通風管三通相貫線處焊接坡口自動切割機的研究與設計

摘要："通風管三通焊接前需要切割相貫線處的坡口，焊縫坡口的準備對于后續焊接工作至關重要。同時還設計了以液壓傳動及其控制系統為核心的通風管三通相貫線處焊接坡口自動切割機。其具有鋼管夾緊力可控，快、慢速運動有效結合，提高了生產效率，保證了坡口切割質量，改善了工人勞動條件。液壓傳動及其控制系統的應用為鋼管自動切割提供了必要條件，方案合理可行，機構簡單緊湊，將具有廣闊的應用前景。

關鍵詞："不銹鋼管"坡口"液壓傳動（請確認）系統"自動切割機

中圖分類號：TH137

Research"and"Design"of"Automatic"Cutting"Machines"for"Welding"Grooves"at"the"Intersecting"Line"of"Air"Duct"Tees

LI"Guo""ZHANG"Man*""ZHU"Chengbiao""WAN"Yi""YANG"Dachun

（Huaiyin"Institute"of"Technology，Huai’an，Jiangsu"Province，223003"China）

Abstract："The"groove"needs"to"be"cut"at"the"intersecting"line"before"air"duct"tees"are"welded，"and"the"preparation"of"weld"grooves"is"very"important"for"the"subsequent"welding"process."This"paper"designs"an"automatic"cutting"machine"for"welding"grooves"at"the"intersecting"line"of"air"duct"teens"with"hydraulic"transmission"and"its"control"system"as"the"core."It"has"the"characteristics"of"the"controllable"clamp"force"of"steel"tubes，"and"the"effective"combination"of"high-speed"and"low-speed"motion，"which"improves"production"efficiency，"assures"the"cutting"quality"of"grooves，"and"improves"the"working"conditions"of"workers."The"application"of"hydraulic"transmission"and"its"control"system"provides"a"necessary"condition"for"the"automatic"cutting"of"steel"tubes，"the"project"is"reasonable"and"feasible，"and"the"mechanism"is"simple"and"compact."It"will"have"a"broad"application"prospect.

Key"Words："Stainless"steel"tube;"Groove;"Hydraulic"system;"Automatic"cutting"machine

隨著我國社會物質文明的不斷進步，住房建設和大型公共建筑建設正處于快速發展階段，通風管是這些建筑實施的必配附件并以T形通風管應用較多，而材質為不銹鋼的T形通風管主要以焊接的方法制造。焊接是最為重要的制造工藝之一，高水平的焊接制造對中國工業長期向好發展具有極大的促進作用[1]。在通風管三通焊接前需要切割相貫線處的坡口，坡口除了保證焊透以外，還能調節熱輸入，由此調整焊縫的性能[2]。焊縫坡口的準備對于后續焊接工作至關重要[3]。多道焊接頭的殘余應力會同時受到坡口形式、約束條件、焊接參數、焊接順序、層間溫度等工藝變量的強烈影響。在這些影響因素中，作為其他工藝變量確定的前提，坡口形式無疑是最重要的[4]。相貫部位的焊道是復雜的空間曲線，并且坡口多為不規則的變截面、坡口角度隨空間位置不斷變化[5]。因此，相貫部位的坡口加工具有一定難度，是保證焊縫質量的重要工序，從而決定了通風管質量。

目前，鋼結構件的坡口采用刨床、"銑床、"半自動火焰機、"手工火焰槍或數控切割機等方法加工。通風管三通相貫線處焊接坡口成型主要以手工切割為主，該方法效率低，坡口質量不穩定，存在一定的安全風險、工人勞動環境差等缺陷。T形通風管三通由2根管構成，一根管端部切割成凸形，另一根管中間切割成凹形，凸凹配合后的交線即三通相貫線。鋼管端部切割成凸形后，可認為凸形是由其兩側斜面構成。本文擬采用液壓驅動機械裝備實現鋼管端部凸形兩側斜面處坡口的自動切割（注另一鋼管中間為凹形側的坡口切割另文闡述），以提高生產效率和坡口切割質量，同時改善工人勞動環境，具有良好的應用前景。

