擴(kuò)徑機(jī)擴(kuò)徑頭的裝配工藝創(chuàng)新

李國(guó)新 喬梁 師軍東

(太原重工股份有限公司冶金設(shè)備分公司，山西 太原 030024)

近年來(lái)，鋼管逐漸向高強(qiáng)度、高韌性方向發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)鋼管質(zhì)量的要求不斷提高，制管技術(shù)及設(shè)備也在不斷創(chuàng)新改進(jìn)。以某鋼廠直縫雙面埋弧焊管(JCOE)項(xiàng)目生產(chǎn)制造為研究對(duì)象，其中擴(kuò)徑機(jī)是JCOE制管工藝的最后一道主要工序，也是直縫埋弧焊管生產(chǎn)過(guò)程中保障鋼管尺寸和精度的關(guān)鍵工藝，擴(kuò)徑機(jī)作為其中極為關(guān)鍵的技術(shù)設(shè)備，越來(lái)越多地得到應(yīng)用，對(duì)焊接后的鋼管可以減小變形，改善鋼管尺寸精度，提高鋼管的平直度，消除鋼管殘余應(yīng)力，提高鋼管屈服強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)研究，鋼管擴(kuò)徑工藝和擴(kuò)徑機(jī)已經(jīng)在發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用，但在使用過(guò)程中存在擴(kuò)徑頭易磨損、滑動(dòng)面易拉傷、T型鍵易變形等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了擴(kuò)徑頭的使用壽命[1]。本文以某廠JCOE生產(chǎn)線上擴(kuò)徑機(jī)的擴(kuò)徑頭為研究對(duì)象，通過(guò)創(chuàng)新裝配方法，提高擴(kuò)徑頭的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。

1 擴(kuò)徑頭結(jié)構(gòu)及原理

1.1 擴(kuò)徑頭結(jié)構(gòu)

擴(kuò)徑頭是擴(kuò)徑機(jī)的核心部件，主要由小拉桿、錐體、斜楔、扇形板、模具組成。小拉桿和錐體裝配為一體，多面棱錐體與對(duì)應(yīng)的9～12塊斜楔配合(按不同規(guī)格分類)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

1.2 擴(kuò)徑頭原理

小拉桿連接在液壓缸的活塞桿上，當(dāng)油缸帶動(dòng)錐體向右移動(dòng)時(shí)，斜楔在錐體上相對(duì)滑動(dòng)，軸向定位而徑向變化，這樣擴(kuò)徑頭直徑可隨著錐體移動(dòng)而適當(dāng)變大。準(zhǔn)確控制油缸的伸縮量，可以得到精準(zhǔn)的擴(kuò)徑頭外徑。擴(kuò)徑時(shí)由夾鉗小車將鋼管推入到擴(kuò)徑位置，錐體右移擴(kuò)徑頭外徑變大，使鋼管內(nèi)徑被撐大。當(dāng)超過(guò)彈性極限后材質(zhì)發(fā)生塑性變形，錐體停止移動(dòng)并保持一段時(shí)間后，錐體向左移動(dòng)，擴(kuò)徑頭直徑變小，此時(shí)夾鉗小車將鋼管分步送入，擴(kuò)徑頭通過(guò)漲縮進(jìn)行分段擴(kuò)徑[2]，擴(kuò)徑長(zhǎng)度一般為900～100 mm。

1—小拉桿 2—錐體 3—斜楔 4—扇形板 5—磨具圖1 擴(kuò)徑頭結(jié)構(gòu)Figure 1 Configuration of expanding head

2 擴(kuò)徑頭裝配和使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題

擴(kuò)徑機(jī)在裝配和使用過(guò)程中，主要存在錐體與斜楔滑動(dòng)面拉傷、噪音大、沖擊大、T型鍵變形、擴(kuò)徑頭滑動(dòng)面磨損快、拉桿與錐體內(nèi)孔黏死等問(wèn)題，具體如下：

