鋼管精整機(jī)模具及換模裝置的研制?

馬天海，陳 熙

（天水鍛壓機(jī)床（集團(tuán)）有限公司技術(shù)中心，甘肅天水 741020）

鋼管精整機(jī)模具及換模裝置的研制?

馬天海，陳 熙

（天水鍛壓機(jī)床（集團(tuán)）有限公司技術(shù)中心，甘肅天水 741020）

介紹了一種直縫焊管生產(chǎn)線中鋼管精整機(jī)的輔助設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理，對(duì)模具進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。研究了對(duì)不同規(guī)格鋼管精整時(shí)，所采用模具的型腔結(jié)構(gòu)大小的設(shè)計(jì)參考公式；因生產(chǎn)線需求，設(shè)計(jì)了一種對(duì)模具實(shí)現(xiàn)快速更換裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，實(shí)效性好，保證整線的生產(chǎn)節(jié)奏。

鋼管精整機(jī)；模具裝置；型腔結(jié)構(gòu)；更換

1 引 言

目前，鋼管的圓度與直線度成為各大管廠所面臨的困難之一，鋼管的精整設(shè)備成為各大管廠的需求設(shè)備。為此，我公司研制開發(fā)了快速高效，工作性能穩(wěn)定，整徑能力大、管徑、壁厚變化范圍大的鋼管精整機(jī)以滿足鋼管行業(yè)快速發(fā)展的需求。

本套模具是專為直縫焊管生產(chǎn)制造行業(yè)設(shè)計(jì)的整徑矯直模具，主要用于圓鋼外徑的精整，同時(shí)其上模在矯直時(shí)可作為矯直上模來用，具有雙重功能。經(jīng)使用發(fā)現(xiàn)，以往設(shè)計(jì)的精整模具在使用時(shí)存在以下不足：①上、下精整模合模定心偏差和模具縫隙均較大，圓管易在上、下精整模合模縫隙處擠出；②在精整鋼管時(shí)，上、下精整模的內(nèi)側(cè)端頭與鋼管管壁的接觸為線接觸，常在鋼管外壁留下明顯壓痕，影響外觀質(zhì)量；③精整模熱處理后硬度偏低，由于鋼管有一條凸出的直焊縫，焊縫硬度較高，常先在精整模上擠出壓痕，壓痕凸出部位易在下一次精整時(shí)將鋼管擠傷，從而造成鋼管外壁劃傷、精整模損傷，為使焊縫不致壓傷精整模以及影響精整后鋼管的圓度，過去常在焊縫處加墊薄鐵皮，操作復(fù)雜、效率低。

在直縫焊管焊接完成后，為達(dá)到焊管的圓度和直線度要求，需進(jìn)行整徑和校直。由于鋼管管徑在20″～46″的范圍內(nèi)變化，而一種規(guī)格的鋼管對(duì)應(yīng)一種整徑矯直模具，隨著生產(chǎn)綱領(lǐng)的變化，精整模具需經(jīng)常更換。從而設(shè)計(jì)了換模裝置，便于操作模具在鋼管精整機(jī)主機(jī)內(nèi)的定位與更換。

通過用戶反饋信息，并采集現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，多次進(jìn)行三維模擬試驗(yàn)，設(shè)計(jì)開發(fā)研制了一種適用于鋼管精整機(jī)工況下的模具及換模裝置，以滿足市場(chǎng)和用戶實(shí)際需求，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2 開發(fā)模具與換模裝置方案與分析［1－2］

設(shè)計(jì)模具的目的是為用戶解決在現(xiàn)有使用精整設(shè)備模具狀況下，精整鋼管操作存在難度大、效率低、質(zhì)量不好的問題。為解決存在的問題，本設(shè)計(jì)構(gòu)思的技術(shù)方案如下。

（1）在上、下模座兩端面安裝定位銷。因上、下精整模是在合模后進(jìn)行更換和安裝，定位銷可保證合模后上、下精整模的同心度，從而提高鋼管的圓度；同時(shí)，對(duì)上、下精整模型腔尺寸按圓管公稱外徑加大尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。保證上、下精整模合模后鋼管有足夠的變形空間，不會(huì)在上、下精整模合?？p隙處擠出；再者合理設(shè)計(jì)上、下精整模合模縫隙，保證上、下精整模在合模過程中上、下棱邊不會(huì)接觸到鋼管外表面，避免鋼管外表面擦出痕跡，提高了鋼管的外觀質(zhì)量。