1總體方案的確定

本設計以外徑50"mm（更換相關部件即可加工不同外徑）、壁厚和長度任意的不銹鋼管為加工對象，T形通風管大都為等徑鋼管焊接而成，此處一般為90°的V"形坡口。因鋼管長度任意，該自動切割機械應為臥式裝置較為合理[6]。

從安全生產方面考慮，鋼管的裝夾以V型塊定位液壓缸夾緊的工藝方法較為合理，保證在切割加工時不會因切削力較大而松動。將裝夾鋼管的裝置安裝在一平臺上，該平臺應能實現前后、上下及旋轉功能，而具備這些功能也是坡口切割時的必備條件。分析研究認為液壓傳動系統完全具備實現上述功能且具有其它傳動所沒有的優勢，故該自動切割裝置采用液壓傳動系統是必然選擇。

2結構設計與液壓系統設計

2.1"夾緊裝置設計

工件的夾緊方式較多，考慮鋼管切割時受力較大并考慮自動加工的要求，本設計采用了V型塊定位液壓缸夾緊的工藝方法。如圖1所示，將鋼管放置在V型塊上，夾緊油缸4驅動上壓V型塊5自動對心并夾緊鋼管。

2.2自動切割總體結構設計

如圖2所示，將鋼管夾緊裝置6安裝在旋轉平臺5上，并將旋轉平臺與旋轉油缸8相聯，旋轉油缸在液壓力的作用下旋轉，其帶動固結在旋轉平臺的鋼管夾緊裝置相對于升降平臺旋轉，可實現鋼管端部凸形兩側斜面處坡口的換位切割。

切割加工時，砂輪機（圖2中省略）固定在適當位置，以鋼管送料的形式進行。在切割凸形雙斜面的第一斜面時，水平移動油缸9驅動水平移動平臺2運動到達指定位置停留，升降油缸7使升降平臺4延導柱3上升，鋼管接觸到高速旋轉的片狀砂輪時即被切割，升降平臺繼續上升直到鋼管單面切割完畢。

自動切割的總體設計必須滿足自動送料，換面切割的功能。為此，液壓傳動系統具備的大載荷、慢速運動、自動控制能更好的實現該功能，這也是本文研究與設計的坡口自動切割機械具有良好的應用價值所在。需要指出的是，上述運動中由于多方面因素影響，運動速度應可調節。

3液壓控制系統的設計

3.1液壓控制系統的設計及工作原理

在自動切割結構裝置中，為了實現各部件的運動并達到自動控制目的，擬定的液壓系統原理圖如圖3，其基本原理如下。

（1）鋼管的夾緊：按下啟動按鈕，液壓泵2工作，液壓油從油箱經相關液壓元件6、7、8、9進入工件夾緊缸10上腔夾緊鋼管。

（2）水平移動平臺快速運動：夾緊鋼管的同時，壓力繼電器11發信號使換向閥12的2YA得電，液壓油經其左位進入平臺水平移動缸15左腔，右腔的油液經換向閥14左位回油箱，推動水平移動平臺快速運動。

（3）水平移動平臺的慢速運動：當其運行至一定位置時觸碰到行程開關使4YA得電，換向閥14右位接入，右腔的油液經元件13的節流閥回油箱，即可實現水平移動平臺的慢速運動。

（4）升降平臺快速上行：當平臺運動至工件待加工的水平位置時觸碰行程開關，使2YA失電，換向閥12處于中位，同時6YA得電，換向閥16右位接入，液壓油經其右位及元件20進入平臺升降缸19下腔，使其快速驅動升降平臺上行。

（5）升降平臺慢速上行：當其快速上行觸碰到行程開關時，7YA得電，換向閥18右位接入，平臺升降缸的上腔油液經元件17、換向閥16的右位回油箱，實現升降平臺慢速上行，砂輪切割機對鋼管進行單面坡口切割。

