UOE鈍邊銑削單元與鋼板綜合作用對銑削的影響

孫鳳龍，戴學余

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海201900）

UOE鈍邊銑削單元與鋼板綜合作用對銑削的影響

孫鳳龍，戴學余

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海201900）

針對UOE生產線銑邊機銑削過程中鋼板鈍邊高度超差問題，從鈍邊銑削單元在鋼板寬度方向的偏移運動分別與鋼板的偏移、偏轉運動綜合作用著手，系統地分析了鈍邊高度的變化規律，建立了鈍邊高度與鋼板偏移量的函數關系式，并繪制出兩種綜合作用下鋼板鈍邊高度的變化曲線。明確了鈍邊高度變化趨勢與鈍邊銑削單元和鋼板運動之間的關系，為快速確定鈍邊高度超差原因及解決措施提供理論依據，對設備的改進具有一定的參考價值。

UOE生產線；銑邊機；鈍邊銑削；銑削單元偏移；鋼板運動；綜合作用；鈍邊高度超差

我國國民經濟的持續高速發展促使能源消費結構逐步改變，石油、天然氣的消費比例大幅度提高，而石油、天然氣的長距離輸送成為制約能源發展的重要因素。隨著“西氣東輸”項目中輸送油氣用直縫埋弧焊管的大量應用，以及直縫焊管在鋼結構基礎建設中被普遍使用［1-4］，建設專用直縫埋弧焊管機組成為我國國民經濟發展和能源結構調整的重要保障［5］。為此，寶山鋼鐵股份有限公司（簡稱寶鋼股份）于“十一五”期間投資興建了我國第一套現代化的大直徑UOE直縫埋弧焊管機組［6］。

作為焊管生產線中高精度及關鍵設備的鋼板銑邊機，不僅對銑削后的板邊坡口高度及精度、鈍邊高度及精度有重要影響，還決定著后續焊接的質量，影響鋼管的最終質量和產量［7-11］。銑邊機的組成包括銑削單元主驅動、夾鉗小車、精對中裝置、粗對中裝置、輸送及輔助設備等。其中，鋼板由夾鉗小車輸送和固定，銑削單元主驅動與地基之間通過滑動導軌連接，銑削單元主驅動通過液壓控制系統在導軌上移動調整位置。銑邊機銑削過程中，若鋼板偏離正常位置運動，不僅影響鋼板板邊的鈍邊高度及精度，還會造成銑削力的變化，進而引起銑削單元產生偏離正常位置的運動，加劇對鋼板板邊鈍邊高度及精度的影響。

導致鋼板產生偏移正常位置運動的原因有多種：由多節短導軌組成的長達52 200 mm的夾鉗小車導軌直線度或平面度有誤差；夾鉗小車的固定夾鉗和移動夾鉗液壓系統出現故障，導致夾持力不足以夾緊鋼板等。造成鈍邊銑削單元刀具偏離正常位置的原因：鈍邊銑削單元的刀具在銑削前由于人為因素沒有安裝到位；調整鈍邊銑削單元位置并起鎖緊作用的液壓系統出現故障，導致其鎖緊液壓力不足以保證鈍邊銑削單元固定于正常工作位置；銑削單元本身的剛度不足；地基剛度不夠等。

本文將系統地分析銑削過程中鋼板與鈍邊銑削單元綜合作用對鈍邊高度的影響，為判定引起鈍邊高度超差的原因提供理論參考依據，并提出相應的設備改進措施。

1 鈍邊高度與鋼板寬度方向偏移的關系

焊管生產線中鋼板與銑削單元刀具的位置關系如圖1所示。l為鋼板與銑削單元之間在鋼板寬度方向產生的變化量，h為設定的鋼板鈍邊高度，h0為鋼板鈍邊的實際高度，h1、h2為鈍邊高度的變化量，E為坡口刀具下坡口角度，F為鈍邊刀具角度，G為坡口刀具上坡口角度。

圖1 鋼板與銑削單元刀具的位置關系示意

根據圖1中鋼板與銑削單元的位置關系及刀具的幾何形狀，建立鈍邊高度與鋼板在寬度方向偏移量的函數關系式：

當鋼板產生靠近坡口刀具的偏移時，鋼板與坡口刀具之間的實際距離小于設定的距離，式（1）中的“±”選用“-”；反之，則選用“+”。

在銑削不同厚度的鋼板時，所選用的鈍邊刀具與坡口刀具不同，且銑削的鋼板鈍邊高度也不相等。本文以厚度13.6 mm的鋼板為例進行分析，相應坡口刀具的E=45°、G=40°，鈍邊刀具的F=2°，設定的鋼板鈍邊高度h=5 mm。

