UOE鈍邊銑削單元與鋼板綜合作用對(duì)銑削的影響

孫鳳龍，戴學(xué)余

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海201900）

UOE鈍邊銑削單元與鋼板綜合作用對(duì)銑削的影響

孫鳳龍，戴學(xué)余

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海201900）

針對(duì)UOE生產(chǎn)線銑邊機(jī)銑削過(guò)程中鋼板鈍邊高度超差問(wèn)題，從鈍邊銑削單元在鋼板寬度方向的偏移運(yùn)動(dòng)分別與鋼板的偏移、偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)綜合作用著手，系統(tǒng)地分析了鈍邊高度的變化規(guī)律，建立了鈍邊高度與鋼板偏移量的函數(shù)關(guān)系式，并繪制出兩種綜合作用下鋼板鈍邊高度的變化曲線。明確了鈍邊高度變化趨勢(shì)與鈍邊銑削單元和鋼板運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，為快速確定鈍邊高度超差原因及解決措施提供理論依據(jù)，對(duì)設(shè)備的改進(jìn)具有一定的參考價(jià)值。

UOE生產(chǎn)線；銑邊機(jī)；鈍邊銑削；銑削單元偏移；鋼板運(yùn)動(dòng)；綜合作用；鈍邊高度超差

我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展促使能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)逐步改變，石油、天然氣的消費(fèi)比例大幅度提高，而石油、天然氣的長(zhǎng)距離輸送成為制約能源發(fā)展的重要因素。隨著“西氣東輸”項(xiàng)目中輸送油氣用直縫埋弧焊管的大量應(yīng)用，以及直縫焊管在鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)建設(shè)中被普遍使用［1-4］，建設(shè)專用直縫埋弧焊管機(jī)組成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要保障［5］。為此，寶山鋼鐵股份有限公司（簡(jiǎn)稱寶鋼股份）于“十一五”期間投資興建了我國(guó)第一套現(xiàn)代化的大直徑UOE直縫埋弧焊管機(jī)組［6］。

作為焊管生產(chǎn)線中高精度及關(guān)鍵設(shè)備的鋼板銑邊機(jī)，不僅對(duì)銑削后的板邊坡口高度及精度、鈍邊高度及精度有重要影響，還決定著后續(xù)焊接的質(zhì)量，影響鋼管的最終質(zhì)量和產(chǎn)量［7-11］。銑邊機(jī)的組成包括銑削單元主驅(qū)動(dòng)、夾鉗小車、精對(duì)中裝置、粗對(duì)中裝置、輸送及輔助設(shè)備等。其中，鋼板由夾鉗小車輸送和固定，銑削單元主驅(qū)動(dòng)與地基之間通過(guò)滑動(dòng)導(dǎo)軌連接，銑削單元主驅(qū)動(dòng)通過(guò)液壓控制系統(tǒng)在導(dǎo)軌上移動(dòng)調(diào)整位置。銑邊機(jī)銑削過(guò)程中，若鋼板偏離正常位置運(yùn)動(dòng)，不僅影響鋼板板邊的鈍邊高度及精度，還會(huì)造成銑削力的變化，進(jìn)而引起銑削單元產(chǎn)生偏離正常位置的運(yùn)動(dòng)，加劇對(duì)鋼板板邊鈍邊高度及精度的影響。

導(dǎo)致鋼板產(chǎn)生偏移正常位置運(yùn)動(dòng)的原因有多種：由多節(jié)短導(dǎo)軌組成的長(zhǎng)達(dá)52 200 mm的夾鉗小車導(dǎo)軌直線度或平面度有誤差；夾鉗小車的固定夾鉗和移動(dòng)夾鉗液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致夾持力不足以?shī)A緊鋼板等。造成鈍邊銑削單元刀具偏離正常位置的原因：鈍邊銑削單元的刀具在銑削前由于人為因素沒(méi)有安裝到位；調(diào)整鈍邊銑削單元位置并起鎖緊作用的液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致其鎖緊液壓力不足以保證鈍邊銑削單元固定于正常工作位置；銑削單元本身的剛度不足；地基剛度不夠等。

