鋼管倒棱后表面波紋缺陷的原因剖析

周德義

(1.太原縱橫重型機(jī)械設(shè)備有限公司，山西030000；2.太原縱橫海威科技有限公司，山西030000)

我公司應(yīng)天津某大型鋼管廠邀約，對(duì)其公司所擁有的?820 mm×16 mm平頭倒棱機(jī)進(jìn)行改造，以便消除鋼管倒棱后表面波紋缺陷的問(wèn)題。據(jù)相關(guān)作業(yè)人員對(duì)故障的描述以及我方現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察發(fā)現(xiàn)，不同規(guī)格的鋼管倒棱后均出現(xiàn)有不同程度的周期性波紋缺陷。波紋缺陷如圖1所示。在同一種材質(zhì)(Q345B)的前提下，壁厚不變，鋼管直徑的大小變化對(duì)表面波紋缺陷的形態(tài)影響很小，基本一致；但直徑不變，鋼管壁厚的增加則鋼管表面波紋缺陷的形態(tài)變化很明顯，8 mm及以下基本為視覺(jué)上的鏡面波紋，用手觸摸無(wú)明顯凹凸，而8 mm以上則倒棱面毛刺越來(lái)越大，凹凸感明顯，無(wú)論是哪種形式的波紋缺陷，斷屑形態(tài)與波紋缺陷形態(tài)都一一對(duì)應(yīng)，此問(wèn)題嚴(yán)重影響鋼管成品的美觀與質(zhì)量，無(wú)法滿足客戶對(duì)質(zhì)量的要求。通過(guò)對(duì)鋼管倒棱機(jī)的改造與調(diào)試，根據(jù)調(diào)試結(jié)果分析，最終確定了影響鋼管倒棱后波紋缺陷的主要原因，可為生產(chǎn)與設(shè)計(jì)廠家提供一定的指導(dǎo)和借鑒。

1 平頭倒棱機(jī)的參數(shù)及結(jié)構(gòu)

1.1 參數(shù)

主切削電機(jī)：30 kW

機(jī)頭：分4級(jí)傳動(dòng)，機(jī)頭轉(zhuǎn)速分別為42、62、87、130 r/min

1—進(jìn)給油缸 2—皮帶 3—主切削電機(jī) 4—機(jī)頭 5—底座 6—刀盤(pán) 7—刀座 8—刀桿 9、10—夾緊裝置圖1 鋼管倒棱后波紋缺陷圖Figure 1 Wave defects appearance after pipe chamfering

圖2 平頭倒棱機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Structural sketch of flat head chamfering machine

切削速度：v=80～100 m/min

進(jìn)給油缸：?110 mm/?80 mm

走刀量：s=0.2～0.6 mm/r

刀桿尺寸：28 mm×28 mm×130 mm

刀片尺寸：19 mm×19 mm

刀片材質(zhì)：YT15

1.2 結(jié)構(gòu)

平頭倒棱機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

?820 mm×16 mm平頭倒棱機(jī)由主切削電機(jī)、同步帶、機(jī)頭、進(jìn)給油缸、刀盤(pán)和夾緊機(jī)構(gòu)等組成。正常工作時(shí)，被加工的鋼管由臺(tái)架送進(jìn)倒棱工位后，由夾緊機(jī)構(gòu)夾緊。由主切削電機(jī)通過(guò)同步帶帶動(dòng)機(jī)頭主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，刀盤(pán)上的仿型機(jī)構(gòu)圍繞鋼管做切削運(yùn)動(dòng)，在進(jìn)給油缸由快進(jìn)→攻進(jìn)→快退的工藝路線下，完成對(duì)鋼管端部的加工。

2 分析原因及整改措施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察和試驗(yàn)初步分析，鋼管倒棱面出現(xiàn)均勻波紋缺陷，最大的原因可能來(lái)自震動(dòng)，因此我們對(duì)現(xiàn)場(chǎng)存在的震動(dòng)結(jié)構(gòu)，由淺入深、逐一檢測(cè)，并加以整改，以便觀察引起波紋缺陷的主要原因：