（2）在上、下精整模內(nèi)側(cè)端面處加工出過渡曲面（采用漸開線）。其作用是防止精整完鋼管與未精整鋼管在交接處產(chǎn)生急劇變形，引起鋼管的應(yīng)力變化甚至壓出死彎，減小鋼管外表面在精整變形過程中與精整模端面處的接觸應(yīng)力，既保證鋼管的加工質(zhì)量，又延長(zhǎng)了精整模的使用壽命。

（3）通過熱處理，提高精整模具內(nèi)圓表面的硬度值，同時(shí)在模具內(nèi)外表面分別加工出兩道定位鍵槽。其作用是：①防止聯(lián)結(jié)模具的螺栓松脫；②保護(hù)精整模表面不被焊縫損傷，延長(zhǎng)了精整模的使用壽命。

另外，保證上精整模與下精整模合模后端面存在一定的距離，不但使鋼管有一定的變形空間，減小鋼管內(nèi)部應(yīng)力集中，有利于鋼管在精整時(shí)的成形，同時(shí)在更換模具時(shí)能方便換模和節(jié)省安裝空間。

為配合管線生產(chǎn)，設(shè)計(jì)了一種更換模具快速便捷、減少輔助時(shí)間、提高生產(chǎn)效率的鋼管精整機(jī)模具快速更換裝置（也叫換模裝置）。其功能：①模具在鋼管精整機(jī)主機(jī)內(nèi)的移進(jìn)和移出；②模具在小車上的定位；③模具在鋼管精整機(jī)主機(jī)內(nèi)的定位。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，采取以下技術(shù)方案。

換模裝置，其特征是：它由1個(gè)固定平臺(tái)和1個(gè)小車組成。固定平臺(tái)用于支撐小車和模具，其上面有2個(gè)導(dǎo)槽，用于小車車輪行走時(shí)的導(dǎo)向。小車用于模具在鋼管精整機(jī)主機(jī)內(nèi)的移進(jìn)和移出，小車臺(tái)面上前后方向設(shè)計(jì)2個(gè)定位銷，用于模具在小車上的定位，小車下部左右設(shè)計(jì)2個(gè)定位銷，用于模具在鋼管精整機(jī)主機(jī)內(nèi)的定位和小車在固定平臺(tái)上的固定，小車采用8個(gè)車輪的結(jié)構(gòu)形式，便于小車跨過固定平臺(tái)與鋼管精整機(jī)主機(jī)活動(dòng)橫梁間的空檔。

不同規(guī)格模具的更換在主機(jī)外進(jìn)行，不受空間限制，同樣模具吊入及吊出換模裝置也在主機(jī)外進(jìn)行，快速方便。模具在主機(jī)內(nèi)的定位、安裝和拆卸所需動(dòng)力由主機(jī)提供，簡(jiǎn)單快速。僅靠一套換模裝置便可完成全部模具的更換，且能同時(shí)滿足上、下模具的更換，換模裝置安裝完成后不用拆卸，不僅使用方便，還可減少輔助時(shí)間，提高效率。

3 模具裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其使用意義［3］

如圖1所示，模具裝置由底座、定位鍵、模座1、起吊螺釘、?914精整模、定位銷、連接環(huán)、起重銷、模座2組成。底座與模座1采用螺栓聯(lián)接，用定位鍵定位，確保安裝時(shí)準(zhǔn)確、快速。

以?914精整模安裝示意圖為例，?914精整模是主要零件，將?914精整模圓弧面上中心線兩側(cè)成120°均勻布置的螺栓分別固定到模座1和模座2上，此端面連接方式簡(jiǎn)易方便。安裝時(shí)，上、下?914精整模的最小距離為50±0.05 mm，且此位置時(shí)的上下?914精整模圓弧面同心，在精整鋼管時(shí)可提高鋼管的圓度。此距離能使鋼管有一定的變形空間，減小鋼管內(nèi)部應(yīng)力集中，有利于鋼管在精整時(shí)的成形，同時(shí)可防止精整模直邊在精整時(shí)擦傷管體，從而提高鋼管圓度和表面質(zhì)量。此外在更換模具時(shí)能節(jié)省安裝空間。

