一種新型浮動切削式熱煨彎管坡口機的研制

尹鐵，金晶，李鐵軍，段興福，曹永利，王永勝

(1.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北廊坊065000;2.河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，天津300130;

3.安瑞科廊坊能源裝備集成公司，河北廊坊065001;4.中國石油天然氣管道局，河北廊坊065000;5.中油管道機械制造有限公司，河北廊坊065000)

目前，我國正處于油氣管道建設(shè)高峰期，在長輸油氣管道施工中，由于管線施工環(huán)境的多樣化、復(fù)雜化，施工現(xiàn)場對熱煨彎管的需求量不斷增加。由于彎管管徑較大，裝夾無法保證彎管中心與加工機床主軸中心的完全一致，而目前在用的熱煨彎管坡口機采用固定軌跡式加工方式，造成了管口坡口成型不一致問題，每個坡口都需要進行人工二次修磨。因此研制出能夠浮動式切削加工，確保坡口成型質(zhì)量的新型設(shè)備就有重要意義。

由中國石油天然氣管道科學(xué)研究院研制的新型熱煨彎管坡口機采用了液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)，可大幅提高切削功率，縮短坡口的加工時間。新型坡口機采用了內(nèi)漲式同步夾緊機構(gòu)和浮動式切削機構(gòu)，在切削過程中刀架帶動刀具可以根據(jù)管口壁厚以及形狀精度的變化進行浮動，在切削過程中可以實現(xiàn)切削軌跡的變化，確保切削后的彎管坡口均勻一致，有效消除了彎管在直徑方向上的不圓度以及壁厚變化對坡口成型質(zhì)量的影響，使加工后的坡口滿足工程現(xiàn)場焊接要求。

1 整機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型大口徑熱煨彎管坡口機主要由熱煨彎管專用平臺、內(nèi)漲式夾緊機構(gòu)、主軸切削機構(gòu)、十字滑臺機構(gòu)等組成，如圖1所示。

圖1 大口徑熱煨彎管坡口機結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 熱煨彎管平臺

考慮到熱煨彎管的特點，在彎管的兩端按照工藝要求，分別留有500 mm 長直邊管段，因此在彎管平臺前端設(shè)計一組V 型定位塊，通過電機帶動絲杠可以實現(xiàn)V 型定位塊開合尺寸的調(diào)整以適應(yīng)管徑的變化，利用熱煨彎管的直邊段進行鋼管的定位。

1.2 內(nèi)漲式同步夾緊機構(gòu)

在彎管坡口切削加工過程中，切削狀況復(fù)雜，彎管在切削力、重力等作用下容易產(chǎn)生振動和位移，因此，實現(xiàn)彎管的可靠夾緊是確保坡口加工精度和安全操作的基礎(chǔ)。相對于傳統(tǒng)的外部夾緊方式(如圖2)，新型熱煨彎管坡口機采用內(nèi)漲式同步夾緊機構(gòu)，如圖3所示。夾緊機構(gòu)由前后兩套相同的漲緊連桿機構(gòu)組成，切削時，漲緊液壓缸無杠腔進油推動推力盤，推力盤帶動連桿推動頂桿和漲緊塊實現(xiàn)鋼管的漲緊，切削完成后，漲緊液壓缸有桿腔進油，漲緊機構(gòu)放松與彎管分離。由于采用雙排多點同步漲緊，可以確保在彎管夾緊過程中各個漲緊塊受力均勻。試驗證明，采用內(nèi)漲式同步夾緊方式可以保證彎管夾緊的穩(wěn)定性和可靠性，在加工過程中不會產(chǎn)生位移和振動，能夠避免夾緊失效情況的產(chǎn)生。

圖2 傳統(tǒng)外部夾緊方式示意圖

圖3 內(nèi)漲式夾緊機構(gòu)三維模型與機械結(jié)構(gòu)圖

1.3 主軸切削機構(gòu)

主軸切削機構(gòu)主要完成熱煨彎管的坡口成型加工，主要由切削刀盤、浮動式刀座總成及打磨刷機構(gòu)組成，如圖4所示。

圖4 主軸切削部件示意圖

1.3.1 切削刀盤

切削刀盤安裝在機床主軸上，工作過程中隨主軸一起旋轉(zhuǎn)，完成機床的主運動。在切削刀盤上均勻分布有4 個浮動刀座安裝位置，每個浮動刀座上安裝有一把專用成型車刀，根據(jù)工藝要求，通過更換不同角度的成型車刀可以實現(xiàn)加工出不同類型的坡口。由于刀盤直徑較大，且旋轉(zhuǎn)速度高，通過均勻布置刀座可以保證在切削過程中切削刀盤的動平衡。在切削刀盤上，用于安裝浮動刀座的每組螺紋孔的孔距為25.4 mm，通過安裝位置的調(diào)整可以適應(yīng)彎管加工的管徑變化。

1.3.2 浮動式刀座總成機構(gòu)

浮動式切削刀座總成機構(gòu)主要由刀座底板、刀座體、壓板、車刀壓緊螺釘、車刀、滾輪、彈簧、調(diào)整螺母、固定軸組成，如圖5所示。

圖5 浮動式刀座總成機構(gòu)示意圖

在坡口加工前，通過調(diào)節(jié)調(diào)整螺母給彈簧一個適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，確保滾輪與鋼管的內(nèi)壁貼合，在切削過程中，隨著切削刀盤的旋轉(zhuǎn)，帶動浮動刀座旋轉(zhuǎn)運動，當(dāng)管口壁厚不均勻或圓度誤差較大時，彈簧力推動刀座浮動，由于切削過程中滾輪始終在管口的內(nèi)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。同時，為了保證坡口角度尺寸的一致性，減少由于刃磨及安裝造成的坡口角度誤差，車刀采用針對熱煨彎管坡口設(shè)計的專用機夾可轉(zhuǎn)位不重磨成型車刀，車刀根據(jù)坡口角度進行設(shè)計，在加工過程中不需要人工調(diào)整刀具參數(shù)、提高了加工效率，保證了坡口角度的一致性。

