提高管端坡口整形機刀具安裝效率的方法

曹化榮，曹連池

中國石油管道局大港油建公司 天津 300280

1 序言

隨著國內油氣儲運行業的蓬勃發展，長輸管道向大口徑、長距離、高強度、高壓力和大壁厚的方向不斷發展。傳統的焊條電弧焊和藥芯半自動焊已經無法滿足施工需要，管道全位置自動焊接逐漸成為大口徑管道施工的主要焊接方式。而在全自動焊接過程中，最大的困難是如何保證管口的組裝質量。坡口加工作為管口組對工序中的重要一環，就顯得尤為重要。

隨著管道全自動焊接技術的不斷發展和實際應用，焊接工藝對管端坡口的要求越來越高，管端坡口形式也越來越多樣化，對精度的要求也越來越高。坡口形式與精度已經成為影響焊縫質量的關鍵因素[1]。

大口徑管端坡口整形機作為長輸管道施工現場加工坡口的一種自動化加工設備，它能代替人工實現對管道坡口進行快速、高效、精確的加工，是長輸管道施工全自動焊技術的關鍵配套設備[2]。在對管端坡口加工的環節中，刀具的安裝調整直接影響了坡口加工的效率，筆者總結了在施工過程中可以有效提高刀具安裝效率的幾種方法。

2 管端坡口整形機主要工作結構

大口徑管端坡口整形機是主要用于長輸管道現場施工過程中對管端坡口進行加工的設備，可以根據焊接工藝，將管端快速加工出符合工藝要求的各種坡口。

一臺完整的管端坡口整形機由切削主機和液壓系統兩大部分組成。由于整機全部采用液壓控制，所以液壓系統是坡口整形機的心臟，主要由液壓泵站和液壓控制系統組成。液壓泵站包括：液壓油箱、柴油箱、液壓泵、過濾器和油路接頭等部分。液壓控制系統安裝在坡口整形機切削主機上，控制整個坡口整形機的所有動作，其主要由多路閥、節流閥、溢流閥、順序閥、行程閥、液壓鎖及連接油管等組成，并通過油管與液壓泵站相連（見圖1），同時連接各個執行元件以完成要求的各個動作。而切削主機則是設備的工作核心，主要由自動定心脹緊機構、主切削傳動機構、旋轉刀盤（包括浮動式刀座、刀具調整結構及偏心滾輪）、切削進給機構、護板及導向機構等組成（見圖2）。

圖1 管端坡口整形機總體系統

圖2 管端坡口整形機切削主機結構

坡口整形機工作時通過自定心脹緊機構，使脹緊塊與管內壁貼合，再由液壓系統或機械傳動系統驅動安裝有切削刀具的旋轉刀盤旋轉和進給，來實現對管端坡口的持續加工。在工程現場施工過程中，管端坡口整形機必須與吊管機配合才能工作。

（1）自動定心脹緊機構 由脹緊液壓缸、脹緊花盤、傳動連桿、脹緊頂桿、脹緊基盤及脹緊塊等幾部分組成。液壓缸推動活塞桿帶動頂桿動作，由脹緊塊實現自動定位，為整個切削過程提供定位和加工基準。因此，前后兩排脹緊塊所在的圓周面的平行度和同心度對整機的定位精度起著決定性的作用，且前后兩排脹緊頂桿的跨度直接影響定位精度——跨度越大，定位精度越高；跨度越小，定位精度越低。

自動定心脹緊機構有兩個基本的功能：首先保證坡口整形機對管端坡口進行加工時其在管內的中心定位，管內的定位為整機固定提供支撐，以保證切削時自動定心脹緊機構可以提供足夠的切削轉矩。其次，要保證坡口整形機在切削時的定位精度，即必須保證加工出的坡口端面和管道軸線的垂直度，以保證被焊接兩管在對縫時鈍邊間隙均勻一致，從而保證根焊的質量和焊接效率。

（2）旋轉刀盤及主切削傳動機構 管端坡口整形機的旋轉刀盤以及安裝在旋轉刀盤上的切削刀座是整個坡口整形機的主要執行部件。旋轉刀盤的旋轉精度、刀座的浮動靈活性和刀座的剛性對整個坡口整形機的加工精度起著至關重要的作用。

2016年以來，國家持續推進化肥行業供給側改革，氮肥、磷肥產能及產量均開始下降，化肥行業整體產能過剩的局面得到一定緩解，磷肥和氮肥等基礎化肥市場價格出現恢復性上漲。具體來看，云天化主要化肥產品價格均實現同比上漲。其中，磷酸二銨、磷酸一銨、復合肥和尿素在今年前三季度的均價分別達到2727.93元/噸 、 2466.89元/噸、2322.26元/噸和 2056.99元/噸，同比增長16.50%、19.17%、10.33%和23.38%。

