高頻焊管生產(chǎn)線飛鋸鋸片使用壽命研究

黃明初

（中石化石油機械股份有限公司沙市鋼管分公司，湖北 荊州 434001）

高頻焊管的在線切割屬于金屬冷切割，刀具采用合金鋸片，合金鋸片的失效形式主要有崩齒、糊齒和瓢曲變形［1-4］。只有防止這些失效形式過早發(fā)生，才能延長飛鋸鋸片的壽命，降低高頻焊管在線切割成本，提高機組連續(xù)生產(chǎn)可靠性，凸顯高頻焊管生產(chǎn)線快速、高效的特點。

1 飛鋸鋸片失效的主要形式及原因分析

1.1 崩 齒

合金塊及齒背脫落如圖1 所示，鋸片在使用過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)單個或連續(xù)多個合金塊脫落或合金塊和齒背一起脫落的現(xiàn)象，也就是崩齒。

對于只有合金塊（刀頭）脫落、崩裂的鋸片，修復尚可繼續(xù)使用，而對于刀頭和齒背一起脫落崩裂的鋸片，崩齒后只能做報廢處理。目前鋸切鋼管使用合金鋸片大都是合金刀塊焊接在鋸片片體上，崩齒情況多為刀頭和齒背一起崩裂，只能報廢，實際生產(chǎn)中會大幅增加成本。發(fā)生崩齒主要原因為鋸切力或沖擊力過大，鋸切力或沖擊力過大的原因有：

（1） 鋸切工藝參數(shù)設(shè)置不合理。鋸切工藝參數(shù)主要指鋸切用量，包括鋸切速度（鋸片自轉(zhuǎn)線速度）和進給速度（切削量），這兩個參數(shù)設(shè)置不合理會使鋸切力過大，鋸齒磨損過快，鋸齒磨損后又增大鋸切力，如此惡性循環(huán)，容易造成崩齒。

（2） 鋸切處鋼管成型狀況異常。若鋸切處鋼管正好存在缺口、鼓包、外毛刺未刮除、對頭環(huán)焊縫等不規(guī)則成型狀況，會造成鋸片受重大沖擊而崩齒。一般生產(chǎn)中常遇到這些情況。

圖1 飛鋸鋸片合金塊及齒背脫落

1.2 糊 齒

糊齒如圖2 所示，糊齒是鋸切時產(chǎn)生的鐵屑未及時排走，堆積在容屑槽內(nèi)，在鋸切產(chǎn)生的高溫條件下黏著在合金塊表面及容屑槽表面的現(xiàn)象。

圖2 飛鋸鋸片糊齒示意

糊齒的產(chǎn)生主要與鋸片齒型、鋸片齒距和鋼管壁厚有關(guān)，其次與冷卻效果有關(guān)。

（1） 齒型的影響。齒型不合理，極易造成糊齒。生產(chǎn)實踐中，若鋸片齒根圓角半徑≤2.5 mm，圓角過小，鋸切過程中鋸屑不易拋出，黏在鋸齒之間，造成鋸片鋸切能力下降，生產(chǎn)過程中頻繁更換鋸片，大大影響了生產(chǎn)效率［5］。

（2） 鋸片齒距和鋼管壁厚的影響。鋸片齒距與鋼管壁厚需相匹配，若鋸片齒距越小，鋼管壁厚越大，則鋸切時被覆蓋在鋼管壁厚和容屑槽圍成的曲面里的積屑越多，容屑槽里的鐵屑越不易排出，進而產(chǎn)生糊齒。

（3） 冷卻的影響。金屬冷切硬質(zhì)合金鋸片在鋸切過程中，通常都是用噴霧或噴淋的方式冷卻，即將冷卻液霧化后高速噴向鋸切區(qū)或?qū)⒗鋮s液直接噴淋鋸切區(qū)，從而使鋸切區(qū)的溫度大幅下降，不利于鐵屑和合金塊之間的黏著，同時在鐵屑和合金塊之間形成一道冷卻液薄層，在鋸片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下加速鐵屑和合金塊的分離。在生產(chǎn)中，冷卻效果不佳會導致糊齒。

1.3 瓢 曲

金屬冷切硬質(zhì)合金鋸片一般是由65Mn、8CrV等熱軋鋼板經(jīng)熱處理、機加工后和硬質(zhì)合金塊焊接制成，其雖屬于大而薄的圓環(huán)體，但是具有良好的綜合力學性能，同時還具有高的幾何尺寸精度、端面圓跳動精度和平面度以及良好的剛性。對于Φ1 800 mm 以上的大規(guī)格鋸片還要進行片體應力狀態(tài)檢測、動平衡檢測以滿足鋼材鋸切的要求［4］。

