提高管端坡口整形機(jī)刀具安裝效率的方法

曹化榮，曹連池

中國(guó)石油管道局大港油建公司 天津 300280

1 序言

隨著國(guó)內(nèi)油氣儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，長(zhǎng)輸管道向大口徑、長(zhǎng)距離、高強(qiáng)度、高壓力和大壁厚的方向不斷發(fā)展。傳統(tǒng)的焊條電弧焊和藥芯半自動(dòng)焊已經(jīng)無(wú)法滿足施工需要，管道全位置自動(dòng)焊接逐漸成為大口徑管道施工的主要焊接方式。而在全自動(dòng)焊接過(guò)程中，最大的困難是如何保證管口的組裝質(zhì)量。坡口加工作為管口組對(duì)工序中的重要一環(huán)，就顯得尤為重要。

隨著管道全自動(dòng)焊接技術(shù)的不斷發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用，焊接工藝對(duì)管端坡口的要求越來(lái)越高，管端坡口形式也越來(lái)越多樣化，對(duì)精度的要求也越來(lái)越高。坡口形式與精度已經(jīng)成為影響焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵因素[1]。

大口徑管端坡口整形機(jī)作為長(zhǎng)輸管道施工現(xiàn)場(chǎng)加工坡口的一種自動(dòng)化加工設(shè)備，它能代替人工實(shí)現(xiàn)對(duì)管道坡口進(jìn)行快速、高效、精確的加工，是長(zhǎng)輸管道施工全自動(dòng)焊技術(shù)的關(guān)鍵配套設(shè)備[2]。在對(duì)管端坡口加工的環(huán)節(jié)中，刀具的安裝調(diào)整直接影響了坡口加工的效率，筆者總結(jié)了在施工過(guò)程中可以有效提高刀具安裝效率的幾種方法。

2 管端坡口整形機(jī)主要工作結(jié)構(gòu)

大口徑管端坡口整形機(jī)是主要用于長(zhǎng)輸管道現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中對(duì)管端坡口進(jìn)行加工的設(shè)備，可以根據(jù)焊接工藝，將管端快速加工出符合工藝要求的各種坡口。

一臺(tái)完整的管端坡口整形機(jī)由切削主機(jī)和液壓系統(tǒng)兩大部分組成。由于整機(jī)全部采用液壓控制，所以液壓系統(tǒng)是坡口整形機(jī)的心臟，主要由液壓泵站和液壓控制系統(tǒng)組成。液壓泵站包括：液壓油箱、柴油箱、液壓泵、過(guò)濾器和油路接頭等部分。液壓控制系統(tǒng)安裝在坡口整形機(jī)切削主機(jī)上，控制整個(gè)坡口整形機(jī)的所有動(dòng)作，其主要由多路閥、節(jié)流閥、溢流閥、順序閥、行程閥、液壓鎖及連接油管等組成，并通過(guò)油管與液壓泵站相連（見圖1），同時(shí)連接各個(gè)執(zhí)行元件以完成要求的各個(gè)動(dòng)作。而切削主機(jī)則是設(shè)備的工作核心，主要由自動(dòng)定心脹緊機(jī)構(gòu)、主切削傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)刀盤（包括浮動(dòng)式刀座、刀具調(diào)整結(jié)構(gòu)及偏心滾輪）、切削進(jìn)給機(jī)構(gòu)、護(hù)板及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等組成（見圖2）。

圖1 管端坡口整形機(jī)總體系統(tǒng)

圖2 管端坡口整形機(jī)切削主機(jī)結(jié)構(gòu)

坡口整形機(jī)工作時(shí)通過(guò)自定心脹緊機(jī)構(gòu)，使脹緊塊與管內(nèi)壁貼合，再由液壓系統(tǒng)或機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)安裝有切削刀具的旋轉(zhuǎn)刀盤旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)管端坡口的持續(xù)加工。在工程現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，管端坡口整形機(jī)必須與吊管機(jī)配合才能工作。

（1）自動(dòng)定心脹緊機(jī)構(gòu) 由脹緊液壓缸、脹緊花盤、傳動(dòng)連桿、脹緊頂桿、脹緊基盤及脹緊塊等幾部分組成。液壓缸推動(dòng)活塞桿帶動(dòng)頂桿動(dòng)作，由脹緊塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位，為整個(gè)切削過(guò)程提供定位和加工基準(zhǔn)。因此，前后兩排脹緊塊所在的圓周面的平行度和同心度對(duì)整機(jī)的定位精度起著決定性的作用，且前后兩排脹緊頂桿的跨度直接影響定位精度——跨度越大，定位精度越高；跨度越小，定位精度越低。

