钢管铣头倒棱机的创新设计

刘万顺，张玉华，陈凯，宋新环，任星

(1.天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384; 2.天津理工大学机械工程学院，天津 300384)

钢管铣头倒棱机的创新设计

刘万顺1，2，张玉华1，2，陈凯1，2，宋新环1，2，任星1，2

(1.天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384; 2.天津理工大学机械工程学院，天津 300384)

新型全自动钢管铣头倒棱机是对传统的平头倒棱机的加工工艺进行了改进，加入了自转系统，铣刀和倒棱刀在随大盘转动的过程中，可进行自转。与传统平头倒棱机相比，钢管由车削加工变为铣削加工，提高了钢管加工表面质量;设备加工范围得到了扩大;大幅度的减小了切削力和切削功率。

自转系统;铣头;倒棱

0 前言

近年来，随着火力发电、西气东输、石油高价位运行，市场对大口径特别是特大口径钢管的需求逐年增加。由于出口退税等优惠政策的实行，大口径钢管的生产成为一个相对波动较小并且保持了一定利润的行业。钢管按照制造工艺的不同，分为无缝钢管和焊管，无论是无缝钢管还是焊管，其工艺流程均需要对钢管端面进行铣端面、倒棱的加工。因此，作为铣端面、倒棱的大口径大壁厚的钢管铣头倒棱机的研制是十分必要的，设备的好坏将直接关系到钢管的加工质量和加工成本［1］。

1 传统平头倒棱机

1.1 传统平头倒棱机工作原理

传统平头倒棱机机头(图1)由倒棱刀具、平头刀具、刀盘、动力头和交流电机组成。在动力头上安装可作旋转运动的刀盘，将端面平头刀和倒棱刀固定在刀盘上，通过刀盘的旋转带动刀具的旋转，以此对钢管的端面和内外棱进行加工，刀盘的转动为切削主运动。传统平头倒棱机除机头以外，还有底座、进给机构和夹紧机构［2］。机头整体安装在底座上，进给机构可驱动底座沿着钢管的轴线方向做进给运动。夹紧机构的作用是在平头、倒棱时夹紧钢管。

图1 传统平头倒棱机机头Fig.1Head of traditional plain-end chamfering machine

1.2 传统平头倒棱机的局限性

传统平头倒棱机设计、制造简单、质量轻，但是其加工范围小。由于传统平头倒棱机采用的是车削加工，车削包括刀具的转动、刀具相对于工件的轴向进给两种运动。当钢管壁厚较小时可以进行车削加工，但是钢管壁厚变大时，加工长度随之变大，该传统平头倒棱机就不能加工了。当钢管壁厚超过30 mm时，要求刀具的切削刃足够长，导致切削力增大，发生刀具振动，不能保证切削的稳定性，传统平头倒棱机一般不能对壁厚超过30 mm的钢管进行加工。因此，传统平头倒棱机不能满足市场对大口径大壁厚的钢管的需求。

2 新型钢管铣头倒棱机的改进

通过对原有平头倒棱机的分析，把已有的平头倒棱机的车刀更换为多刀头的面铣刀，并对动力传动机构做了改进，经过现场使用证明了其可行性。

2.1 将车刀换成铣刀

将传统平头倒棱机的车刀改换为多刀头的面铣刀，车削加工变为铣平面的加工，这种改进相比于传统的平头倒棱机具有以下优点:①加工厚壁钢管，稳定性好，切削力变小;②可以有更高的切削速度，由于是面加工，可以保证更高的加工精度;③消耗的功率变小;④提高了生产效率。

2.2 传动机构的改进

改进后的钢管铣头倒棱机如图2所示。该新型倒棱机要能完成以下三个运动:铣刀主轴的切削主运动(铣刀的自转)，铣刀装置随大盘的转动(铣刀公转)，铣刀的轴向进给运动。为了满足钢管铣头倒棱机的加工工艺，各运动应由不同的电动机提供动力传动。

图2 改进后钢管铣头倒棱机示意图Fig.2Improved steel pipe milling and chamfering machine

(1)大盘转动的动力传动。电机1通过与齿轮2啮合的齿轮1将动力传递给齿轮2，齿轮2与大盘的轴通过键联接，带动大盘的转动。

(2)铣刀自转的动力传动。电机2通过齿轮3传递给与其啮合的齿轮4，齿轮4、齿轮5与套筒通过键联接，二者转动同步，套筒通过轴承与大盘连接，齿轮5通过与其啮合的齿轮6将动力传动到轴上，进而传递给刀具减速部分，倒棱刀具通过万能角度头与主轴连接。

(3)铣刀轴向进给的动力传动。电机3通过齿轮7将动力传递给齿轮8，齿轮8、9二者转动同步，通过轴承与套筒连接，将动力传递给齿轮10，齿轮10通过轴将动力传递给锥齿轮1，锥齿轮1、2啮合，将动力传递给滚珠丝杠结构，从而控制铣刀的轴向进给运动。