(1)因設(shè)備服務(wù)年限已長(zhǎng)，加之平時(shí)維護(hù)保養(yǎng)不夠，夾緊裝置轉(zhuǎn)動(dòng)處因銅套磨損，配合間隙明顯過(guò)大，在正常切削過(guò)程中，鋼管夾不穩(wěn)，在軸向和徑向均有竄動(dòng)。

整改措施：重新制作并更換銅套，加固因時(shí)效變形的夾具，調(diào)整夾緊油缸壓力，保證鋼管在切削過(guò)程中無(wú)竄動(dòng)，同時(shí)注意油壓不宜過(guò)高，防止將鋼管夾變形，影響切削效果。

(2)機(jī)頭進(jìn)給導(dǎo)軌處的導(dǎo)滑銅板的防塵、潤(rùn)滑和間隙調(diào)整均不合適，在正常的切削過(guò)程中，機(jī)頭會(huì)發(fā)生左右搖擺的狀況，此原因會(huì)直接導(dǎo)致鋼管倒棱后切口深淺不一的情況。

整改措施：調(diào)整因?qū)Щ迥p而產(chǎn)生的間隙，間隙過(guò)大機(jī)頭會(huì)左右晃動(dòng)，間隙過(guò)小或?qū)к壧幍姆缐m及防鐵屑處理不好，在進(jìn)給過(guò)程中機(jī)頭會(huì)產(chǎn)生爬行，從而使鋼管倒棱面產(chǎn)生波紋狀缺陷。

(3)經(jīng)百分表打表檢測(cè)，刀盤(pán)中心與夾緊裝置的中心不在同一直線上，高差在5 mm。過(guò)大的中心偏差再加上鋼管的橢圓度偏差，導(dǎo)致仿型刀座內(nèi)的彈簧波動(dòng)范圍太大，從而引起震動(dòng)，可能產(chǎn)生波紋缺陷。

整改措施：重新調(diào)整夾緊裝置和刀盤(pán)的中心，使其偏差控制在0.5 mm以內(nèi)。

(4)對(duì)切削過(guò)程中刀盤(pán)的跳動(dòng)公差進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)百分表打表檢測(cè)，刀盤(pán)前后竄動(dòng)為2 mm，最終確定原因?yàn)闄C(jī)頭的主軸尾部鎖緊螺母松動(dòng)，造成刀盤(pán)竄動(dòng)，從而引起切削震動(dòng)。

整改措施：調(diào)整主軸尾部的鎖緊螺母，并加止動(dòng)墊圈，保證刀盤(pán)在切削過(guò)程中的跳動(dòng)公差在0.1 mm以內(nèi)。

通過(guò)以上整改措施，本機(jī)外部中所有能夠產(chǎn)生間隙或引起震動(dòng)的部位均調(diào)整合適，但鋼管倒棱后的波紋缺陷仍沒(méi)有明顯改善，同時(shí)，我們?cè)谡{(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變切削刀刃的前角，即適當(dāng)增加刀刃的前角，切削效果改善明顯，但是磨過(guò)的切削刃壽命卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)下降，刀尖很容易被破壞，且磨過(guò)的刀片替換性很差。通過(guò)增大前角，使主切削刃鋒利，而壽命下降，可能是刀桿剛度不夠造成的。以下通過(guò)刀桿剛度的校核來(lái)確定刀桿的剛度與鋼管表面波紋缺陷是否有直接關(guān)系。

3 倒棱刀桿剛度校核

實(shí)踐證明，刀具前角為5°時(shí)，在我公司其他倒棱機(jī)上，刀具使用壽命和使用效果均表現(xiàn)良好，所以本文不再對(duì)刀具前角做具體分析，重點(diǎn)分析對(duì)象為刀桿的剛度。

試驗(yàn)鋼管規(guī)格為?355 mm×12.5 mm，材質(zhì)為Q345B，在試車過(guò)程中，具體分析及校核刀桿的剛度。已知參數(shù)：

