shè)備不會(huì)因此損壞，從而繼續(xù)保持平穩(wěn)運(yùn)行。

6 應(yīng)用前景和效果

三點(diǎn)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)代替單向反作用力導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，使得HFW355 生產(chǎn)線(xiàn)的直縫焊管內(nèi)毛刺修磨成材率得到了較大的提高。 三點(diǎn)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)源于生產(chǎn)實(shí)踐，結(jié)構(gòu)新穎，簡(jiǎn)單合理，可拆卸的導(dǎo)向板和限位輥的設(shè)計(jì)能夠擴(kuò)大該結(jié)構(gòu)的管徑適用范圍。 通過(guò)調(diào)整限位輥、 導(dǎo)向板和導(dǎo)向槽的相對(duì)位置可適應(yīng)一定范圍內(nèi)管徑的變化，也可以補(bǔ)償砂輪的磨損。 三個(gè)導(dǎo)向輪支撐穩(wěn)定性高，能有效避免導(dǎo)向輪沿焊管內(nèi)壁產(chǎn)生周向滑動(dòng)，從而保證修磨精度和砂輪的直線(xiàn)進(jìn)給。 三點(diǎn)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)修磨機(jī)具有修磨質(zhì)量高、 安全可靠、 維修方便、 可提高產(chǎn)品合格率等優(yōu)勢(shì)，尤其是通過(guò)精準(zhǔn)控制磨削深度，使得修磨質(zhì)量明顯提高，表面粗糙度可達(dá)到Ra12.5，可廣泛推廣應(yīng)用。