鋼管平頭倒棱機的改進與設計

2013-08-22 07:34:40張玉華

制造業自動化 2013年1期

郭瑞，張玉華

（天津理工大學機械工程學院，天津 300381）

0 引言

近些年，伴隨著我國天然氣工程的快速發展、海洋油氣進入大規模開發階段以及城鎮化建設的加快，包括西氣東輸工程、中俄油氣管道、中緬油氣管道、海洋油氣管道等，鋼管行業將有很大的發展，與此同時對鋼管的要求也隨之更高，市場上大口徑、大壁厚的鋼管已經有很大需求。

而平頭倒棱機是鋼管精裝線中必不可少的深加工設備，主要用于對于鋼管進行去毛刺、管端倒棱、平端面的加工。隨著市場對鋼管的高要求，傳統的平頭倒棱機由于受結構限制，已經很難滿足對大口徑厚壁鋼管的加工要求，而且設備穩定性較差、加工精度不夠高。

針對這些問題，本課題組最新研制了一種新型全自動平頭倒棱機，它與傳統的平頭倒棱機無論在運動形式上、還是在結構上都不相同，該設備增大了設備的加工范圍、增強了設備的穩定性及提高了加工精度。

1 普通鋼管平頭倒棱機的結構分析

1.1 普通平頭倒棱機適用鋼管規格

外徑?140.0～?426.0mm；壁厚5～30mm。

1.2 普通鋼管平頭倒棱機的結構及其工作原理

平頭倒棱機由底座、進給機構、機頭（如圖1所示）和夾緊裝置構成，機頭包括交流電機、動力頭、刀盤、倒棱刀具和平頭刀具。機頭沿鋼管軸向方向的進給運動由進給機構實現。交流電機通過動力頭的傳動將動力傳動到主軸上，主軸上裝有刀盤，刀盤上裝有倒棱刀具與平頭刀具，刀具可在刀盤上調整位置以適應不同軸徑工件的端面加工。倒棱刀具設有仿形浮動機構，仿形浮動機構有燕尾導向的仿形浮動和杠桿式導軌導向的仿形浮動兩種形式。采用仿形機構能夠有效地消除鋼管端面的不圓度對倒棱均勻度的影響，使加工后的鋼管端口達到較高的精度。

圖1 普通平頭倒棱機機頭

1.3 普通平頭倒棱機優缺點

普通平頭倒棱機結構簡單，實用性強，針對一定規格的鋼管加工效率、加工精度比較高；其局限性表現在由于受切削刃長度及強度、剛度的限制，普通鋼管平頭倒棱機在加工鋼管壁厚超過30mm時就出現設備抖動、加工面波紋狀及刀具壽命差、加工效率低等問題，而且一般不能對壁厚超過40mm的鋼管進行加工，這就遠遠滿足不了市場對大口徑厚壁鋼管的加工要求。通過以上分析可知：刀具相對于鋼管只有公轉，沒有自轉。

2 新型平頭倒棱機的結構分析

2.1 新型平頭倒棱機的適用鋼管規格

新型平頭倒棱機的刀具采用可轉位銑刀，刀盤機構安裝在直徑較大的大盤上，通過大盤與銑刀的旋轉，使得銑刀相對鋼管端面既有自轉運動又有公轉運動，這樣的加工方式有效的拓展了加工范圍，適用鋼管規格：壁厚20mm～80mm，長度6000mm～24000mm；加工外倒角0～45°；刀具轉速范圍為0～1000rpm，大盤轉速范圍為0～50rpm。

2.2 總體結構

新型平頭倒棱機由固定底座1、移動箱體2、進給機構3和動力系統4組成，如圖2所示。

圖2 新型平頭倒棱機

固定底座為鋼板焊接板型結構，下表面安裝在基礎上，上表面安裝有兩根直線導軌。移動箱體為鋼板焊接箱型結構，下表面安裝有滑塊并與固定底座的直線導軌形成滑動配合。

進給機構由驅動電機、減速機、滾珠絲杠和絲杠螺母組成，當驅動電機轉動時，通過減速機帶動絲杠轉動，從而通過絲杠螺母驅動整個動力系統直線移動。

動力系統包括電機、無級變速器、移動齒輪傳動箱、大盤旋轉傳動機構、隨動齒輪機構和刀盤機構，變頻電機、無級變速器等支撐在移動箱體上。下面對新型平頭倒棱機的關鍵機構加以說明。

2.2.1 大盤旋轉傳動機構

圖3 大盤旋轉傳動機構

如圖3所示，大盤通過一對圓錐滾子軸承安裝在支撐箱體內的支承座上，電機通過齒形帶帶動主軸旋轉，主軸通過其上面的齒輪與齒輪Ⅰ嚙合，齒輪Ⅰ帶動軸Ⅰ旋轉，軸Ⅰ將動力傳入到無級變速器中，無級變速器通過調速后將動力輸出到軸Ⅱ上，軸Ⅱ帶動齒輪Ⅱ旋轉，齒輪Ⅱ與大齒輪嚙合，大齒輪帶動大盤旋轉支撐套進而帶動大盤旋轉。大盤轉速的調整由無級變速器和變頻電機共同控制。