在實際生產(chǎn)中，鋸片使用一定時間后，往往會出現(xiàn)瓢曲現(xiàn)象，如圖3 所示，主要表現(xiàn)為兩個現(xiàn)象：一是片體呈現(xiàn)一個碟形，一面鼓出，另一面凹入；二是片體呈扭曲狀變形，軸向跳動很大。

圖3 飛鋸鋸片瓢曲示意

使用存在瓢曲變形的鋸片時，會增加鋸片的側(cè)向擺動，造成鋼管管端臺階過高，從而導致管端平頭倒棱加工時打刀，給后續(xù)工藝帶來困難。側(cè)擺還會增加鋸縫寬度，造成鋼管材耗增高。此外，瓢曲的鋸片使用不穩(wěn)定，刀頭、片體都容易崩裂。

正常的鋸片內(nèi)應力分布均勻，方向一致性強，鋸片整體平直度、剛度好，使用過程中側(cè)向抗沖擊能力強，不易產(chǎn)生側(cè)向變形，在鋸片制造過程中可以通過熱處理工藝獲得所需的應力狀態(tài)。在使用過程中，由于鋸片連續(xù)的高負荷運轉(zhuǎn)，側(cè)向力、過大的鋸切力和過高的溫度，往往會造成鋸片瓢曲，主要原因如下：

（1） 鋸切參數(shù)設(shè)置不合理。新的鋸片，鋸齒鋒利，整體平直度、剛度好，側(cè)向抗沖擊能力強，不易產(chǎn)生側(cè)向變形。隨著鋸齒使用變鈍，切削阻力變大，此時若不調(diào)整鋸切參數(shù)，鋸片加劇磨損，鋸切阻力進一步變大，而且鋸齒受力不再均勻分布，對鋸片片體形成一個很大的彎曲力矩，因而鋸片片體就會產(chǎn)生彎曲變形，經(jīng)多次彎曲變形后就會發(fā)生碟狀變形。

（2） 冷卻效果不佳。如果冷卻效果不佳，在連續(xù)鋸切一段時間后，鋸片片體就會產(chǎn)生較高的溫度，在鋸切力和熱應力雙重作用下，鋸片的強度就會降低，側(cè)向擺動加大，片體剛性越來越差，從而產(chǎn)生扭曲變形。

（3） 鋸片被管端夾緊。若設(shè)備不正常，飛鋸入口、出口的夾緊塊不同心，則在線鋸切完成后，夾緊塊會迫使切割縫前后的兩段鋼管從同一直線位置狀態(tài)，變成有一定夾角，導致切割縫半寬半窄，切割縫較窄的半環(huán)會夾緊鋸片片體，使鋸片片體受到側(cè)向力而急劇升溫，溫度過高產(chǎn)生扭曲變形。鋸片被夾緊如圖4 所示。

圖4 鋸片被夾緊示意

2 延長飛鋸鋸片使用壽命的方法

2.1 合理設(shè)置鋸切參數(shù)，防止崩齒和瓢曲

鋸切力過大會導致崩齒和瓢曲。合理設(shè)置鋸切參數(shù)，可以減小鋸切力，從而減少或消除崩齒和瓢曲。圓鋸片屬于多齒回轉(zhuǎn)刀具，由于鋸片沒有刃傾角，不存在軸向鋸切力，所以可以將鋸片簡化為二維模型進行受力分析，鋸切力如圖5 所示。

圖5 飛鋸鋸切力示意

以Φ380 mm×4.3 mm 規(guī)格52 齒鋸片鋸切壁厚為8 mm、L360M 材質(zhì)鋼管為例，根據(jù)實測功率及鋸切用量計算出鋸切力，鋸切用量對鋸切力的影響如圖6 所示，可以看出，鋸切力隨著鋸切速度（鋸片自轉(zhuǎn)線速度）的增大而減小，隨著進給速度（切削量）的增大而增大。

圖6 飛鋸鋸切用量對鋸切力的影響

進給速度一定時，鋸切速度增大導致切削厚度減小及工件材料剪切屈服強度降低，且溫度升高可降低工件與鋸齒的摩擦因數(shù)，從而減小切屑變形程度，所以鋸切力隨鋸切速度增大而減小。

在鋸切速度一定的條件下，進給速度增大對鋸切力有正反兩方面的影響：一方面進給速度增大導致切削厚度增大，從而鋸切力增大；另一方面，進給速度增大使切屑變形減小，從而鋸切力會有所減小。所以鋸切力隨著進給速度增大而增大，但不會成正比關(guān)系［6］。

根據(jù)生產(chǎn)實踐的鋸切用量和計算出的鋸切力，利用文獻［7］中的多元回歸分析方法，可以得出Φ380 mm×4.3 mm 規(guī)格硬質(zhì)合金鋸片單齒鋸切L360M 鋼管的鋸切力F 的經(jīng)驗公式為：