至此單面坡口切割完畢，下一步即進入另外斜面的切割。

（1）升降平臺快速下行：單面坡口切割完畢時觸碰到行程開關使6YA失電、5YA得電，液壓油經換向閥16左位、元件17進入平臺升降缸19上腔，使升降平臺快速下行。

（2）平臺旋轉并重復上述升降平臺動作：當其快速下行到原始位置觸碰行程開關使"5YA失電、8YA得電，換向閥16處于中位，換向閥24左位接入，液壓油經元件22、23、24（左位）、25、26進入平臺旋轉缸27使平臺旋轉一定的角度后觸碰到行程開關使8YA失電、6YA得電，重復平臺升降缸的快速、慢速上行動作，砂輪切割機對鋼管的另一面進行斜面切割。

（3）復位動作：當該面坡口切割后，觸碰到行程開關使6YA失電、5YA得電，液壓油經換向閥16左位、17進入平臺升降缸19上腔，升降平臺缸快速下行，到達原始位置時觸碰到行程開關使5YA失電、9YA得電，換向閥16處于中位，換向閥24右位接入，液壓油經元件22、23、24（右位）、25進入平臺旋轉缸27使平臺回轉復位到初始位置；此時觸碰到行程開關使9YA失電、3YA得電，換向閥12右位接入，液壓油經6、12（右位）、13進入平臺水平移動缸15的右腔，平臺水平移動缸快速返回至原始位置并觸碰到行程開關使3YA失電、1YA得電，液壓油經元件6、7、換向閥8左位進入工件夾緊缸10下腔使鋼管松開。當工件夾緊缸10活塞桿回到初始位置時觸碰到行程開關，發信號使機器停止工作。

至此鋼管凸形雙斜面坡口切割完成。

3.2液壓傳動及其控制系統的優點

液壓傳動及其控制系統的優點為工件的夾緊力可控。鋼管的壁厚不同夾緊力的大小就需要相應調整，該油路可利用減壓閥來控制回路壓力進而調整夾緊力的大小。平臺水平移動缸、平臺升降缸都有快速與慢速運動控制。當這兩只油缸空載時快速運動可有效提高工作效率，在坡口切割時慢速運動可提高加工精度。平臺旋轉缸的實時旋轉控制。當單面坡口切割后通過油路的自動控制實時旋轉一定的角度并精確定位，這是機械旋轉裝置所不容易具備的。該油路整體都具有自動控制的特點，控制方式簡單可靠，這是其他裝置所不容易具備的。油路整體還具備低速、大載荷的特點，這也是其它裝置所不容易具備的。

4結語

本文研究并設計了以液壓傳動及其控制系統為核心的鋼管坡口自動切割裝置。該自動切割機械具有工件的夾緊力可控，快、慢速運動有效結合，提高了生產效率，保證了坡口切割質量，改善了工人勞動條件。方案合理可行，機構簡單緊湊，特別是液壓傳動及其控制系統的應用為該機械的自動化生產提供了必要條件，將具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]"呂學勤，龍力源，何香還，等.基于改進灰狼算法優化"SVM"的機器人坡口類型識別[J].焊接，2023（8）：14-21，36.

[2]"喬永豐，雷玉成，姚奕強，等.坡口形狀對CLAM鋼焊縫抗輻照損傷性能的影響[J/OL].材料導報，"2024（10）："1-13[2023-11-20]."http：//kns.cnki.net/kcms/detail/50.1078.tb.20230330.0928.010.html.

[3]"陳哲."大管徑管線端面坡口加工自動夾持裝置設計[J].焊接技術，2019，48（11）："72-74.

[4]"朱敏，鄭喬，吳巍，等.坡口形式對雙金屬復合板多層多道焊接頭殘余應力演變的影響[J].機械工程學報，2022，58（10）："51-58.

[5]"陳昌榮，周孫盛，何華，等.基于拋物線模型的"V"形坡口焊道規劃排布[J].焊接學報，2023，"44（7）：79-88，133-134.

[6]"陳清.液壓支架結構件板件坡口焊接工藝優化與應用[J].中國礦山工程，2021，50（3）：46-48．