2.1 錐體與斜楔滑動(dòng)面拉傷

由于機(jī)床的加工精度難以保證足夠的平面接觸率和粗糙度，尤其是接觸面粗糙度較差時(shí)(見(jiàn)圖2)，在裝配過(guò)程中很容易拉傷滑動(dòng)面，且在完成鋼管擴(kuò)徑后，擴(kuò)徑頭縮徑時(shí)錐體與斜楔表面的摩擦力增大，形成自鎖，油缸壓力增大并突然釋放，造成沖擊和噪音，甚至?xí)霈F(xiàn)滑動(dòng)面拉傷的情況。

圖2 未研磨前錐體表面的粗糙度Figure 2 Roughness on the surface of cone before grinding

2.2 擴(kuò)徑頭滑動(dòng)面的磨損

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試后發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)徑頭上潤(rùn)滑孔只有2個(gè)(見(jiàn)圖3)，使擴(kuò)徑頭的滑動(dòng)面磨損較大。經(jīng)受力分析，擴(kuò)徑過(guò)程中力的變化和摩擦條件的改變是摩擦損耗的主要因素，自鎖和爬行現(xiàn)象也和摩擦力有關(guān)[3]。在擴(kuò)徑頭摩擦條件惡劣時(shí)，縮徑時(shí)需增大油缸的軸向推力以克服摩擦阻力，加劇了錐體和斜楔的磨損。

圖3 擴(kuò)徑頭潤(rùn)滑孔Figure 3 Lubrication hole of expanding head

2.3 斜楔T型鍵變形

T型鍵由兩個(gè)螺栓安裝在斜楔的端面，擴(kuò)徑頭縮徑時(shí)，用于限制斜楔軸向運(yùn)動(dòng)，使斜楔在錐體滑動(dòng)時(shí)只做徑向運(yùn)動(dòng)。在擴(kuò)徑頭縮徑發(fā)生自鎖、縮徑力增大的情況下，T型銅鍵兩側(cè)臺(tái)階面受到過(guò)大的軸向拉力而發(fā)生彎曲變形，造成T型銅鍵損壞。

2.4 拉桿與錐體內(nèi)孔黏死

拉桿與錐體內(nèi)孔的配合間隙為0.05～0.10 mm，在擴(kuò)徑過(guò)程中，錐體受壓力發(fā)生變形，且錐體內(nèi)孔和拉桿軸表面不可避免被油塵沾污，在使用過(guò)程中錐體滑動(dòng)面磨損，更換錐體時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)拉桿與錐體內(nèi)孔黏死，難以取出，使用機(jī)械方法強(qiáng)行取出后劃傷錐體內(nèi)孔，如圖4所示。

圖4 錐體內(nèi)孔與拉桿黏死后強(qiáng)行拉出的劃傷印記Figure 4 Scratch marks by forced pulling pull rod out from cone inner hole in the condition of grinding jamming

3 擴(kuò)徑頭裝配創(chuàng)新方案

針對(duì)擴(kuò)徑頭在使用過(guò)程中遇到的問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行裝配工藝創(chuàng)新，具體措施如下：

3.1 提高錐體與斜楔滑動(dòng)面的光潔度

錐體滑動(dòng)面圖紙要求加工粗糙度Ra3.2 μm，為保證使用過(guò)程中斜楔滑動(dòng)順暢，需進(jìn)一步提高錐體和斜楔表面的光潔度，通過(guò)鉗工反復(fù)使用研磨板和研磨膏進(jìn)行研磨，粗糙度達(dá)到Ra0.8 μm。同時(shí)設(shè)計(jì)斜楔專用自動(dòng)研磨工裝，降低斜鍥粗糙度，自動(dòng)研磨裝置原理如圖5所示，實(shí)物如圖6所示，有效提高了零件表面光潔度，大大降低了錐體和斜楔之間的摩擦系數(shù)，減少了錐體和斜鍥相對(duì)滑動(dòng)表面拉傷、沖擊振動(dòng)等故障[4]。

l1—曲柄長(zhǎng)度 l2—連桿長(zhǎng)度A—扇形板斜面在水平方向的尺寸C—電機(jī)軸中心線與斜面最低點(diǎn)水平間距離h—電機(jī)軸中心線與地面間的距離a—斜面最低點(diǎn)到地面的距離b—斜面最高點(diǎn)到地面的距離α—扇形板斜面與水平方向夾角圖5 自動(dòng)研磨裝置原理圖Figure 5 Principle of automatic grinding device

