三點式導向機構在HFW焊管內毛刺修磨機上的應用*

趙 輝，戴冬晨，王慶龍，劉 晟

（天津工業職業學院，天津 300400）

1 概 述

焊管內毛刺修磨機是HFW 焊管生產中不可或缺的設備之一，在HFW 焊管生產過程中，由于內毛刺刮刀破損、 刮刀位置偏移、 刮除標高意外降低、 內刮刀導桿支持力不足、 內毛刺堵刀等一系列原因，導致內焊縫焊接擠壓毛刺殘余超標，超標內毛刺如圖1 所示。 內毛刺殘留缺陷會導致管材一次生產不合格，對此，生產中行之有效的處理方法就是采用離線直縫焊管內毛刺修磨機對一次生產不合格的焊縫進行修磨處理，將超標的內毛刺磨削掉，使其幾何尺寸達標。 檢驗標準一般參照API SPEC 5L 第45 版執行，標準要求見表1。 標準對 HFW焊管內毛刺的刮削深度和余高的要求嚴格。 如果修磨后修磨區出現管壁超薄、 粗糙度不足、 缺陷等問題，達不到生產工藝的要求，則該部分鋼管只能降級使用，甚至成為廢品，造成經濟損失。

圖1 HFW 焊管超標內毛刺形貌

表1 HFW 焊管壁厚偏差檢驗標準

焊縫的修磨質量取決于修磨過程的平穩性和砂輪磨削過程中的精度控制。 在整個修磨過程中，修磨機支撐導向機構是保證修磨作業平穩性和砂輪磨削精度的關鍵部件，對修磨質量起決定性作用。 因此，要有效提高內毛刺修磨質量，磨削機構的管內支撐導向機構的選型優化設計至關重要。

2 HFW焊管內毛刺修磨機結構及優缺點

目前，國內普遍使用的HFW 焊管內毛刺修磨機大體分為兩種布局結構。 HFW660 生產線采用雙頭修磨結構，如圖2 所示。 整套修磨機由2 臺修磨主機構成，單機長約7.5 m，采用鋼管更換工位，兩臺7.5 m 的修磨機從管材兩頭向中間修磨。 該修磨機主傳動軸采用剛性軸傳動，如果剛性軸過長，其自身較大撓度會造成重心偏移引起強迫振動導致不能傳動，因此設計長度一般為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構也導致傳動桿直徑大，因此該修磨機一般應用于Φ355 mm 以上規格的大直徑HFW焊管，可修磨管材長度約為14.5 m。 這種結構的內毛刺修磨機結構簡單，易于加工制造，廣泛應用于HFW 焊管內毛刺修磨領域。 但這種雙頭修磨機從兩端分別向管材中間修磨，導致管材的中間部分被修磨兩次，易產生壁厚超薄的問題。

圖2 HFW660 生產線雙頭修磨機結構示意圖

圖3 HFW335 生產線單頭修磨機結構示意圖

HFW355 生產線的內焊縫修磨機為單頭結構，如圖3 所示。 單臺修磨主機機長約14.5 m，由單個修磨頭從管材的單側開始對內焊縫毛刺進行全長修磨。 該修磨機主傳動軸一般采用鋼絲軟軸進行傳動，解決了長距離剛性軸因為自身較大撓度，而造成重心偏移引起的強迫振動過大不能傳動的問題。 鋼絲軟軸相對于剛性軸無需軸承作為支撐，使得傳動軸直徑較小，廣泛應用于Φ355 mm 以下規格的小直徑焊管，可修磨管材長度約14.5 m。 該種布局的單頭修磨機，采用鋼絲軟軸傳動，雖然解決了長距離傳動問題，但由于軟軸剛性不足，修磨頭由于磨削的反作用力在管內擺動較大，導致修磨過程中產生修磨軌跡偏離或粗糙度超標的現象，內焊縫修磨的成材率較低，使得修復后超標的管材仍然得降級使用。

3 三點支撐導向機構應用需求

對采用鋼絲軟軸傳動的單頭修磨機來講，傳動軸剛性不足是該修磨機急需克服的缺點，由于使用空間和傳動結構的限制，通過傳動軸自身克服是不可能的，只有通過提高修磨頭導向定位機構的精準性，保證修磨頭的修磨過程穩定，以此來彌補傳動軸剛性不足的缺點。 HFW355 單頭修磨機采用單向反作用力導向機構，導向機構如圖4所示。 該機構在磨削作業點正上方加設彈性支承，對修磨頭進行定位導向。 但由于單頭修磨機傳動軸剛性不足，砂輪磨削過程中，磨削反作用力和傳動軸抖動復合作用于定位導向機構上，使得作用力是多方向的，采用單向反作用力導向機構無法有效地保障單頭修磨機修磨的穩定性。 這也是該修磨機在磨削過程中極易產生修磨軌跡偏離或粗糙度超標、 內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向將能夠很好地解決這一問題。在幾何結構中，三角形的穩定性最高，因此采用三點支撐是較為理想的導向支撐結構，這種結構能夠克服磨削過程中產生的多方向力，使修磨頭的定位穩定，磨削作業平穩。