圖1 模具裝置

如圖2所示，上下?914精整模內(nèi)側(cè)端面處加工出過渡曲面（采用漸開線）。其功能：減小鋼管外表面在精整變形過程中與精整模端面處的接觸應(yīng)力，既保證鋼管的加工質(zhì)量，又延長(zhǎng)了精整模的使用壽命。同時(shí)減小了矯直時(shí)鋼管外表面與精整模端面處的接觸應(yīng)力，防止鋼管產(chǎn)生局部變形而壓扁。

圖2 模具示意圖

通過熱處理，使精整模具的硬度達(dá)到HRC（47～52），同時(shí)在上、下模具內(nèi)外表面分別加工出兩道寬28 mm、長(zhǎng)60 mm的鍵槽。其功能：①精整時(shí)，避免精整模具與模座之間產(chǎn)生的切向力而互相錯(cuò)動(dòng)，防止聯(lián)結(jié)模具的螺栓松脫；②高硬度既能保護(hù)焊縫的強(qiáng)度，又使精整模表面不被焊縫損傷。

定位銷在安裝上下?914精整模時(shí)起定位作用，保證上下?914精整模同心，確保安裝定位準(zhǔn)確。連接環(huán)在裝卸上、下模具時(shí)，掛在起吊螺釘上從而連接上、下模具，簡(jiǎn)單、便捷。起重銷用于天車起吊上下模具，安全可靠。圖3、4為模具型腔工作前后示意圖。圖3為精整模型腔尺寸D′，鋼管公稱外徑D，上、下精整模合模前間隙H在合模前的位置關(guān)系。圖4為精整模具上、下精整模合模后示意圖。圖中表示了精整模兩棱邊距離L，上、下精整模合模后間隙h、合模后鋼管尺寸L′的位置關(guān)系。

精整模型腔尺寸D′的確定：由于鋼管合模前與合模后的周長(zhǎng)不變，合模前鋼管周長(zhǎng)為πD，合模后鋼管周長(zhǎng)可表示為πD′－2（H－h(huán)），則πD＝πD′－2（H－h(huán)），D′＝D＋2（H－h(huán)）／π。H－h(huán)為鋼管最大變形量，為一定值，此值根據(jù)鋼管上序的控制公差可確定，從而確定精整模型腔尺寸D′。

圖3 合模前模型腔示意圖

圖4 合模后模型腔示意圖

4 換模裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工作機(jī)理

如圖5所示，換模裝置主要由1個(gè)固定平臺(tái)和1個(gè)小車（包括小車體、壓蓋、外套管、車軸、軸承、車輪、內(nèi)隔套、墊圈、螺釘?shù)龋┙M成。

固定平臺(tái)一端通過螺釘固定在地基板上，而地基板用地腳螺栓固定在地基上；固定平臺(tái)另一端通過螺釘固定在螺紋板上，而螺紋板則配焊在主機(jī)底橫梁上。地基板和螺紋板上裝有緊定螺釘，通過調(diào)整緊定螺釘，可使固定平臺(tái)上平面與主機(jī)活動(dòng)橫梁上平面處在同一水平面上，方便小車通過固定平臺(tái)上平面與主機(jī)活動(dòng)橫梁上平面在主機(jī)內(nèi)的推進(jìn)、推出。固定平臺(tái)上平面開有2條導(dǎo)向槽，供小車運(yùn)動(dòng)時(shí)車輪導(dǎo)向用，固定平臺(tái)上平面有2個(gè)銷孔，插入定位銷2，可將小車體固定在平臺(tái)上。