1.3.3 打磨刷機構(gòu)

打磨刷機構(gòu)為主軸切削結(jié)構(gòu)的附屬部件，主要由支架、毛刷頭、絲桿、鎖緊螺母組成，如圖6所示。支架通過螺釘固定在切削刀盤上，通過調(diào)節(jié)絲桿可以調(diào)整毛刷頭的上下位置，確保能夠打磨管口內(nèi)壁。在切削加工的同時，通過打磨刷機構(gòu)實現(xiàn)對管口污染物、鐵屑等的打磨，可有效避免鐵屑在滾輪上粘貼，保證滾輪與管口內(nèi)壁的良好接觸。

圖6 打磨刷機構(gòu)示意圖

1.4 十字滑臺機構(gòu)

十字滑臺機構(gòu)采用矩形閉式導(dǎo)軌，可以承受較大的翻轉(zhuǎn)力矩，所有導(dǎo)軌配合面均經(jīng)過人工刮研，提高了機床的配合精度。所有運動控制均由交流伺服控制電機完成，提高了機床的運動控制精度。

2 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計

彎管坡口機液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖7所示，內(nèi)漲式同步夾緊機構(gòu)和主軸切削機構(gòu)通過液壓控制，液壓控制包括液壓泵站和液壓控制系統(tǒng)。通過對切削功率的計算，反算出液壓控制系統(tǒng)功率和流量，進而進行液壓控制系統(tǒng)液壓泵、馬達等組件的選型設(shè)計。經(jīng)過設(shè)計計算，系統(tǒng)工作壓力14 MPa，額定壓力18 MPa，液壓泵流量207 L/min，為便于PLC 對電磁閥進行控制，閥電壓采用24 V。

圖7 液壓控制系統(tǒng)原理圖

3 電氣控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件主要包括1 臺三相異步電機、3 臺變頻電機、1 臺伺服電機和液壓控制系統(tǒng)電磁閥組。三相異步電機作為液壓控制系統(tǒng)動力，采用Y/△啟動;3 臺變頻電機主要實現(xiàn)彎管坡口整形機十字滑臺X、Y、Z 軸運動控制，采用變頻器進行變頻調(diào)速，伺服電機用于控制切削系統(tǒng)切削進給，由專用的驅(qū)動器驅(qū)動控制?？刂葡到y(tǒng)核心PLC 控制器發(fā)出控制命令信號，使異步電機、變頻電機和伺服電機協(xié)調(diào)控制，完成坡口切削過程。

為了便于人機對話，電氣控制系統(tǒng)觸摸屏作為人機交互界面，研制出多模式下彎管切削控制系統(tǒng)。觸摸屏的應(yīng)用不僅大大節(jié)省了空間，還為用戶提供了便捷、直觀、友好的人機交互界面。

4 整機主要技術(shù)參數(shù)

適應(yīng)管徑:φ813 ～φ1 016 mm(32 ～40 in);

適應(yīng)彎管壁厚:15 ～32 mm;

加工坡口型式:V、U 型、復(fù)合型坡口;

切削盤轉(zhuǎn)速:30 ～40 r/min;

切削進給速度:0 ～0.2 mm/r;

彎管強度等級:≤X100。

5 試驗及現(xiàn)場應(yīng)用情況

大口徑熱煨彎管坡口機(圖8)于2012年5月在中油管道機械制造公司取得成功應(yīng)用?，F(xiàn)場檢驗測試彎管為中緬油氣管道工程國內(nèi)段用彎管，管徑φ1 016 mm，壁厚15.3 mm，彎曲角度13°，坡口形式為30° V 型坡口，鈍邊1.6 mm，彎管鋼級為X80，經(jīng)加工后檢驗表明，現(xiàn)場對比如圖9所示，采用新型彎管坡口機加工可以確保坡口均勻一致，坡口角度公差和表面粗糙度完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求，大口徑熱煨彎管坡口機運行性能平穩(wěn)，可有效提高彎管的坡口加工精度，每道坡口的平均加工時間為5 min，確保了管體焊接對坡口質(zhì)量的要求，進一步提高了焊接效率、節(jié)約實施成本。

圖8 新型大口徑熱煨彎管坡口機試驗

圖9 兩種坡口機加工效果對比

6 結(jié)束語

新型大口徑熱煨彎管坡口機采用了內(nèi)漲式同步夾緊機構(gòu)及浮動式切削機構(gòu)，結(jié)構(gòu)合理、操作簡單、工作運行平穩(wěn)可靠，縮短了輔助裝夾時間，提高了彎管坡口的成型質(zhì)量，減少了人工對管口的二次修磨;新型大口徑熱煨彎管坡口機采用了液壓和交流伺服控制系統(tǒng)，提高了切削功率和進給精度，縮短了加工時間，每個管口的平均加工時間為5 min，提高了加工效率;新型大口徑熱煨彎管專用坡口機為管道施工領(lǐng)域增加新的高效施工裝備，進一步提升我國石油行業(yè)在大口徑熱煨彎管加工領(lǐng)域的自動化水平。

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