2 不同綜合作用對鈍邊高度的影響

銑削過程中，鋼板與銑削單元之間的相對位置影響鋼板的鈍邊高度。當鈍邊銑削單元在鋼板寬度方向以一定的速度偏移運動時，分別分析其與鋼板的偏移、偏轉運動綜合作用在整個銑削過程中對鈍邊高度變化的影響。

2.1 建立坐標系

根據寶鋼股份UOE機組銑邊機的布局，沿鋼板前進方向，定義兩臺鈍邊銑削單元主驅動分別為Ⅰ右、Ⅰ左，兩臺坡口銑削單元主驅動分別為Ⅱ右、Ⅱ左。以鋼板中心為原點，以鋼板前進方向為正Y方向，鋼板沿寬度向右運動方向為正X方向，Z方向由右手定則確定，建立坐標系如圖2所示。在Y方向，鈍邊銑削單元與坡口銑削單元之間的距離為2 400 mm。

圖2 建立的坐標系示意

2.2 鋼板偏移與鈍邊銑削單元運動綜合作用

假設整個銑削過程中，鋼板在被銑削的同時以速度vx0沿X方向偏移，同時鈍邊銑削單元Ⅰ右以速度vx1沿X方向偏移，鈍邊銑削單元Ⅰ左位置不變。此情況下鋼板與銑削單元之間的相對距離產生的變化量如圖3所示。

圖3鋼板X方向偏移量示意

圖3 中虛線表示鋼板未發生X方向偏移及偏轉情況下鋼板的位置，粗實線表示鋼板的實際位置。在鋼板經過鈍邊銑削單元與坡口銑削單元之間的過程中，設鋼板右側實際被銑削位置相對于設定位置在X方向產生的偏移量為lxr，鋼板左側實際被銑削位置相對于設定位置在X方向產生的偏移量為lxl。

根據鋼板與銑削單元的運動情況，可分別得到lxr、lxl的函數關系表達式：

式中t——鈍邊銑削單元偏移運動時間，s；

vy——鋼板前進速度，mm/s。

由式（1）和式（2）可得鋼板右側鈍邊高度的數學表達式為：

由式（1）和式（3）可得鋼板左側鈍邊高度變化的數學表達式為：

假設vx0=0.04（mm/s）、vx1=0.04（mm/s）、vy=100（mm/s），根據式（4）和式（5），利用MATLAB軟件繪制的鋼板偏移與鈍邊銑削單元運動綜合作用下鋼板左、右兩側鈍邊高度變化曲線如圖4所示。

2.3 鋼板偏轉與鈍邊銑削單元運動綜合作用

假設整個銑削過程中，鋼板在被銑削的同時繞Z軸以一定的角速度wz0逆時針偏轉，且銑削單元Ⅰ右以一定的速度vx1沿X方向偏移，鈍邊銑削單元Ⅰ左位置不變。鋼板偏轉與銑削單元偏移時的位置關系如圖5所示。

圖4 鋼板偏移與鈍邊銑削單元運動綜合作用下鋼板左、右兩側鈍邊高度變化曲線

圖5 鋼板偏轉與銑削單元偏移時的位置關系示意

圖5 中A點為鋼板板邊經過鈍邊刀具時被切削的任意位置，B點為A點運動到坡口銑削單元的位置，a為鋼板的長度，b為銑削后鋼板的寬度，t1為從銑削開始鋼板中心運動的時間，r0為鋼板與鈍邊刀具接觸的位置到旋轉中心的距離（即OA的長度），θ0為鋼板上被銑削位置的初始角度，θz0為A點運動到坡口銑削單元位置B時鋼板轉過的角度，lxx為B點到Y軸的距離。

根據圖5所示鋼板與銑削單元之間的位置關系，以及鋼板偏轉、鈍邊銑削單元偏移的運動形式，可以推導出該種運動形式鋼板右側偏移量的數學表達式：

式中t0——A點通過鈍邊與坡口銑削單元之間的距離所用的時間，s。

由式（1）和式（6）可得鋼板右側鈍邊高度的數學表達式：

由式（1）和式（8）可得鋼板左側鈍邊高度的數學表達式：

假設a=10 000（mm）、b=1 500（mm）、vy=100（mm/s）、wz0=7×10-6（rad/s）、vx1=0.01（mm/s），鋼板銑削開始時鈍邊銑削單元開始偏移，即t1=t，根據式（7）和式（9），利用MATLAB軟件繪制鋼板偏轉與鈍邊銑削單元運動綜合作用下鈍邊高度變化曲線如圖6所示。