根据钢管的管径和加工角度要求，可通过铣刀的轴向进给机构调节倒棱铣刀和平面铣刀的回转半径。倒棱铣刀与主轴的连接采用万能角度头。通过万能角度头，可使倒棱铣刀与机头主轴的角度在0°～90°之间连续调节，用于钢管特定倒棱角度的加工，因此可以根据具体倒棱角度要求来相应的改变刀具的倒棱角度;平面铣刀、倒棱铣刀可通过进给机构的丝杠来调节刀具的工作位置，从而为不同直径的钢管进行加工。

2.3 铣刀减速机构设计

电机通过齿轮机构将动力传递给齿轮轴1，如果齿轮轴1直接与齿轮2啮合，将动力传递给铣刀，齿轮2的尺寸将很大，占用较大的面积，因此，采用二级减速机构设计，如图3所示。各个齿轮的参数:

图3 铣刀减速部分示意图Fig.3Schematic diagram of milling cutter reducer device

3 改进前后的倒棱机参数比较

新型的钢管铣头倒棱机适用的钢管规格:钢管外径φ426～φ800 mm;钢管壁厚5～80 mm;加工外倒角为0°～45°;材质为低合金钢如Q235，合金钢如12Cr1MoV等。

新型钢管铣头倒棱机加工参数的计算。选取钢管直径为φ800 mm、壁厚80 mm，材料Q235，刀具采用硬质合金可转位铣刀［3］，通过万能角度头连接在轴上，根据铣削深度、铣削宽度对刀具的相关规定，刀具选择的平面铣刀和倒棱铣刀均为直径d0=125 mm，齿数z=10，刀具材料为YT15。

(1)切削主轴转速的计算。根据铣削速度公式

式中，kv为铣削条件改变时铣削速度修正系数; T为铣刀耐用度，取T=108 min;根据铣削条件，取Cv=172，qv=0.2，xv=0.1，yv=0.4，uv= 0.2，pv=0，γ=0.2。

将v和d0带入式(2)，得到切削主轴转速n。

(2)大盘转速nf的计算。

每转进给量

大盘圆周旋转进给速度

大盘转速

式中，D为钢管直径为800 mm;af为每齿进给量;af=0.18 mm/r。

(3)圆周切削力F。

式中，kFz为铣削条件改变时铣削力的修正系数;根据铣削条件，取CF=7750，xF=1.0，yF= 0.75，uF=1.1，wF=0.2，qF=1.3，z=10;铣端面时，选取ap=2 mm，af=0.18 mm，aw=80 mm，得到F=2533 N;倒棱时，选取ap=5 mm，af= 0.18 mm，aw=108.9 mm，得到F=10494 N。

(4)切削功率P。

铣端面时，P=6.27 kW;倒棱时，P= 19 kW。

(5)倒棱角度为45°时加工一根钢管的时间。

钢管加工的进给距离L=(80-3)·tan45°= 77 mm

新型钢管铣头倒棱机与传统平头倒棱机在加工工艺参数的比较见表1、2。

表1 钢管铣头倒棱机加工参数Tab.1Processing parameters of steel pipe milling and chamfering machine

表2 传统平头倒棱机加工参数Tab.2The processing parameters of traditional plain-end chamfering machine

通过表1、表2数据可以看出:钢管铣头倒棱机的切削力和切削功率比普通平头倒棱机的小很多，铣端面切削力由3 286 N减少到2 533 N，减少了22.92%，倒棱切削力由31 037 N减少到10 494 N减少了66.19%，铣端面切削功率由7.6 kW减少到6.27 kW，减少了17.5%，倒棱切削功率由49.4 kW减少到19 kW，减少了49.2%，这就极大的节约了能源，符合现在提倡的节能减排的要求。

4 结束语

新型钢管铣头倒棱机是一种创新设备，与传统平头倒棱机相比，钢管由车削加工变为多刀头的铣削加工，提高了钢管加工表面质量;设备加工范围得到了扩大，可加工壁厚30 mm以上的大口径厚壁管;大幅度的减小了切削力和切削功率。目前已有多台设备在现场使用，完全满足对钢管精度的要求。

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Innovative design of steel pipe milling and chamfering machine

LIU Wan-shun1，2，ZHANG Yu-hua1，2，CHEN Kai1，2，SONG Xin-huan1，2，REN Xing1，2
(1.Tianjin Key Laboratory for Control Theory＆Applications in Complicated Systems，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China 2.School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

This paper has improved processing technology of traditional plain-end chamfering machine.A rotation system is added to new automatic steel pipe milling and chamfering machine.milling and chamfering cutter can do rotation，in the process of turning with rotary table，steel tube chamfer by milling instead of turning with respect to traditional plain-end chamfering machine.Therefore，the surface quality of steel tube is improved，processed tube diameter is enlarged，the cutting force and cutting power is greatly reduced.

autoroatation system;milling head;chamfering

TG544

A

1001-196X(2014)06-0036-04

2014-07-09;

2014-07-30

2009年天津市科技支撑计划重点项目(90ZCKFGX02900)国家发明专利号:ZL 2012 1 0029140.2

刘万顺(1988-)，男，天津理工大学硕士研究生，研究方向为:机械制造及其自动化。