本文將系統(tǒng)地分析銑削過(guò)程中鋼板與鈍邊銑削單元綜合作用對(duì)鈍邊高度的影響，為判定引起鈍邊高度超差的原因提供理論參考依據(jù)，并提出相應(yīng)的設(shè)備改進(jìn)措施。

1 鈍邊高度與鋼板寬度方向偏移的關(guān)系

焊管生產(chǎn)線中鋼板與銑削單元刀具的位置關(guān)系如圖1所示。l為鋼板與銑削單元之間在鋼板寬度方向產(chǎn)生的變化量，h為設(shè)定的鋼板鈍邊高度，h0為鋼板鈍邊的實(shí)際高度，h1、h2為鈍邊高度的變化量，E為坡口刀具下坡口角度，F(xiàn)為鈍邊刀具角度，G為坡口刀具上坡口角度。

圖1 鋼板與銑削單元刀具的位置關(guān)系示意

根據(jù)圖1中鋼板與銑削單元的位置關(guān)系及刀具的幾何形狀，建立鈍邊高度與鋼板在寬度方向偏移量的函數(shù)關(guān)系式：

當(dāng)鋼板產(chǎn)生靠近坡口刀具的偏移時(shí)，鋼板與坡口刀具之間的實(shí)際距離小于設(shè)定的距離，式（1）中的“±”選用“-”；反之，則選用“+”。

在銑削不同厚度的鋼板時(shí)，所選用的鈍邊刀具與坡口刀具不同，且銑削的鋼板鈍邊高度也不相等。本文以厚度13.6 mm的鋼板為例進(jìn)行分析，相應(yīng)坡口刀具的E=45°、G=40°，鈍邊刀具的F=2°，設(shè)定的鋼板鈍邊高度h=5 mm。

2 不同綜合作用對(duì)鈍邊高度的影響

銑削過(guò)程中，鋼板與銑削單元之間的相對(duì)位置影響鋼板的鈍邊高度。當(dāng)鈍邊銑削單元在鋼板寬度方向以一定的速度偏移運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別分析其與鋼板的偏移、偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)綜合作用在整個(gè)銑削過(guò)程中對(duì)鈍邊高度變化的影響。

2.1 建立坐標(biāo)系

根據(jù)寶鋼股份UOE機(jī)組銑邊機(jī)的布局，沿鋼板前進(jìn)方向，定義兩臺(tái)鈍邊銑削單元主驅(qū)動(dòng)分別為Ⅰ右、Ⅰ左，兩臺(tái)坡口銑削單元主驅(qū)動(dòng)分別為Ⅱ右、Ⅱ左。以鋼板中心為原點(diǎn)，以鋼板前進(jìn)方向?yàn)檎齓方向，鋼板沿寬度向右運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎齒方向，Z方向由右手定則確定，建立坐標(biāo)系如圖2所示。在Y方向，鈍邊銑削單元與坡口銑削單元之間的距離為2 400 mm。

圖2 建立的坐標(biāo)系示意

2.2 鋼板偏移與鈍邊銑削單元運(yùn)動(dòng)綜合作用

假設(shè)整個(gè)銑削過(guò)程中，鋼板在被銑削的同時(shí)以速度vx0沿X方向偏移，同時(shí)鈍邊銑削單元Ⅰ右以速度vx1沿X方向偏移，鈍邊銑削單元Ⅰ左位置不變。此情況下鋼板與銑削單元之間的相對(duì)距離產(chǎn)生的變化量如圖3所示。

圖3鋼板X方向偏移量示意

圖3 中虛線表示鋼板未發(fā)生X方向偏移及偏轉(zhuǎn)情況下鋼板的位置，粗實(shí)線表示鋼板的實(shí)際位置。在鋼板經(jīng)過(guò)鈍邊銑削單元與坡口銑削單元之間的過(guò)程中，設(shè)鋼板右側(cè)實(shí)際被銑削位置相對(duì)于設(shè)定位置在X方向產(chǎn)生的偏移量為lxr，鋼板左側(cè)實(shí)際被銑削位置相對(duì)于設(shè)定位置在X方向產(chǎn)生的偏移量為lxl。

根據(jù)鋼板與銑削單元的運(yùn)動(dòng)情況，可分別得到lxr、lxl的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式：