由圖4和圖6可知：鋼板的實際位置相對于設定位置產生靠近坡口銑削單元的運動時會導致鋼板鈍邊高度的減小，相反則引起鋼板板邊鈍邊高度的增大。此外，當鈍邊銑削單元沿鋼板寬度方向產生偏離鋼板的運動時，同樣會導致鋼板板邊鈍邊高度的減小。

圖6 鋼板偏轉與鈍邊銑削單元運動綜合作用下鈍邊高度變化曲線

3 設備改進措施

（1）提高夾鉗小車導軌精度及小車與導軌的裝配精度。根據檢測與試驗測試數據確定鈍邊高度超差狀況，然后對導軌進行精調或精修，以提高導軌全長范圍內的直線度和平面度。同時，調整導軌與小車之間的每組夾鉗小車導輪機構，即分別調整夾鉗小車導輪機構中上下、左右導輪的一致性及預緊狀態。

（2）均衡和提高銑削單元系統剛度。設計鋼質的銑削單元與小車部分導軌公共固定平臺，使其內力達到平衡，設備整體外力最小化。銑削單元與小車導軌公共平臺改進裝置如圖7所示，改進后銑削單元位置布局如圖8所示。

圖7 銑削單元與小車導軌公共平臺改進裝置

由圖7～8可以看出：在不改變小車導軌和地基原位置的條件下，沿銑削鋼板寬度方向，通過由地腳螺栓固定于地面上的定位鋼板，將兩個鈍邊銑削單元和兩個坡口銑削單元連接為一個整體結構，不僅可以實現各銑削單元的獨立調整功能，還使其具有剛度大、不易變形的優點。經過改進后，一方面增大了基礎與地基（水泥地面）之間的接觸面積，使摩擦力增大，進而使地基愈加平穩可靠；另一方面，位于定位鋼板上的擋板除了具有地基定位功能外，還使銑削單元的基礎周圍增加了位置約束，一定程度上卸載基礎受到的切削力，可有效地阻止基礎產生移位，使其所能產生的位移更加有限。此外，改進后各銑削單元受到的銑削力由外力轉化為內力，4個銑削單元之間產生相互約束作用，削弱了對地基的影響。

圖8 改進后銑削單元位置布局示意

4 結語

通過研究鈍邊銑削單元與鋼板共同作用對鋼板鈍邊高度變化的影響，明晰了鋼板鈍邊高度的變化趨勢。繪制鈍邊高度變化曲線，并由此確立鈍邊高度變化與鋼板運動和鈍邊銑削單元運動之間的關系。為解決鋼板和銑削單元在鋼板銑削過程中偏離正常位置導致的鋼板銑削質量超差問題，提出了對夾鉗小車和銑削單元的針對性改進措施，以期為后續設備的改進提供參考。

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Combined Effects by Blunt Edge-milling Unit Operation and Steel Plate Movement of UOE Welding Pipe Line on Milling Efficiency

SUN Fenglong DAI Xueyu
（Baoshan Iron&Steel Corp.，Ltd.，Shanghai 201900，China）

Addressing the problem of out-of-tolerance of the steel plate blunt edge height during the milling process of the edge milling machine of the UOE welding pipe production line，considering the combined effects by the displacement of the blunt edge milling unit in the direction of the width of the steel plate，and the displacement and deflection movements of the steel plate respectively，the regularity of change of blunt edge height is analyzed systematically，and accordingly the function relationship between the blunt edge height and the offset of the steel plate is established，while height variation curves of the steel plate blunt edge as under the two combined effects are plotted.As a result，the relationship between the change trend of the blunt edge height and the movements of the blunt edge-milling unit and the steel plate is identified，which provides a theoretic basis for quickly finding out the causes for blunt edge height out-of-tolerance，and determining relevant actions for solution of the problem，being of certain reference value for modification of the equipment.

UOE welding pipe production line；edge-milling machine；blunt edge milling；displacement of the milling unit；movement of the steel plate；combined effects；out-of-tolerance of blunt edge height

TG441

B

1001-2311（2014）06-0053-05

2013-09-16；修定日期：2014-11-14）

孫鳳龍（1981-），男，碩士，工程師，主要從事HFW、UOE焊管生產線設備管理工作。