雙金屬管管端加工專用鏜銑床的開發(fā)

劉錄鋒，雷 超，姜 揚，杜小兵，趙與江，李 軍，裴衛(wèi)民

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 002293；2.攀鋼集團江油長城特殊鋼有限公司,四川 江油 621702；3.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313028)

0 前言

液壓漲型內(nèi)襯復合管的生產(chǎn)工藝要求，在內(nèi)襯成型及堆焊后分別進行兩次端部鏜孔加工[1]。目前已有的復合管生產(chǎn)線如德國的Butting公司、上海海隆防腐技術工程有限公司、西安向陽航天材料股份有限公司、番禺珠江鋼管有限公司等，均在生產(chǎn)線上布置了多臺通用鏜床用于端部鏜孔，以達到API Spec 5LD—2009《雙金屬復合管道鋼規(guī)范》標準要求[2]。因采用通用鏜床加工存在無法自動上下料、自動夾緊、自動檢測及計算目標中心等缺陷，導致勞動強度大、加工質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率低[3]。中國重型機械研究院股份公司為浙江天管久立特種管材新建的Φ630 mm雙金屬內(nèi)襯復合管生產(chǎn)線，研發(fā)了國內(nèi)首套復合管管端加工專用鏜銑床，實現(xiàn)了在線檢測、全自動鏜孔的功能。目前，該設備已經(jīng)可靠運行4年，加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率、合格率超過設計要求。

1 復合管管端加工要求

根據(jù)雙金屬內(nèi)脹成型復合管的加工工藝要求[4]，管端鏜孔加工分為粗鏜、精鏜兩種工況，工藝要求如：粗鏜加工鏜孔深度50～100 mm，同軸度誤差小于0.15 mm，加工面光潔度高于Ra6.3；精鏜加工鏜孔深度50～100 mm，同軸度誤差小于0.15 mm，加工面光潔度高于Ra3.2。

2 設備組成及工藝流程

2.1 設備組成

該設備總體布局如圖1所示，主要由上料輥道以擋板裝置1、1#主機2、1#加工位升降輥道3、雙車移鋼裝置4、2#加工位升降輥道5、2#主機6、出料輥道7以及電氣、液壓系統(tǒng)等組成。主要用于自動上下料，并配合兩臺主機，分別自動完成對鋼管兩端的鏜孔加工。兩臺主機主要由在線測量系統(tǒng)、夾緊平移裝置、偏心動力頭、軸向進給裝置和床身等組成。

圖1 全自動復合管線數(shù)控管端鏜銑床布置

2.2 加工工藝過程

經(jīng)過內(nèi)脹成型或堆焊后的鋼管，由上料擋板軸向輸送到擋板處進行端部定位后，由1#移鋼車托起橫向輸送到1#加工工位并落料到1#升降輥道上，1#車返回到上料位，1#輥道軸向輸送鋼管到安裝于主機上的1#管端定位擋板完成管端定位后，1#主機內(nèi)夾緊裝置夾緊鋼管，1#自動檢測裝置工作，測量、計算出管端內(nèi)壁中心并將該值反饋給控制系統(tǒng)，主機根據(jù)反饋值完成刀具對中移動后開始鏜孔加工。加工完成后，1#夾緊裝置打開，1#升降輥道軸向移動鋼管到移鋼位置，2#移鋼車移鋼到2#加工位，進行1#加工位類似工序完成鋼管兩端加工，2#車將成品鋼管輸送到出料輥道完成出料。連續(xù)生產(chǎn)時，多根鋼管同時順次完成以上工序。

3 技術創(chuàng)新點

3.1 在線管壁中心的自動測量和計算

雙金屬管管端加工專用鏜銑床在線自動夾持、定位過程中，由于坯料直度、鋼管內(nèi)壁橢圓度、壁厚偏差及輥道支撐精度等因素的影響，使得每次鏜孔的理論中心位置均不同[5]。因此，需要精確測量、計算出每個管端的理論鏜孔中心，并根據(jù)理論鏜孔中心進行鏜削主軸相對位置調(diào)整，才能達到加工精度要求。自動測量和確定理論鏜孔中心的過程就是主機運動目標值的確立過程，其精確度和穩(wěn)定性是保證加工精度的前提。管端內(nèi)壁存在堆焊、襯管焊縫等較復雜的測量條件[6]，結(jié)合激光非接觸式測量的諸多優(yōu)點，最終確定了測量系統(tǒng)模型，該系統(tǒng)采用三坐標平臺+高精度激光測徑的形式，主要由一套測量裝置以及一套計算模型組成。如圖2 所示，測量裝置由3組直線副組合完成測頭在空間內(nèi)X、Y、Z三個方向的運動要求，另有一個檢測軸由一伺服電機驅(qū)動實現(xiàn)管體內(nèi)壁圓周向不同相位角度的檢測，在檢測軸上裝有一個激光測距儀，測距儀將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)光纖輸送給計算機，計算機根據(jù)計算模型進行數(shù)據(jù)分析處理[7]，測量控制模型如圖3所示。