圖6 斜鍥的研磨工裝Figure 6 Bevel grinding tool

3.2 提高擴(kuò)徑頭滑動(dòng)面潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑效果

(1)在錐體每個(gè)棱錐面2個(gè)給油孔的基礎(chǔ)上再增加2個(gè)潤(rùn)滑孔，使擴(kuò)徑過(guò)程中潤(rùn)滑油能夠均勻噴灑在錐體和斜楔之間的摩擦面，有效減小滑動(dòng)摩擦阻力。

(2)合理選用擴(kuò)徑油，擴(kuò)徑油的粘度越高，抗疲勞磨損能力越強(qiáng)。擴(kuò)徑油粘度直接受溫度變化的影響，當(dāng)溫度升高時(shí)，粘度降低，潤(rùn)滑和抗壓能力下降，擴(kuò)徑過(guò)程中選擇合適的進(jìn)給速度，并且及時(shí)冷卻擴(kuò)徑油[5]。

3.3 增加T型鍵強(qiáng)度

在T型銅鍵的背面加一塊相應(yīng)大小的鐵塊，用螺栓緊固，增加預(yù)緊力，減少T型鍵變形，增加T型鍵的強(qiáng)度，如圖7所示。

圖7 增強(qiáng)后的斜楔T型鍵Figure 7 Reinforced bevel T-shaped key

3.4 適當(dāng)增大拉桿和錐體間隙

通過(guò)反復(fù)試裝，將原有拉桿和錐體間隙從0.05～0.1 mm增大至0.3～0.4 mm，將斜楔之間的防塵條長(zhǎng)度裁剪合適，避免擴(kuò)徑時(shí)脫落的氧化皮及灰塵粘黏在滑動(dòng)面上，有效解決了拉桿和錐體黏死的問(wèn)題，便于擴(kuò)徑頭后期的更換和拆裝。

4 結(jié)論

擴(kuò)徑機(jī)是鋼管生產(chǎn)線上的重要設(shè)備。擴(kuò)徑頭是擴(kuò)徑機(jī)的關(guān)鍵零部件，其工作工況惡劣，通過(guò)對(duì)擴(kuò)徑頭裝配工藝的創(chuàng)新，設(shè)計(jì)專用工裝，改善擴(kuò)徑機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)，減小擴(kuò)徑頭相對(duì)滑動(dòng)面的摩擦系數(shù)，降低滑動(dòng)面的磨損，有效提高了擴(kuò)徑頭的使用壽命，為同類產(chǎn)品裝配積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，結(jié)論如下：

(1)通過(guò)手工反復(fù)研磨擴(kuò)徑頭斜楔與錐體的滑動(dòng)面，降低加工面的粗糙度，有效避免工件滑動(dòng)面間的自鎖，減少了滑動(dòng)面的拉傷、零部件間的沖擊振動(dòng)等故障。

(2)根據(jù)試裝效果，在錐體每個(gè)棱錐面上再增加潤(rùn)滑孔，有效減小了滑動(dòng)摩擦阻力，提高了斜楔壽命。

(3)在滿足功能和正常使用的情況下，使用機(jī)械方法將T型鍵加固，并用螺栓緊固，增加預(yù)緊力，提高了T型鍵強(qiáng)度。

(4)試裝過(guò)程中，適當(dāng)增加拉桿與錐體內(nèi)孔的配合間隙，加長(zhǎng)防塵條，避免了內(nèi)孔黏死故障。