1）旋轉刀盤固定在與定心脹緊塊連接的主軸上，由星型液壓馬達經齒輪減速器驅動旋轉刀盤實現主旋轉，同時可以軸向移動。旋轉刀盤上均布4～6個浮動式刀座，每個刀座上可以裝夾一把切削刀桿，通過更換不同的刀具進行組合可以加工V形、U形、X形以及其他各種復合坡口。每種坡口的角度、深度、鈍邊厚等參數可根據焊接工藝的要求，通過調整刀具的位置進行方便的調節[3]。主傳動機構是切削盤的動力來源，為整個切削過程提供動力、實現切削的主運動。

2）在切削加工過程中，由于被加工的鋼管直徑大，且存在壁厚不均勻以及管口圓度誤差大等因素，采用固定軌跡加工的方法無法達到坡口的精度要求。故而，采用浮動式切削加工方式，以保證坡口的精度要求。浮動式刀座總成機構主要由刀座底板、刀座體、壓板、車刀壓緊螺釘、切削刀具、偏心滾輪、彈簧、調整螺母及固定軸等組成（見圖3）。其中偏心滾輪與刀桿相對固定，刀具及刀具上的刀片可以自由更換。整個刀座采用角擺彈性浮動結構，切削過程中偏心滾輪和管內壁始終保持接觸，以內圓面為基準實現仿形加工，以保證加工坡口的形狀、尺寸一致。同時整個刀座在旋轉刀盤上可以沿徑向調整位置（上下位置各設一個定位塊），在自動定心脹緊機構進入管內時，通過彈簧用偏心輪錐面進行定位，以適應不同的管徑和壁厚，從而實現一機多用和一刀多用。

圖3 浮動式刀座

加工前，通過調整螺母給彈簧一個適當的預緊力，滾輪與鋼管的內壁貼合，在切削過程中，隨著切削刀盤的旋轉，當管口壁厚不均勻或圓度誤差較大時，彈簧力推動刀座浮動，且切削過程中滾輪始終在管口的內壁上滾動，因此車刀的加工曲線均與管口壁厚曲線一致，從而確保了坡口的加工精度[4]。

3）偏心滾輪為刀具的輔助定位裝置，它是由固定軸、旋轉軸、偏心輪及軸承構成（見圖4）。偏心滾輪通過浮動式刀座與刀具聯動，可以通過旋轉軸左右旋轉來改變管道邊緣與切削刀片之間的相對位置，以此實現對刀具上下位置的微小調整工作。輔助定位原理如圖5所示，旋轉軸及偏心輪與固定軸不同心，向左旋轉偏心軸時，偏心軸及滾輪圍繞固定軸旋轉，滾輪最高點向下方移動，滾輪與管壁之間出現間隙，但由于浮動刀座彈簧的推力作用，使浮動刀座整體圍繞浮動刀座固定軸旋轉，偏心輪整體上移始終緊貼管壁內側；反之，如果向右旋轉偏心軸，滾輪高點向上移動，彈簧被壓縮，浮動刀座帶動偏心輪下移。因此，在坡口整形機工作過程中，滾輪始終緊貼管道內壁滾動，可保證車刀的加工曲線與管口壁厚曲線一致。

圖4 偏心滾輪結構

圖5 輔助定位原理示意

（3）切削進給機構 主要實現旋轉刀盤的軸向進給運動（包括工進和快進）。它由進給液壓缸驅動傳動銷帶動刀盤實現軸向進給，進給的行程根據實際切削要求以及管口的情況確定，軸向進給速度通過調整液壓缸的調速閥改變。

另外，管端坡口整形機組成部分還包括：前導向籠部分、中間護板架、導向輪、切削防護部分及后防護護欄等。這些部分的主要功能是保護設備和設備上的元件，防止管端坡口整形機進入管道時破壞管內壁的防腐層，以及保護操作人員的安全等。

3 刀具的安裝及調整方式

用管道自動焊接裝置完成管道水平固定環焊縫自動焊接操作的焊接方法稱為管道全位置自動焊。坡口的形式和尺寸是全位置自動焊接的重要基礎，會對焊接質量和焊接效率產生關鍵性的影響。

目前國內外采用的管道全位置自動焊設備，絕大部分采用計算機控制，設備不同則控制的參數和控制方式也有區別。控制的主要參數有：送絲速度、電弧電壓、焊接速度、擺動寬度、擺動頻率（或擺動速度）及兩側停留時間等，對每一層及每一層焊道不同的焊接位置，大部分的管道自動焊設備可設定不同的參數。但目前無論控制參數設置多少及焊接位置分得多細，都是根據焊接試驗和焊接工藝評定預先設定參數，還未達到焊接設備能自動判定間隙大小、熔池（或熔孔）的大小及坡口寬度等條件的變化，即不能根據條件變化來自動調節焊接參數的大小。因此管道自動焊的坡口形式和坡口尺寸必須符合標準和焊接工藝規程的要求，并應有較高的一致性。