圖2 測量裝置結(jié)構(gòu)圖

圖3 測量系統(tǒng)控制模型

具體測量過程：

(1)Z向直線副驅(qū)動測量軸先在基準段沿著軸線位置移動，每隔50 mm旋轉(zhuǎn)軸測量一次，共在管端內(nèi)壁上測量多個切面，根據(jù)測量結(jié)果計算出基準段的基準軸線。

(2)Z向直線副繼續(xù)驅(qū)動測量軸在管端內(nèi)壁加工段沿著軸線位置移動，每隔50 mm旋轉(zhuǎn)軸測量一次并將測量值輸送給計算模型。在精鏜時，在Z向直線副運動過程中，同時測量出堆焊處的軸向深度并將該值輸送給控制系統(tǒng)，進而確定出鏜孔深度。

(3)計算模型根據(jù)測量結(jié)果擬合出整個加工段毛坯面的最大外接圓柱面及該圓柱面的軸線相對于測量系統(tǒng)的坐標，進而得到鏜孔軸的目標中心。

(4)檢測完畢后，Z向直線模組反向退出至管口，X向負方向移動，完成后，Y向正向退出，Z向收回。

測量數(shù)學模型如圖4所示，由于測量的最大內(nèi)徑約為600 mm， 尺寸范圍大、測量精度高，現(xiàn)有的位移傳感器很難同時滿足測量范圍和精度的要求。同時，也由于結(jié)構(gòu)及測長儀的安裝等因素的影響，此系統(tǒng)采用相對測量原理，利用標定好尺寸的測量臂和高精度的激光位移傳感器進行組合測量。

圖4 測量數(shù)學模型

圖4中，O1為測量系統(tǒng)實際測量時的旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動中心；O2為管子內(nèi)壁所有測量點的最小外接圓的圓心；r為經(jīng)過標定后的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動半徑；P1、P2…等點為內(nèi)壁的測量點；β1、β2…等為各個測量點對應的測量軸轉(zhuǎn)動的角度；L1、L2…等為對應各個測量點的測長值,R為總的測量半徑。其具體關系為

R=r+L(β)

(1)

各個測量點對應的測量半徑為

Ri=r+L(βi)

(2)

將P點從極坐標系轉(zhuǎn)化為直角坐標系，得到對應點的直角坐標系坐標為

x(βi)=R(βi)cosβix

(3)

y(βi)=R(βi)sinβi

(4)

通過對管材質(zhì)量以及夾緊裝置對管材的影響進行分析，將管材內(nèi)壁虛擬為橢圓形式。設該橢圓隱式方程[8]為

F(x,y)=x2+Axy+By2+Cx+Dy+E=0

(5)

式(5)是一個關于A、B、C、D、E的線性方程，根據(jù)最小二乘原理就可以獲得橢圓的理想?yún)?shù)[9]。設Pi(xi,yi),(i=1…N)為輪廓上的N個測量點，由最小二乘原理可得目標函數(shù)為

F(A,B,C,D,E)=Ni=

(6)

由極值原理可得式(6)中A、B、C、D、E的最優(yōu)值，進而得出原點坐標(x0,y0),該點即為鏜孔的目標中心。

3.2 鏜桿坐標的調(diào)整原理

主機上有兩個系統(tǒng)聯(lián)合動作以實現(xiàn)主軸相對目標中心的位置調(diào)整，即偏心微動動力箱和水平橫移夾緊裝置，分別用于鏜桿相對于目標位置的用于Y向調(diào)整及管坯中心X向的調(diào)整。

(1)偏心微動動力箱。該動力箱安裝于軸向進給裝置上，主要用于完成切削主運動(鏜桿旋轉(zhuǎn))及安裝鏜桿的偏心套筒的旋轉(zhuǎn)位置調(diào)整，以達到鏜削中心相對于管坯Y向坐標的調(diào)整，其原理如圖5所示[10]。