2.2.2 主軸動力系統的設計

主軸動力系統由主軸、中心齒輪、大盤、隨動齒輪機構和刀盤機構等構成。此系統可實現刀盤的自轉和公轉，其動力通過主軸分配，主軸的轉速通過調節電機的轉速來控制。

刀盤自轉的實現：電機通過齒形傳送帶將動力傳送到主軸輸入端，主軸另一端裝有中心齒輪，通過中心齒輪可將動力分別傳遞給兩套刀盤隨動齒輪機構的固定齒輪，進而通過過渡齒輪、隨動齒輪實現刀盤的自轉；刀盤自轉的速度為銑刀加工鋼管的切削速度。

刀盤公轉的實現：兩套隨動齒輪機構與刀盤機構都安裝在大盤上，隨著大盤的旋轉能實現刀盤的公轉；刀盤公轉速度即大盤旋轉速度，即為銑刀沿鋼管端面圓周方向的進給速度。

1）隨動齒輪機構

圖4 隨動齒輪機構

隨動齒輪傳動機構如圖4所示，一方面能夠將動力傳遞到主軸上，另一方面能夠適應不同口徑鋼管的加工。隨動齒輪傳動機構由固定支架軸、固定齒輪、連桿、心軸、過渡齒輪、移動支架軸、隨動齒輪和移動支架組成，固定支架軸固定在大盤底面，固定支架軸上裝配有固定齒輪，固定齒輪與中心齒輪嚙合，在大盤旋轉時固定齒輪不僅繞自身軸線自轉同時還繞中心齒輪軸軸線實現公轉，移動支架與刀盤機構的底板固定，移動支架內裝有移動支架軸和隨動齒輪，在固定支架和移動支架之間設有過渡齒輪和心軸，心軸和兩個支架由兩套連桿形成可旋轉連接。

固定齒輪、過渡齒輪和隨動齒輪依次嚙合并將動力和運動傳遞給刀盤，刀盤位置移動時移動支架內的隨動齒輪繞過渡齒輪和固定齒輪擺動，以實現不同口徑鋼管的加工。隨動齒輪傳動機構設有兩套，分別通過傳動軸與倒棱刀盤機構和銑平面刀盤機構連接。

2）刀盤機構

刀盤機構如圖5所示，包括倒棱刀盤機構和銑平面刀盤機構，并固定在大盤上，且呈180°布置，兩個刀盤機構通過各自的底板固定在大盤上并通過徑向移動調節裝置使得刀盤能夠沿大盤徑向移動并實現刀盤公轉半徑調整。

圖5 刀盤機構

倒棱刀盤機構由于鋼管壁厚不均勻，管壁圓度的誤差比較大，必須設有仿形浮動機構，才能使倒棱滿足要求的公差范圍。

倒棱銑刀通過刀柄裝置以及輥輪通過仿形臂都裝在過渡板上，過渡板與底板之間裝有導軌并設有帶阻尼的彈簧裝置。仿形浮動機構采用內靠模浮動式，通過輥輪靠模模仿鋼管內壁的圓弧，使刀盤行走軌跡與鋼管內壁曲線相似，如圖6所示，這樣刀盤在半徑方向有一定的浮動，此仿形浮動功能由彈簧裝置實現。

圖6 鋼管內徑變化圖

實現方法如下：假設在加工前，根據鋼管的加工要求將刀盤的位置通過徑向裝置調整好來對刀，并假設鋼管內徑變化如圖6所示，當輥輪剛好處于圖中加工位置a處時，鋼管內徑為a通過調節彈簧裝置的調節螺釘給彈簧一個適當的預緊力，使得輥輪壓在鋼管內壁，隨著大盤的旋轉，加工位置從a處轉到b處過程中，鋼管內徑從a增大到b，受彈簧張力的作用，輥輪始終壓在鋼管內壁，彈簧裝置帶動刀盤上的輥輪與銑刀從a處運動到b處；

當加工位置從b處轉到c處過程中，鋼管內徑從b減小到c，此時輥輪受到內壁壓力的作用，彈簧裝置帶動刀盤上的輥輪與銑刀從b處運動到c處。

因此由于受到壓縮彈簧的作用，靠模輥輪始終靠在鋼管內壁上，輥輪中心，刀具上的任意一點的運動曲線，都和鋼管內壁曲線相一致，從而刀盤實現了仿形浮動的功能。

采用內靠模仿形浮動機構不僅能夠抵消一部分倒棱銑刀倒棱過程產生的切削力，提高系統穩定性，而且能使得鋼管的設計基準與工藝基準相一致，確保切削后的鋼管端面的倒棱尺寸在一定公差范圍內，有效地消除了鋼管在直徑方向上的不圓度對倒棱均勻度的影響，使得端面倒棱能夠達到較高的精度。

銑平面刀盤機構包括底板、刀柄裝置、主軸與端面銑刀組成。

銑刀裝在刀柄裝置內的輸出軸中，輸出軸軸通過聯軸器與隨動齒輪傳動機構的移動支架軸聯接，刀柄裝置固定在底板上。