自動(dòng)定心脹緊機(jī)構(gòu)有兩個(gè)基本的功能：首先保證坡口整形機(jī)對(duì)管端坡口進(jìn)行加工時(shí)其在管內(nèi)的中心定位，管內(nèi)的定位為整機(jī)固定提供支撐，以保證切削時(shí)自動(dòng)定心脹緊機(jī)構(gòu)可以提供足夠的切削轉(zhuǎn)矩。其次，要保證坡口整形機(jī)在切削時(shí)的定位精度，即必須保證加工出的坡口端面和管道軸線的垂直度，以保證被焊接兩管在對(duì)縫時(shí)鈍邊間隙均勻一致，從而保證根焊的質(zhì)量和焊接效率。

（2）旋轉(zhuǎn)刀盤及主切削傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 管端坡口整形機(jī)的旋轉(zhuǎn)刀盤以及安裝在旋轉(zhuǎn)刀盤上的切削刀座是整個(gè)坡口整形機(jī)的主要執(zhí)行部件。旋轉(zhuǎn)刀盤的旋轉(zhuǎn)精度、刀座的浮動(dòng)靈活性和刀座的剛性對(duì)整個(gè)坡口整形機(jī)的加工精度起著至關(guān)重要的作用。

2016年以來(lái)，國(guó)家持續(xù)推進(jìn)化肥行業(yè)供給側(cè)改革，氮肥、磷肥產(chǎn)能及產(chǎn)量均開始下降，化肥行業(yè)整體產(chǎn)能過(guò)剩的局面得到一定緩解，磷肥和氮肥等基礎(chǔ)化肥市場(chǎng)價(jià)格出現(xiàn)恢復(fù)性上漲。具體來(lái)看，云天化主要化肥產(chǎn)品價(jià)格均實(shí)現(xiàn)同比上漲。其中，磷酸二銨、磷酸一銨、復(fù)合肥和尿素在今年前三季度的均價(jià)分別達(dá)到2727.93元/噸 、 2466.89元/噸、2322.26元/噸和 2056.99元/噸，同比增長(zhǎng)16.50%、19.17%、10.33%和23.38%。

1）旋轉(zhuǎn)刀盤固定在與定心脹緊塊連接的主軸上，由星型液壓馬達(dá)經(jīng)齒輪減速器驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀盤實(shí)現(xiàn)主旋轉(zhuǎn)，同時(shí)可以軸向移動(dòng)。旋轉(zhuǎn)刀盤上均布4～6個(gè)浮動(dòng)式刀座，每個(gè)刀座上可以裝夾一把切削刀桿，通過(guò)更換不同的刀具進(jìn)行組合可以加工V形、U形、X形以及其他各種復(fù)合坡口。每種坡口的角度、深度、鈍邊厚等參數(shù)可根據(jù)焊接工藝的要求，通過(guò)調(diào)整刀具的位置進(jìn)行方便的調(diào)節(jié)[3]。主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是切削盤的動(dòng)力來(lái)源，為整個(gè)切削過(guò)程提供動(dòng)力、實(shí)現(xiàn)切削的主運(yùn)動(dòng)。

2）在切削加工過(guò)程中，由于被加工的鋼管直徑大，且存在壁厚不均勻以及管口圓度誤差大等因素，采用固定軌跡加工的方法無(wú)法達(dá)到坡口的精度要求。故而，采用浮動(dòng)式切削加工方式，以保證坡口的精度要求。浮動(dòng)式刀座總成機(jī)構(gòu)主要由刀座底板、刀座體、壓板、車刀壓緊螺釘、切削刀具、偏心滾輪、彈簧、調(diào)整螺母及固定軸等組成（見圖3）。其中偏心滾輪與刀桿相對(duì)固定，刀具及刀具上的刀片可以自由更換。整個(gè)刀座采用角擺彈性浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，切削過(guò)程中偏心滾輪和管內(nèi)壁始終保持接觸，以內(nèi)圓面為基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)仿形加工，以保證加工坡口的形狀、尺寸一致。同時(shí)整個(gè)刀座在旋轉(zhuǎn)刀盤上可以沿徑向調(diào)整位置（上下位置各設(shè)一個(gè)定位塊），在自動(dòng)定心脹緊機(jī)構(gòu)進(jìn)入管內(nèi)時(shí)，通過(guò)彈簧用偏心輪錐面進(jìn)行定位，以適應(yīng)不同的管徑和壁厚，從而實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用和一刀多用。

