鋼管銑頭倒棱機的創(chuàng)新設計

劉萬順，張玉華，陳凱，宋新環(huán)，任星

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

鋼管銑頭倒棱機的創(chuàng)新設計

劉萬順1，2，張玉華1，2，陳凱1，2，宋新環(huán)1，2，任星1，2

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

新型全自動鋼管銑頭倒棱機是對傳統(tǒng)的平頭倒棱機的加工工藝進行了改進，加入了自轉(zhuǎn)系統(tǒng)，銑刀和倒棱刀在隨大盤轉(zhuǎn)動的過程中，可進行自轉(zhuǎn)。與傳統(tǒng)平頭倒棱機相比，鋼管由車削加工變?yōu)殂娤骷庸ぃ岣吡虽摴芗庸け砻尜|(zhì)量;設備加工范圍得到了擴大;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，隨著火力發(fā)電、西氣東輸、石油高價位運行，市場對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)惠政策的實行，大口徑鋼管的生產(chǎn)成為一個相對波動較小并且保持了一定利潤的行業(yè)。鋼管按照制造工藝的不同，分為無縫鋼管和焊管，無論是無縫鋼管還是焊管，其工藝流程均需要對鋼管端面進行銑端面、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的研制是十分必要的，設備的好壞將直接關(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

1.1 傳統(tǒng)平頭倒棱機工作原理

傳統(tǒng)平頭倒棱機機頭(圖1)由倒棱刀具、平頭刀具、刀盤、動力頭和交流電機組成。在動力頭上安裝可作旋轉(zhuǎn)運動的刀盤，將端面平頭刀和倒棱刀固定在刀盤上，通過刀盤的旋轉(zhuǎn)帶動刀具的旋轉(zhuǎn)，以此對鋼管的端面和內(nèi)外棱進行加工，刀盤的轉(zhuǎn)動為切削主運動。傳統(tǒng)平頭倒棱機除機頭以外，還有底座、進給機構(gòu)和夾緊機構(gòu)［2］。機頭整體安裝在底座上，進給機構(gòu)可驅(qū)動底座沿著鋼管的軸線方向做進給運動。夾緊機構(gòu)的作用是在平頭、倒棱時夾緊鋼管。

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

1.2 傳統(tǒng)平頭倒棱機的局限性

傳統(tǒng)平頭倒棱機設計、制造簡單、質(zhì)量輕，但是其加工范圍小。由于傳統(tǒng)平頭倒棱機采用的是車削加工，車削包括刀具的轉(zhuǎn)動、刀具相對于工件的軸向進給兩種運動。當鋼管壁厚較小時可以進行車削加工，但是鋼管壁厚變大時，加工長度隨之變大，該傳統(tǒng)平頭倒棱機就不能加工了。當鋼管壁厚超過30 mm時，要求刀具的切削刃足夠長，導致切削力增大，發(fā)生刀具振動，不能保證切削的穩(wěn)定性，傳統(tǒng)平頭倒棱機一般不能對壁厚超過30 mm的鋼管進行加工。因此，傳統(tǒng)平頭倒棱機不能滿足市場對大口徑大壁厚的鋼管的需求。

2 新型鋼管銑頭倒棱機的改進

通過對原有平頭倒棱機的分析，把已有的平頭倒棱機的車刀更換為多刀頭的面銑刀，并對動力傳動機構(gòu)做了改進，經(jīng)過現(xiàn)場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)殂娖矫娴募庸ぃ@種改進相比于傳統(tǒng)的平頭倒棱機具有以下優(yōu)點: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 傳動機構(gòu)的改進

改進后的鋼管銑頭倒棱機如圖2所示。該新型倒棱機要能完成以下三個運動:銑刀主軸的切削主運動(銑刀的自轉(zhuǎn))，銑刀裝置隨大盤的轉(zhuǎn)動(銑刀公轉(zhuǎn))，銑刀的軸向進給運動。為了滿足鋼管銑頭倒棱機的加工工藝，各運動應由不同的電動機提供動力傳動。

圖2 改進后鋼管銑頭倒棱機示意圖Fig.2Improved steel pipe milling and chamfering machine

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

(2)銑刀自轉(zhuǎn)的動力傳動。電機2通過齒輪3傳遞給與其嚙合的齒輪4，齒輪4、齒輪5與套筒通過鍵聯(lián)接，二者轉(zhuǎn)動同步，套筒通過軸承與大盤連接，齒輪5通過與其嚙合的齒輪6將動力傳動到軸上，進而傳遞給刀具減速部分，倒棱刀具通過萬能角度頭與主軸連接。

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

根據(jù)鋼管的管徑和加工角度要求，可通過銑刀的軸向進給機構(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能角度頭。通過萬能角度頭，可使倒棱銑刀與機頭主軸的角度在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相應的改變刀具的倒棱角度;平面銑刀、倒棱銑刀可通過進給機構(gòu)的絲杠來調(diào)節(jié)刀具的工作位置，從而為不同直徑的鋼管進行加工。

2.3 銑刀減速機構(gòu)設計

電機通過齒輪機構(gòu)將動力傳遞給齒輪軸1，如果齒輪軸1直接與齒輪2嚙合，將動力傳遞給銑刀，齒輪2的尺寸將很大，占用較大的面積，因此，采用二級減速機構(gòu)設計，如圖3所示。各個齒輪的參數(shù):

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

3 改進前后的倒棱機參數(shù)比較

新型的鋼管銑頭倒棱機適用的鋼管規(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加工參數(shù)的計算。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］，通過萬能角度頭連接在軸上，根據(jù)銑削深度、銑削寬度對刀具的相關(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)速的計算。根據(jù)銑削速度公式

式中，kv為銑削條件改變時銑削速度修正系數(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的計算。

每轉(zhuǎn)進給量

大盤圓周旋轉(zhuǎn)進給速度

大盤轉(zhuǎn)速

式中，D為鋼管直徑為800 mm;af為每齒進給量;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，選取ap=2 mm，af=0.18 mm，aw=80 mm，得到F=2533 N;倒棱時，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，P=6.27 kW;倒棱時，P= 19 kW。

(5)倒棱角度為45°時加工一根鋼管的時間。

鋼管加工的進給距離L=(80-3)·tan45°= 77 mm

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

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

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

通過表1、表2數(shù)據(jù)可以看出:鋼管銑頭倒棱機的切削力和切削功率比普通平頭倒棱機的小很多，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

新型鋼管銑頭倒棱機是一種創(chuàng)新設備，與傳統(tǒng)平頭倒棱機相比，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;設備加工范圍得到了擴大，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。目前已有多臺設備在現(xiàn)場使用，完全滿足對鋼管精度的要求。

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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劃重點項目(90ZCKFGX02900)國家發(fā)明專利號:ZL 2012 1 0029140.2

劉萬順(1988-)，男，天津理工大學碩士研究生，研究方向為:機械制造及其自動化。