圖4 單向反作用力導向機構

4 三點支撐導向機構結構特點

三點支撐導向機構通過3 個導向輪在管壁內部形成三角支撐，其結構簡單，尺寸小巧，能夠很好地保證修磨頭的直線運動和砂輪磨削過程中的控制精度。 該導向機構特別適用于單頭修磨機，能有效解決單頭修磨機軟軸剛性不足、 修磨頭在管內擺動較大、 導致修磨過程中極易產生修磨軌跡偏離或粗糙度超標的問題。 三點支撐導向機構如圖5 所示，該機構主要由導向槽、 導向槽底座、緩沖彈簧、 導向輪、 限位輥、 導向板等部分構成，3 個導向輪形成了三角定位。 該支撐導向機構安裝于傳動軸鄰近修磨頭的位置，安裝及更換方便，性能穩定，性價比高。

圖5 三點支撐導向機構結構示意圖

5 三點支撐導向機構的工作原理

如圖5 所示，三點支撐導向機構和待磨管的內管壁之間通過3 個導向輪相接觸，使得支撐點形成三角形機構，支撐著修磨頭縱深運動。 導向輪選擇滾針軸承承載設計，用滾動支撐代替相對滑動，使得運動阻力降到最小。 限位輥與導向板采用2 個定位螺絲緊固連接，通過調整限位輥和導向板的相對位置來控制3 個導向輪與待磨管內壁的精密配合，很好地克服磨削過程中產生的多方向力，保證定位精度，確保傳動軸和砂輪在待磨管內的直線運動，使得修磨軌跡不偏離。 導向板和導向槽通過導向槽上的4 個定位螺絲緊固連接，可以實現導向板沿著導向槽進行上下方向的高度調整。 由于導向板利用3 個導向輪與待磨管形成精密配合，故通過調整導向板和導向槽的相對位置，能夠精確地調整傳動軸的軸心 （即砂輪的中心） 相對于待磨管焊縫的高度，該調整實現了對砂輪片單次磨削的深度和修磨阻力的有效控制。 通過對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足技術要求； 通過對砂輪修磨阻力的控制，既能夠保證磨削最大工作效率，又能夠有效防止驅動過載或砂輪由于阻力過大而破碎； 在修磨過程中，隨著砂輪磨損及砂輪直徑減小，將導向槽沿著導向板向下調整，就可以實現砂輪的中心相對于待磨管焊縫的高度降低，從而補償砂輪磨損造成的直徑減小，延長了砂輪的使用壽命。

當待磨管為同一管徑而壁厚不同或管徑變化不大時，可以通過調整或更換限位輥滿足待磨管小范圍的內徑變化。 當待磨管管徑發生變化，調整或更換限位輥不能夠滿足需求時，可通過更換導向板來滿足待修磨管內徑大范圍變化的需求。通過限位輥和導向板的按需調整更換，使得修磨機能夠適用于大跨度管徑規格的修磨作業。

在導向槽和傳動軸之間安裝有緩沖彈簧，可吸收磨削時產生的震動，保證修磨作業的平穩性，提高磨削表面的粗糙度。 當管材焊縫內毛刺的殘留高度突然增高而導致修磨量突然增大時，增大量會被彈簧有效抵消，使砂輪和設備不會因此損壞，從而繼續保持平穩運行。

6 應用前景和效果

三點支撐導向機構代替單向反作用力導向機構，使得HFW355 生產線的直縫焊管內毛刺修磨成材率得到了較大的提高。 三點支撐導向機構的設計源于生產實踐，結構新穎，簡單合理，可拆卸的導向板和限位輥的設計能夠擴大該結構的管徑適用范圍。 通過調整限位輥、 導向板和導向槽的相對位置可適應一定范圍內管徑的變化，也可以補償砂輪的磨損。 三個導向輪支撐穩定性高，能有效避免導向輪沿焊管內壁產生周向滑動，從而保證修磨精度和砂輪的直線進給。 三點支撐導向機構修磨機具有修磨質量高、 安全可靠、 維修方便、 可提高產品合格率等優勢，尤其是通過精準控制磨削深度，使得修磨質量明顯提高，表面粗糙度可達到Ra12.5，可廣泛推廣應用。