圖3 浮動(dòng)式刀座

加工前，通過(guò)調(diào)整螺母給彈簧一個(gè)適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，滾輪與鋼管的內(nèi)壁貼合，在切削過(guò)程中，隨著切削刀盤的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)管口壁厚不均勻或圓度誤差較大時(shí)，彈簧力推動(dòng)刀座浮動(dòng)，且切削過(guò)程中滾輪始終在管口的內(nèi)壁上滾動(dòng)，因此車刀的加工曲線均與管口壁厚曲線一致，從而確保了坡口的加工精度[4]。

3）偏心滾輪為刀具的輔助定位裝置，它是由固定軸、旋轉(zhuǎn)軸、偏心輪及軸承構(gòu)成（見圖4）。偏心滾輪通過(guò)浮動(dòng)式刀座與刀具聯(lián)動(dòng)，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸左右旋轉(zhuǎn)來(lái)改變管道邊緣與切削刀片之間的相對(duì)位置，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具上下位置的微小調(diào)整工作。輔助定位原理如圖5所示，旋轉(zhuǎn)軸及偏心輪與固定軸不同心，向左旋轉(zhuǎn)偏心軸時(shí)，偏心軸及滾輪圍繞固定軸旋轉(zhuǎn)，滾輪最高點(diǎn)向下方移動(dòng)，滾輪與管壁之間出現(xiàn)間隙，但由于浮動(dòng)刀座彈簧的推力作用，使浮動(dòng)刀座整體圍繞浮動(dòng)刀座固定軸旋轉(zhuǎn)，偏心輪整體上移始終緊貼管壁內(nèi)側(cè)；反之，如果向右旋轉(zhuǎn)偏心軸，滾輪高點(diǎn)向上移動(dòng)，彈簧被壓縮，浮動(dòng)刀座帶動(dòng)偏心輪下移。因此，在坡口整形機(jī)工作過(guò)程中，滾輪始終緊貼管道內(nèi)壁滾動(dòng)，可保證車刀的加工曲線與管口壁厚曲線一致。

圖4 偏心滾輪結(jié)構(gòu)

圖5 輔助定位原理示意

（3）切削進(jìn)給機(jī)構(gòu) 主要實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)刀盤的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（包括工進(jìn)和快進(jìn)）。它由進(jìn)給液壓缸驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)銷帶動(dòng)刀盤實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)給，進(jìn)給的行程根據(jù)實(shí)際切削要求以及管口的情況確定，軸向進(jìn)給速度通過(guò)調(diào)整液壓缸的調(diào)速閥改變。

另外，管端坡口整形機(jī)組成部分還包括：前導(dǎo)向籠部分、中間護(hù)板架、導(dǎo)向輪、切削防護(hù)部分及后防護(hù)護(hù)欄等。這些部分的主要功能是保護(hù)設(shè)備和設(shè)備上的元件，防止管端坡口整形機(jī)進(jìn)入管道時(shí)破壞管內(nèi)壁的防腐層，以及保護(hù)操作人員的安全等。

3 刀具的安裝及調(diào)整方式

用管道自動(dòng)焊接裝置完成管道水平固定環(huán)焊縫自動(dòng)焊接操作的焊接方法稱為管道全位置自動(dòng)焊。坡口的形式和尺寸是全位置自動(dòng)焊接的重要基礎(chǔ)，會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量和焊接效率產(chǎn)生關(guān)鍵性的影響。