小車下部裝有8個(gè)車輪，每個(gè)車輪內(nèi)部裝有2個(gè)軸承，軸承外圈用壓蓋通過螺釘固定在車輪上，軸承內(nèi)圈與外套管、內(nèi)隔套一起穿在車軸上，而車軸則通過墊圈、螺釘裝在小車體下部孔內(nèi)。8個(gè)車輪的結(jié)構(gòu)便于小車跨過固定平臺(tái)與鋼管精整機(jī)主機(jī)活動(dòng)橫梁間的空檔。車輪中間部位設(shè)有凸臺(tái)，用于小車行走時(shí)在固定平臺(tái)及主機(jī)活動(dòng)橫梁上的導(dǎo)向槽內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)向。小車體兩側(cè)開有銷孔，通過插入定位銷2，可使小車體在固定平臺(tái)及主機(jī)活動(dòng)橫梁內(nèi)進(jìn)行定位。小車體上平面裝有2個(gè)定位銷1，用于模具在小車體上的準(zhǔn)確定位。

工作原理：將需要更換的精整模具上、下模連接在一起，用天車吊到小車體正上方，使精整模具下模上兩銷孔對(duì)準(zhǔn)小車體上平面的2個(gè)定位銷，緩慢落下，將精整模具落在小車體上，完成精整模具在小車體上的定位。拔出定位銷2，將模具及小車體一起推入主機(jī)活動(dòng)橫梁內(nèi)，使小車體兩側(cè)銷孔對(duì)準(zhǔn)主機(jī)活動(dòng)橫梁上平面銷孔，插入定位銷2，完成精整模具在主機(jī)活動(dòng)橫梁上的定位。升起活動(dòng)橫梁，使精整模具上模上平面與主機(jī)上橫梁下平面貼合，將精整模具上模用螺栓固定在主機(jī)上橫梁上。落下活動(dòng)橫梁，由于精整模具上、下模連接在一起，小車體連同2個(gè)定位銷與精整模具上、下模分開。拔出定位銷2，將小車體推出主機(jī)活動(dòng)橫梁到達(dá)固定平臺(tái)，使小車體兩側(cè)銷孔對(duì)準(zhǔn)固定平臺(tái)上平面銷孔，插入定位銷2，將小車體固定在固定平臺(tái)上。升起活動(dòng)橫梁，使活動(dòng)橫梁上平面與精整模具下模下平面貼合，將精整模具下模用螺栓固定在主機(jī)活動(dòng)橫梁上。取掉精整模具上、下模連接環(huán)，落下活動(dòng)橫梁，精整模具上、下模分開，換模完成。

圖5 模具快速更換裝置示意圖

5 結(jié) 語

本次設(shè)計(jì)開發(fā)研制的精整機(jī)模具結(jié)構(gòu)與換模裝置均以獲得國家實(shí)用新型專利證書，已在用戶生產(chǎn)實(shí)踐中廣泛使用。模具及換模裝置的設(shè)計(jì)實(shí)用性較好，為進(jìn)一步提高鋼管的產(chǎn)品質(zhì)量，還需更好了解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況，設(shè)計(jì)研究更有利于提高鋼管質(zhì)量和生產(chǎn)效率的措施與方法。

［1］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.第1版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［2］ 黃海峰.彎曲彈性回彈及其工藝技術(shù)控制方法［J］.模具技術(shù)，1988（6）：65－74.

［3］ Stoeckhert K（德）.模具制造手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社出版，2003.

Steel Pipe Finishing Machine Mold and Mold Changing Device

MA Tian－h(huán)ai，CHEN Xi
（Tianshui Metal Forming Machine Tool Group Co.，Ltd，Tianshui Gansu 741020，China）

The machine structure and working mechanism of auxiliary equipment of steel pipe finishing machine in the straight seam welded steel pipe production line are introduced，further optimization and improvement to the mold design are done.De?sign reference formula of the mould cavity structure size is studied while finishing different specification steel tube，Due to the production line demand，a device is designed to realize quick die change，the structure is simple and compact，actual effect is good，the whole line production rhythm is ensured.

steel pipe finishing machine；mold device；mold structure；replacement.

TG70

A

1007－4414（2013）04－0119－03

2013－06－19

馬天海（1983－），男，甘肅蘭州人，助理工程師，主要從事壓力機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的工作。