1）首次加工坡口安裝刀具時，操作人員需要根據經驗確定刀桿的伸出長度及高度，然后緊固車刀壓緊螺釘。

2）使用起重設備將坡口整形機自定心脹緊機構送入管口，直至管口邊緣與偏心滾輪接觸，扳動自定心脹緊機構的控制手柄，使坡口整形機脹緊塊與管內壁脹緊固定。

3）扳動旋轉刀盤的快進手柄，旋轉刀盤沿坡口整形機主軸方向移動，直至偏心輪完全進入管口內，刀具距管口5～10mm位置停止，然后運轉旋轉刀盤，打開工進手柄，開始切削加工。

4）切削時注意觀察管口端面，必要時可停車檢查，待所有刀具與管口切削到位后，關閉工進手柄，退出切削盤，松開自定心脹緊塊，將坡口整形機從管口內吊出（取出），測量坡口所有參數。

5）根據加工坡口與標準坡口的偏差，松開刀具及偏心滾輪緊固螺釘，依次調整各個刀具位置，刀具的調整分為上下和左右兩個方向的調整。左右方向的調整依靠刀具的左右移動實現，上下方向的粗調可通過增減刀具下方的墊鐵，細調可通過旋轉偏心滾輪實現。

6）刀具調整后，重復上述步驟，直至坡口參數符合標準要求。

4 影響刀具安裝效率的因素

通過總結，施工過程中影響刀具調整效率的因素主要有以下幾點。

1）首次刀具安裝時，尤其是復合坡口，需要多把刀具安裝到每個單獨的浮動刀座上。由于沒有統一的標志物作為參照點，每把刀具的伸出長度、墊鐵高度均無法準確地判斷，完全依靠操作人員的經驗安裝，因此首次加工后的坡口誤差也比較大。

2）對刀具進行二次調整，橫向移動刀桿時，同樣因為沒有可以參照的點作為依據，移動時往往需要操作人員依靠經驗判斷，所以常常會出現多次調整不到位或調整過頭的現象。

3）通過偏心滾輪對刀具進行上下微調時，偏心滾輪的旋轉軸位置往往是隨機的，旋轉軸上也沒有任何指示標志。初次調整無法準確地判斷滾輪的正確旋轉方向，例如當旋轉軸長點處于最高點時，此時無論將旋轉軸向哪個方向旋轉，偏心滾輪都會帶動刀具向上移動，并且旋轉的尺度大小同樣因為沒有標尺參照，所以也要依靠操作人員的經驗去判斷和調整。

每一遍坡口加工后，均需要停車、退出切削盤，松開坡口整形機自定心脹緊塊，取出坡口整形機機頭，測量坡口相應的參數，根據誤差對刀具進行相應的調整。調整時要依次松開刀具壓緊螺釘、偏心滾輪緊固螺釘，對刀具進行微調后再緊固。然后將坡口整形機機頭放入管口內脹緊固定，起動旋轉刀盤開始加工，一次過程往往就需要10～30min。

全自動焊接對坡口的每項尺寸精度要求很高，每個參數的誤差均要求在±0.2mm以內，并且對于復合坡口來說，每一個單獨參數的調整都會影響其他地方的尺寸參數。

以上這些因素造成了每次刀具安裝時都需要反復多次地調整試驗，根據操作人員的熟練程度及坡口樣式的不同，調整時間也不同。坡口越復雜，需要的刀具越多，調整就越為繁瑣。尤其是對于員工培訓和工藝試驗，需要經常調整更換坡口形式的時候，對工作效率的影響尤為明顯。

5 提高刀具調整效率的方式

筆者通過在實際施工過程中的實踐，從影響刀具安裝調整效率的因素入手，通過制作相應的工裝和對原有元件進行改造等方式，總結了幾條可以有效提高坡口整形機刀具安裝效率的方法。

1）針對初次安裝多把刀具時沒有參照點的問題，根據偏心滾輪與刀具聯動，并且工作時偏心輪外圓始終緊貼管壁內側的特點，設計一種輔助對刀裝置（見圖6），該裝置由底座、對刀樣板和緊固螺釘組成。底座為矩形方管，斷面平整，頂面鉆孔并攻螺紋。對刀樣板根據焊接工藝的坡口樣式進行加工制作，斷面呈L形，在樣板底部有兩個長孔，底座與對刀樣板通過螺釘聯接，可以左右滑動調整。使用時，松開緊固螺釘，調整對刀樣板的伸出長度并緊固，將工裝底座側端面貼緊偏心滾輪的外圓平面，而對刀樣板的底面則緊靠偏心滾輪的外邊緣。然后安裝刀具時以此樣板為依據，調整墊鐵高度及刀具伸出長度，使各個刀具依次與對刀樣板的相應部位吻合，然后緊固刀具。

圖6 輔助對刀裝置

這樣刀具安裝基本可以一次調整到位，減少了反復試驗調整的次數，后面只需根據加工誤差進行微調即可。

2）在刀桿及偏心輪旋轉軸的表面加工出相應刻度線（見圖7），并標出相應數值，這樣在調整刀桿和旋轉偏心輪時就有了參考依據。

圖7 用刻度標識示意（局部）

6 結束語

通過以上改進，用較低的成本有效地解決了刀具安裝調整過程中重復的無效步驟，提高了坡口加工效率。