式中t——鈍邊銑削單元偏移運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；

vy——鋼板前進(jìn)速度，mm/s。

由式（1）和式（2）可得鋼板右側(cè)鈍邊高度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

由式（1）和式（3）可得鋼板左側(cè)鈍邊高度變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

假設(shè)vx0=0.04（mm/s）、vx1=0.04（mm/s）、vy=100（mm/s），根據(jù)式（4）和式（5），利用MATLAB軟件繪制的鋼板偏移與鈍邊銑削單元運(yùn)動(dòng)綜合作用下鋼板左、右兩側(cè)鈍邊高度變化曲線如圖4所示。

2.3 鋼板偏轉(zhuǎn)與鈍邊銑削單元運(yùn)動(dòng)綜合作用

假設(shè)整個(gè)銑削過(guò)程中，鋼板在被銑削的同時(shí)繞Z軸以一定的角速度wz0逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，且銑削單元Ⅰ右以一定的速度vx1沿X方向偏移，鈍邊銑削單元Ⅰ左位置不變。鋼板偏轉(zhuǎn)與銑削單元偏移時(shí)的位置關(guān)系如圖5所示。

圖4 鋼板偏移與鈍邊銑削單元運(yùn)動(dòng)綜合作用下鋼板左、右兩側(cè)鈍邊高度變化曲線

圖5 鋼板偏轉(zhuǎn)與銑削單元偏移時(shí)的位置關(guān)系示意

圖5 中A點(diǎn)為鋼板板邊經(jīng)過(guò)鈍邊刀具時(shí)被切削的任意位置，B點(diǎn)為A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到坡口銑削單元的位置，a為鋼板的長(zhǎng)度，b為銑削后鋼板的寬度，t1為從銑削開(kāi)始鋼板中心運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，r0為鋼板與鈍邊刀具接觸的位置到旋轉(zhuǎn)中心的距離（即OA的長(zhǎng)度），θ0為鋼板上被銑削位置的初始角度，θz0為A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到坡口銑削單元位置B時(shí)鋼板轉(zhuǎn)過(guò)的角度，lxx為B點(diǎn)到Y(jié)軸的距離。

根據(jù)圖5所示鋼板與銑削單元之間的位置關(guān)系，以及鋼板偏轉(zhuǎn)、鈍邊銑削單元偏移的運(yùn)動(dòng)形式，可以推導(dǎo)出該種運(yùn)動(dòng)形式鋼板右側(cè)偏移量的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中t0——A點(diǎn)通過(guò)鈍邊與坡口銑削單元之間的距離所用的時(shí)間，s。

由式（1）和式（6）可得鋼板右側(cè)鈍邊高度的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

由式（1）和式（8）可得鋼板左側(cè)鈍邊高度的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

假設(shè)a=10 000（mm）、b=1 500（mm）、vy=100（mm/s）、wz0=7×10-6（rad/s）、vx1=0.01（mm/s），鋼板銑削開(kāi)始時(shí)鈍邊銑削單元開(kāi)始偏移，即t1=t，根據(jù)式（7）和式（9），利用MATLAB軟件繪制鋼板偏轉(zhuǎn)與鈍邊銑削單元運(yùn)動(dòng)綜合作用下鈍邊高度變化曲線如圖6所示。

由圖4和圖6可知：鋼板的實(shí)際位置相對(duì)于設(shè)定位置產(chǎn)生靠近坡口銑削單元的運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋼板鈍邊高度的減小，相反則引起鋼板板邊鈍邊高度的增大。此外，當(dāng)鈍邊銑削單元沿鋼板寬度方向產(chǎn)生偏離鋼板的運(yùn)動(dòng)時(shí)，同樣會(huì)導(dǎo)致鋼板板邊鈍邊高度的減小。

圖6 鋼板偏轉(zhuǎn)與鈍邊銑削單元運(yùn)動(dòng)綜合作用下鈍邊高度變化曲線

3 設(shè)備改進(jìn)措施

（1）提高夾鉗小車導(dǎo)軌精度及小車與導(dǎo)軌的裝配精度。根據(jù)檢測(cè)與試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)確定鈍邊高度超差狀況，然后對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行精調(diào)或精修，以提高導(dǎo)軌全長(zhǎng)范圍內(nèi)的直線度和平面度。同時(shí)，調(diào)整導(dǎo)軌與小車之間的每組夾鉗小車導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)，即分別調(diào)整夾鉗小車導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)中上下、左右導(dǎo)輪的一致性及預(yù)緊狀態(tài)。