目前國(guó)內(nèi)外采用的管道全位置自動(dòng)焊設(shè)備，絕大部分采用計(jì)算機(jī)控制，設(shè)備不同則控制的參數(shù)和控制方式也有區(qū)別?？刂频闹饕獏?shù)有：送絲速度、電弧電壓、焊接速度、擺動(dòng)寬度、擺動(dòng)頻率（或擺動(dòng)速度）及兩側(cè)停留時(shí)間等，對(duì)每一層及每一層焊道不同的焊接位置，大部分的管道自動(dòng)焊設(shè)備可設(shè)定不同的參數(shù)。但目前無(wú)論控制參數(shù)設(shè)置多少及焊接位置分得多細(xì)，都是根據(jù)焊接試驗(yàn)和焊接工藝評(píng)定預(yù)先設(shè)定參數(shù)，還未達(dá)到焊接設(shè)備能自動(dòng)判定間隙大小、熔池（或熔孔）的大小及坡口寬度等條件的變化，即不能根據(jù)條件變化來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)焊接參數(shù)的大小。因此管道自動(dòng)焊的坡口形式和坡口尺寸必須符合標(biāo)準(zhǔn)和焊接工藝規(guī)程的要求，并應(yīng)有較高的一致性。

1）首次加工坡口安裝刀具時(shí)，操作人員需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定刀桿的伸出長(zhǎng)度及高度，然后緊固車刀壓緊螺釘。

2）使用起重設(shè)備將坡口整形機(jī)自定心脹緊機(jī)構(gòu)送入管口，直至管口邊緣與偏心滾輪接觸，扳動(dòng)自定心脹緊機(jī)構(gòu)的控制手柄，使坡口整形機(jī)脹緊塊與管內(nèi)壁脹緊固定。

3）扳動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀盤的快進(jìn)手柄，旋轉(zhuǎn)刀盤沿坡口整形機(jī)主軸方向移動(dòng)，直至偏心輪完全進(jìn)入管口內(nèi)，刀具距管口5～10mm位置停止，然后運(yùn)轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)刀盤，打開工進(jìn)手柄，開始切削加工。

4）切削時(shí)注意觀察管口端面，必要時(shí)可停車檢查，待所有刀具與管口切削到位后，關(guān)閉工進(jìn)手柄，退出切削盤，松開自定心脹緊塊，將坡口整形機(jī)從管口內(nèi)吊出（取出），測(cè)量坡口所有參數(shù)。

5）根據(jù)加工坡口與標(biāo)準(zhǔn)坡口的偏差，松開刀具及偏心滾輪緊固螺釘，依次調(diào)整各個(gè)刀具位置，刀具的調(diào)整分為上下和左右兩個(gè)方向的調(diào)整。左右方向的調(diào)整依靠刀具的左右移動(dòng)實(shí)現(xiàn)，上下方向的粗調(diào)可通過(guò)增減刀具下方的墊鐵，細(xì)調(diào)可通過(guò)旋轉(zhuǎn)偏心滾輪實(shí)現(xiàn)。

6）刀具調(diào)整后，重復(fù)上述步驟，直至坡口參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 影響刀具安裝效率的因素

通過(guò)總結(jié)，施工過(guò)程中影響刀具調(diào)整效率的因素主要有以下幾點(diǎn)。

1）首次刀具安裝時(shí)，尤其是復(fù)合坡口，需要多把刀具安裝到每個(gè)單獨(dú)的浮動(dòng)刀座上。由于沒有統(tǒng)一的標(biāo)志物作為參照點(diǎn)，每把刀具的伸出長(zhǎng)度、墊鐵高度均無(wú)法準(zhǔn)確地判斷，完全依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)安裝，因此首次加工后的坡口誤差也比較大。

2）對(duì)刀具進(jìn)行二次調(diào)整，橫向移動(dòng)刀桿時(shí)，同樣因?yàn)闆]有可以參照的點(diǎn)作為依據(jù)，移動(dòng)時(shí)往往需要操作人員依靠經(jīng)驗(yàn)判斷，所以常常會(huì)出現(xiàn)多次調(diào)整不到位或調(diào)整過(guò)頭的現(xiàn)象。

3）通過(guò)偏心滾輪對(duì)刀具進(jìn)行上下微調(diào)時(shí)，偏心滾輪的旋轉(zhuǎn)軸位置往往是隨機(jī)的，旋轉(zhuǎn)軸上也沒有任何指示標(biāo)志。初次調(diào)整無(wú)法準(zhǔn)確地判斷滾輪的正確旋轉(zhuǎn)方向，例如當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)點(diǎn)處于最高點(diǎn)時(shí)，此時(shí)無(wú)論將旋轉(zhuǎn)軸向哪個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，偏心滾輪都會(huì)帶動(dòng)刀具向上移動(dòng)，并且旋轉(zhuǎn)的尺度大小同樣因?yàn)闆]有標(biāo)尺參照，所以也要依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)去判斷和調(diào)整。