圖5 偏心微動傳動箱原理圖

偏心微動動力箱，包括安裝在機架上的動力箱體，動力箱體內(nèi)部安裝偏心套筒，偏心套筒內(nèi)安裝主軸，主軸一端連接大帶輪，大帶輪通過皮帶連接動力源獲得動力用以滿足鏜桿旋轉(zhuǎn)切削；偏心套筒外安裝動力旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，動力旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)連接偏心套筒外壁，驅(qū)動偏心套筒進行旋轉(zhuǎn)用以滿足鏜桿中心為位置調(diào)整。在偏心套筒上安裝有軸盤鎖緊裝置用以提高切削穩(wěn)定性[11]。

(2)水平橫移夾緊裝置。該水平橫移夾緊裝置采用液壓缸經(jīng)同步機構(gòu)驅(qū)動夾具實現(xiàn)鋼管夾持，整個夾緊裝置在一套直線軸的驅(qū)動下，實現(xiàn)鋼管夾持后的水平位置調(diào)整。在夾持環(huán)節(jié)和水平移動副環(huán)節(jié)設置有鎖定機構(gòu)以提高夾持穩(wěn)定性和測量精確性[12]。其結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。

圖6 水平橫移夾緊裝置結(jié)構(gòu)原理

(3)坐標位置的調(diào)整工藝。在得到鏜孔中心的目標位置后，需要驅(qū)動主機實現(xiàn)鏜桿中心與目標位置的高精度重合，按照加工工藝要求完成加工。因為鏜孔深度(主機Z向)在粗鏜時通過控制系統(tǒng)給定，精鏜時按照測量系統(tǒng)的測量結(jié)果自動控制；所以在X、Y方向上將鏜桿中心移動到目標位置上是最為關鍵的一環(huán)。鏜孔坐標調(diào)整原理如圖7所示。

圖7 鏜孔坐標調(diào)整原理圖

圖7中共有4個坐標點。主套筒中心(0，0)為主心套筒的中心坐標，偏心套筒安裝于主套筒內(nèi)。偏心套筒在電機驅(qū)動下以偏心值r為半徑繞著主套筒中心旋轉(zhuǎn)。鏜桿初始位置(x1，y1)為偏心套筒在坐標調(diào)整前的初始位置，也是鏜桿的中心位置。測量目標中心(x2，y2)為測量系統(tǒng)測量出的加工段孔的中心坐標。最終重合中心(x3，y3)為經(jīng)過鏜桿中心調(diào)整和夾緊裝置橫移后，測量目標中心與鏜桿中心的最終重合坐標。

鏜桿中心和目標中心的最終重合通過兩個步驟來實現(xiàn)。

(1)轉(zhuǎn)動偏心套筒滿足Y向兩個中心(測量的目標坐標和鏜桿中心)的重合，即

m=y2-y1

(7)

因為是Y向調(diào)整為偏心旋轉(zhuǎn)的原理，所以需要計算出偏心套筒的旋轉(zhuǎn)角度，即圖中角度值α。

α=sin-1m=sin-1(y2-y1)

(8)

偏心套筒旋轉(zhuǎn)后，使得鏜桿在滿足Y向坐標重合的同時，在X向上產(chǎn)生另外的變量n。

n=r·(1-cosα)

(9)

n=r·(1-cos(sin-1(y2-y1)))

(10)

(2)橫移管坯滿足X向兩個中心(測量的目標坐標和鏜桿中心)的重合。在偏心套筒偏轉(zhuǎn)鏜桿位置后，夾緊裝置在橫移電機驅(qū)動下橫向移動被其夾持的鋼管到鏜桿的旋轉(zhuǎn)中心，設橫移值p為

p=(y2-y1)-n

(11)

p=(y2-y1)-r·(1-cos(sin-1(y2-y1)))

(12)

為消除累積誤差的影響，提高測量和加工精度，采用分段標定并實時對加工程序進行糾偏、修改的工藝方法，有效的保證了產(chǎn)品的加工質(zhì)量[13]。

4 實際使用效果情況

該機經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試后即投入使用，完全實現(xiàn)了整機自動化穩(wěn)定生產(chǎn)。粗鏜Φ325 mm表面光潔度≤Ra3.2，圓度誤差≤Φ0.05 mm，同軸度誤差≤Φ0.06 mm；精鏜Φ325 mm，表面光潔度≤Ra1.6，圓度誤差≤Φ0.03 mm，同軸度誤差≤Φ0.08 mm。與國內(nèi)其它廠家相比，該機在減小了勞動強度的同時，產(chǎn)量達到平均水平3倍以上，成品合格率達到98%以上，達到了設計和使用要求[14]。

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