（2）均衡和提高銑削單元系統(tǒng)剛度。設(shè)計(jì)鋼質(zhì)的銑削單元與小車部分導(dǎo)軌公共固定平臺(tái)，使其內(nèi)力達(dá)到平衡，設(shè)備整體外力最小化。銑削單元與小車導(dǎo)軌公共平臺(tái)改進(jìn)裝置如圖7所示，改進(jìn)后銑削單元位置布局如圖8所示。

圖7 銑削單元與小車導(dǎo)軌公共平臺(tái)改進(jìn)裝置

由圖7～8可以看出：在不改變小車導(dǎo)軌和地基原位置的條件下，沿銑削鋼板寬度方向，通過(guò)由地腳螺栓固定于地面上的定位鋼板，將兩個(gè)鈍邊銑削單元和兩個(gè)坡口銑削單元連接為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，不僅可以實(shí)現(xiàn)各銑削單元的獨(dú)立調(diào)整功能，還使其具有剛度大、不易變形的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，一方面增大了基礎(chǔ)與地基（水泥地面）之間的接觸面積，使摩擦力增大，進(jìn)而使地基愈加平穩(wěn)可靠；另一方面，位于定位鋼板上的擋板除了具有地基定位功能外，還使銑削單元的基礎(chǔ)周圍增加了位置約束，一定程度上卸載基礎(chǔ)受到的切削力，可有效地阻止基礎(chǔ)產(chǎn)生移位，使其所能產(chǎn)生的位移更加有限。此外，改進(jìn)后各銑削單元受到的銑削力由外力轉(zhuǎn)化為內(nèi)力，4個(gè)銑削單元之間產(chǎn)生相互約束作用，削弱了對(duì)地基的影響。

圖8 改進(jìn)后銑削單元位置布局示意

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究鈍邊銑削單元與鋼板共同作用對(duì)鋼板鈍邊高度變化的影響，明晰了鋼板鈍邊高度的變化趨勢(shì)。繪制鈍邊高度變化曲線，并由此確立鈍邊高度變化與鋼板運(yùn)動(dòng)和鈍邊銑削單元運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。為解決鋼板和銑削單元在鋼板銑削過(guò)程中偏離正常位置導(dǎo)致的鋼板銑削質(zhì)量超差問(wèn)題，提出了對(duì)夾鉗小車和銑削單元的針對(duì)性改進(jìn)措施，以期為后續(xù)設(shè)備的改進(jìn)提供參考。

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Combined Effects by Blunt Edge-milling Unit Operation and Steel Plate Movement of UOE Welding Pipe Line on Milling Efficiency

SUN Fenglong DAI Xueyu
（Baoshan Iron&Steel Corp.，Ltd.，Shanghai 201900，China）

Addressing the problem of out-of-tolerance of the steel plate blunt edge height during the milling process of the edge milling machine of the UOE welding pipe production line，considering the combined effects by the displacement of the blunt edge milling unit in the direction of the width of the steel plate，and the displacement and deflection movements of the steel plate respectively，the regularity of change of blunt edge height is analyzed systematically，and accordingly the function relationship between the blunt edge height and the offset of the steel plate is established，while height variation curves of the steel plate blunt edge as under the two combined effects are plotted.As a result，the relationship between the change trend of the blunt edge height and the movements of the blunt edge-milling unit and the steel plate is identified，which provides a theoretic basis for quickly finding out the causes for blunt edge height out-of-tolerance，and determining relevant actions for solution of the problem，being of certain reference value for modification of the equipment.

UOE welding pipe production line；edge-milling machine；blunt edge milling；displacement of the milling unit；movement of the steel plate；combined effects；out-of-tolerance of blunt edge height

TG441

B

1001-2311（2014）06-0053-05

2013-09-16；修定日期：2014-11-14）

孫鳳龍（1981-），男，碩士，工程師，主要從事HFW、UOE焊管生產(chǎn)線設(shè)備管理工作。