每一遍坡口加工后，均需要停車、退出切削盤，松開坡口整形機(jī)自定心脹緊塊，取出坡口整形機(jī)機(jī)頭，測(cè)量坡口相應(yīng)的參數(shù)，根據(jù)誤差對(duì)刀具進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。調(diào)整時(shí)要依次松開刀具壓緊螺釘、偏心滾輪緊固螺釘，對(duì)刀具進(jìn)行微調(diào)后再緊固。然后將坡口整形機(jī)機(jī)頭放入管口內(nèi)脹緊固定，起動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀盤開始加工，一次過(guò)程往往就需要10～30min。

全自動(dòng)焊接對(duì)坡口的每項(xiàng)尺寸精度要求很高，每個(gè)參數(shù)的誤差均要求在±0.2mm以內(nèi)，并且對(duì)于復(fù)合坡口來(lái)說(shuō)，每一個(gè)單獨(dú)參數(shù)的調(diào)整都會(huì)影響其他地方的尺寸參數(shù)。

以上這些因素造成了每次刀具安裝時(shí)都需要反復(fù)多次地調(diào)整試驗(yàn)，根據(jù)操作人員的熟練程度及坡口樣式的不同，調(diào)整時(shí)間也不同。坡口越復(fù)雜，需要的刀具越多，調(diào)整就越為繁瑣。尤其是對(duì)于員工培訓(xùn)和工藝試驗(yàn)，需要經(jīng)常調(diào)整更換坡口形式的時(shí)候，對(duì)工作效率的影響尤為明顯。

5 提高刀具調(diào)整效率的方式

筆者通過(guò)在實(shí)際施工過(guò)程中的實(shí)踐，從影響刀具安裝調(diào)整效率的因素入手，通過(guò)制作相應(yīng)的工裝和對(duì)原有元件進(jìn)行改造等方式，總結(jié)了幾條可以有效提高坡口整形機(jī)刀具安裝效率的方法。

1）針對(duì)初次安裝多把刀具時(shí)沒有參照點(diǎn)的問(wèn)題，根據(jù)偏心滾輪與刀具聯(lián)動(dòng)，并且工作時(shí)偏心輪外圓始終緊貼管壁內(nèi)側(cè)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種輔助對(duì)刀裝置（見圖6），該裝置由底座、對(duì)刀樣板和緊固螺釘組成。底座為矩形方管，斷面平整，頂面鉆孔并攻螺紋。對(duì)刀樣板根據(jù)焊接工藝的坡口樣式進(jìn)行加工制作，斷面呈L形，在樣板底部有兩個(gè)長(zhǎng)孔，底座與對(duì)刀樣板通過(guò)螺釘聯(lián)接，可以左右滑動(dòng)調(diào)整。使用時(shí)，松開緊固螺釘，調(diào)整對(duì)刀樣板的伸出長(zhǎng)度并緊固，將工裝底座側(cè)端面貼緊偏心滾輪的外圓平面，而對(duì)刀樣板的底面則緊靠偏心滾輪的外邊緣。然后安裝刀具時(shí)以此樣板為依據(jù)，調(diào)整墊鐵高度及刀具伸出長(zhǎng)度，使各個(gè)刀具依次與對(duì)刀樣板的相應(yīng)部位吻合，然后緊固刀具。

圖6 輔助對(duì)刀裝置

這樣刀具安裝基本可以一次調(diào)整到位，減少了反復(fù)試驗(yàn)調(diào)整的次數(shù)，后面只需根據(jù)加工誤差進(jìn)行微調(diào)即可。

2）在刀桿及偏心輪旋轉(zhuǎn)軸的表面加工出相應(yīng)刻度線（見圖7），并標(biāo)出相應(yīng)數(shù)值，這樣在調(diào)整刀桿和旋轉(zhuǎn)偏心輪時(shí)就有了參考依據(jù)。

圖7 用刻度標(biāo)識(shí)示意（局部）

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上改進(jìn)，用較低的成本有效地解決了刀具安裝調(diào)整過(guò)程中重復(fù)的無(wú)效步驟，提高了坡口加工效率。