式中 f —— 進給速度，mm/s；

v —— 鋸切速度，m/min。

在生產(chǎn)中，一方面適當增大鋸切速度，另一方面適當減小進給速度，以減小鋸切力，減緩鋸片的磨損，提高鋸片使用壽命。

2.2 優(yōu)化切割避開成型不規(guī)則處，防止崩齒

生產(chǎn)過程中，常遇到缺口、鼓包、外毛刺未刮除、對頭環(huán)焊縫等不規(guī)則成型狀況。需要通過優(yōu)化切割，避開不規(guī)則成型處，避免鋸片受到過大沖擊力而崩齒。自動切割默認鋼管長度為12 m，優(yōu)化切割就是預計自動切割默認切割處落在成型不規(guī)則處，通過手動控制切割。根據(jù)實際情況切長管或短管，需切長管時按下延時切割按鈕，需切短管時按下立即切割按鈕，使切割點避開不規(guī)則成型處。優(yōu)化切割如圖7 所示。

圖7 飛鋸優(yōu)化切割示意

2.3 合理選取鋸片齒型、齒距，防止糊齒

既然糊齒是由鐵屑堆積造成的，那么改進排屑效果是防止糊齒的首選方法。

（1） 合理選擇齒型。根據(jù)經(jīng)驗，適當加大齒型角、齒根圓弧，可以有效改進排屑，減緩齒根裂紋的產(chǎn)生。例如齒根圓角半徑由2.5 mm 擴大到4 mm，齒型角由50°改為55°，鋸片壽命明顯上升［5］。

（2） 根據(jù)鋼管壁厚選擇齒距。若容屑槽與鋼管被切削面圍成封閉曲面，則鐵屑無法排出；只有容屑槽與鋼管被切削面圍成一個開口曲面，這樣鐵屑才能從排屑口排出。曲面如圖8 所示。

圖8 飛鋸鋸片曲面示意

在選用鋸片時，需根據(jù)鋼管壁厚來選擇齒距。齒太密，則齒距太小，不利于排屑；齒太疏，則齒距太大，不利于切削。曲面幾何關(guān)系如圖9 所示，T 為鋼管壁厚，H 為鋼管被切削面沿切削方向邊長，α 為鋼管壁與鋼管被切削面的夾角，根據(jù)目前使用的鋸片直徑和鋼管直徑范圍，55°≤α≤60°，P為齒距，L 為容屑槽寬度，一般L≈2P/3。

圖9 飛鋸鋸片曲面幾何關(guān)系示意

要使容屑槽與鋼管被切削面圍成一個開口曲面，則必須滿足H ∧L。而H=T/cos α=T/cos60°=2T，所以得2T ∧2P/3，即P∧3T。所以要使排屑順暢，在選用鋸片時以齒距約為3 倍鋼管壁厚為宜。在實際生產(chǎn)中，當鋼管壁厚≤6 mm，選用Φ380 mm 80齒規(guī)格的鋸片；當鋼管壁厚為6～10 mm，選用Φ380 mm 52 齒規(guī)格的鋸片；當鋼管壁厚≥10 mm，應選用直徑稍大、齒數(shù)更少的鋸片。

2.4 增強冷卻效果，防止瓢曲

在切削設(shè)備設(shè)計和使用過程中，往往只注重冷卻切削區(qū)域，即只冷卻直接參與切削的合金刀塊、鋼管切削面，卻忽視了鋸片片體的冷卻?？拷邢鲄^(qū)的片體得不到充分冷卻，則其在高溫下強度變低、剛性變差，很容易受力發(fā)生變形，變形則會加劇側(cè)擺，側(cè)擺加劇高溫，如此惡性循環(huán)，最后將發(fā)生嚴重瓢曲失效。所以冷卻液需配置合理、充分，在著重冷卻切削區(qū)域時，兼顧鋸片片體的冷卻。2.5 調(diào)整夾緊塊同心，防止瓢曲

切削設(shè)備使用一定時長后，會存在磨損、銹蝕、卡阻等情況，定位精度會受影響。入口、出口夾緊塊的定位不準確，同心度偏差過大，會導致鋸片片體被夾緊，從而產(chǎn)生瓢曲。飛鋸設(shè)備點檢十分重要，啟動設(shè)備前需檢查調(diào)整夾緊塊同心度。

3 結(jié) 語

通過合理設(shè)置鋸切參數(shù)、選用合適齒距的鋸片、增強冷卻效果和及時調(diào)整飛鋸夾緊塊同心度，鋸片的使用壽命得到較大幅度延長。對改進前后各50 片鋸片的平均使用壽命進行統(tǒng)計對比，見表1，改進后鋸片壽命延長約33%。

表1 改進使用條件前后鋸片使用壽命統(tǒng)計對比