機(jī)頭轉(zhuǎn)速：87 r/min

輪箱速比：i=16.8

電機(jī)功率：30 kW

電機(jī)轉(zhuǎn)速：1470 r/min

切削速度：v=80 m/min

走刀量：s=0.3 mm/r

3.1 切削力

用功率表測(cè)出機(jī)頭主電機(jī)在切削過(guò)程中所消耗的功率Pe后，可按下式計(jì)算實(shí)際作用在鋼管上的切削功率Pm：

Pm=Peηm=18 kW

式中，ηm為機(jī)頭箱體傳動(dòng)效率，一般ηm取0.75～0.85，新機(jī)器取大值，舊機(jī)器取小值。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)功率Pe=25 kW，ηm取0.75。

根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩公式，電機(jī)轉(zhuǎn)矩T為：

T=9550Pm/n

(1)

機(jī)頭主軸輸出轉(zhuǎn)矩Tz為：

Tz=iT

(2)

在直徑D=355mm處的切削力F為：

F=Tz/(D/2)

(3)

將以上已知參數(shù)帶入公式(1)、(2)、(3)中，得出切削力F=11.064 kN

3.2 刀桿受力模型

刀桿受力模型示意圖如圖3所示。

因?yàn)榈稐U周而復(fù)始地做圓周運(yùn)動(dòng)，可理解為將鋼管從圓周方向上展開(kāi)，刀桿做直線運(yùn)動(dòng)，切削力F為主切削力F1和進(jìn)給切削力F2的合力，但F2相對(duì)于F1所消耗的力來(lái)說(shuō)一般很小，可以略去不計(jì)(小于1%～2%)，所以為了簡(jiǎn)化模型，F(xiàn)1近似等于F。

現(xiàn)有刀桿尺寸a=28 mm，刀桿伸出長(zhǎng)度L=60 mm，刀桿材質(zhì)45#鋼。

刀桿撓度f(wàn)為：

f=FL3/3EI

(4)

E為刀桿材料彈性模量，碳素鋼刀桿E=210 GPa；f為刀桿撓度，精車時(shí)，刀桿許用撓度為[f]，一般取0.03～0.05 mm。

矩形刀桿的慣性矩為：

I=a4/12

(5)

將以上已知參數(shù)帶入公式(4)和(5)中，得出f=0.07 mm>[f]。

圖3 刀桿受力模型示意圖Figure 3 Sketch of cutter bar model under force

尺寸為28 mm×28 mm刀桿的撓度大于其許用撓度，所以刀桿的剛度校核未通過(guò)。

通過(guò)以上公式發(fā)現(xiàn)，刀桿的撓度與刀桿的伸出長(zhǎng)度L成正比，與彈性模量和慣性矩成反比，所以通過(guò)增大刀桿尺寸來(lái)增加慣性矩，或者更換更優(yōu)的材質(zhì)以提升彈性模量，以及通過(guò)減小刀桿伸出長(zhǎng)度都可以減小刀桿的撓度。刀桿變形雖然與彈性模量E有關(guān)，但就材料來(lái)說(shuō)，高強(qiáng)度鋼與強(qiáng)度較低的鋼材彈性模量E非常接近，考慮到經(jīng)濟(jì)成本，我們只在另外兩個(gè)因素上進(jìn)行改造。將刀桿尺寸28 mm×28 mm改為40 mm×40 mm，將刀桿伸出長(zhǎng)度L=60 mm改為L(zhǎng)=40 mm，再將更改后的參數(shù)代入公式(4)和(5)中，得到最終f=0.005 mm<[f]。

改造后，刀桿的撓度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其許用撓度[f]，所以刀桿的剛度校核通過(guò)，根據(jù)新設(shè)計(jì)的刀桿以及刀座，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用，效果良好，徹底解決了波紋缺陷問(wèn)題。刀桿對(duì)比圖見(jiàn)圖4。

圖4 刀桿對(duì)比Figure 4 Comparison of tool bars

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)以上分析，并加以整改，根據(jù)校核及整改結(jié)果，最終確定刀桿的剛度不夠是導(dǎo)致鋼管倒棱后產(chǎn)生波紋的直接原因，改進(jìn)了刀桿和刀座的結(jié)構(gòu)后，徹底消除了鋼管倒棱后表面的波紋缺陷。