型钢管铣头倒棱机的研制.doc

摘要随着我国钢铁经济的快速发展，市场对钢管的需求量不断加大，对钢管精度的要求也不断提高。钢管端面倒棱是钢管焊接成型的重要工序，而倒棱机是钢管倒棱加工中最基本的设备。但随着钢管管径、钢管壁厚的不断增大，国内传统的平头倒棱机技术已经无法满足市场需求，日益增长的钢管需求与落后的倒棱机加工技术的矛盾日益显著，因此本课题所研究的新型铣头倒棱机对解决这个矛盾具有重大意义。本文主要对新型铣头钢管倒棱机进行了以下几个方面的介绍：1.基于传统平头倒棱机的加工工艺及机械结构，结合大口径、大壁厚的加工要求，将原来单一的车削运动改进为铣刀自转、铣刀公转两个独立的自转系统运动模式。増添仿型装置同时，与传统平头倒棱机相比，变车削加工为铣削加工后，减小了车削过程中切削力及切削功率，同时扩大了加工范围，增强了加工过程中稳定性，提高了加工精度。2.根据最大钢管口径及壁厚，对新型铣头倒棱机的传动结构进行了详细的设计说明，同时对加工范围、刀具的选择、电动机的选择都进行了详细的计算说明。3.运用Solidworks三维软件对新型铣头倒棱机进行三维实体建模，运用Ansys对关键传动轴进应力分析、模态分析。4.简单介绍了新型铣头倒棱机的闭环控制原理，并介绍了加工过程干扰源的来源及消除措施。5.总结本文所研究新型铣头倒棱机的特点，证明了其对钢管倒棱加工技术的进步起到积极作用，同时指出新型倒棱机结构的不足之处，为以后发展提供了方向。关键词： 自转、公转系统 新型钢管铣头倒棱机 铣削加工 仿型加工 闭环控制AbstractWith the rapid development of Chinas steel market, the demand for steel pipes and the requirement for steel precision are also rising. Pipe end chamfering is the primary process of welded pipe forming, and the chamfering machine is the most basic equipment in the machining line. However, with the continuous increase of diameter and wall thickness of steel pipes, the traditional flat head chamfering machine has been unable to meet the market demand, and the contradiction between the growing demand for steel pipes and the outdated processing technology of chamfering machine is becoming more and more significant. Therefore, the new type of milling head chamfering machine researched in the paper will be of great significance to solve the contradiction.The introduction of the milling head chamfering machine for steel pipes in this paper can be mainly summarized as the following: first, based on the processing technology and the mechanical structure of traditional flat head chamfering machine and combined with the processing requirements of large caliber and wall thickness, the original single turning motion has been improved to two independent rotation systems of milling cutter rotation and revolution motion models. In addition to copyingdevices, the turning processing has been improved to milling processing. Compared with the traditional flat head chamfering machine, the new type of milling head chamfering machine has reduced the cutting force and power in the turning process, at the same time, it has enlarged processing range, enhanced the stability in the process, and improved processing accuracy. Second, in accordance with the maximum diameter and wall thickness of steel pipes, the design description of the transmission structure of the milling head chamfering machine is described in detail. At the same time, the processing range, the selection of tools and motors are also illustratedbydetailed calculation. Third, 3D solid modeling for the milling head chamfering machine is formed by applying Solidworks 3D software, and the stress analysis and modal analysis for the key transmission shaft are conducted by using Ansys. Forth, closed-loop control principle of the new type of milling head chamfering machine is simply introduced, and the source and eliminating measures of the interference source in the machining process are illustrated as well. Fifth, based on the conclusion of the characteristics of the new milling head chamfering machine researched in the paper, it proved that the new milling head chamfering machine plays a positive role in the improvement of pipe chamfering process technology. In addition, the inadequacy of new type of chamfering machine structure is also pointed out, which provides direction for future development.Key words：cutter rotation and revolution motion models, new type of milling head chamfering machine, the turning process, profile machining, closed loop control目 录第一章 绪论11.1 课题来源及背景11.1.1 钢管的应用范围及发展趋势11.1.2 钢管的分类、制造工艺流程及倒棱机的意义11.2 国内外钢管倒棱机的发展现状41.3 钢管倒棱机的研究意义和研究内容51.3.1 钢管倒棱机的研究意义51.3.2 论文的主要研究内容51.4 本章小结6第二章 新型铣头倒棱机的整体结构设计72.1 平头倒棱机的主体结构分析72.1.1 普通倒棱机加工范围72.1.2 普通倒棱机的结构及加工原理72.1.3 平头倒棱机的局限性82.2 新型铣头倒棱机的设计要求及改进方案82.2.1 新型铣头倒棱机性能要求82.2.2 新型倒棱机主要零部件的改进82.3 新型铣头倒棱机的结构设计92.3.1 新型倒棱机的加工参数92.3.2 新型铣头倒棱机的整体结构设计102.3.3 大盘自转机构的设计112.3.4 刀盘自转机构的设计122.3.5 刀盘机构的设计132.3.6 刀盘径向进给机构的设计152.3.7 仿型机构的设计及仿型原理162.3.8 机头进给机构的设计182.3.9 夹紧机构的设计192.3.10 其他辅助机构的设计202.4 新型铣头倒棱机工作原理及现场布局202.5 本章小结22第三章 新型铣头倒棱机动力系统的计算选择233.1 新型倒棱机加工工艺参数的计算选择233.1.1 新型铣头倒棱机的加工范围233.1.2 刀具的选择243.1.3 刀盘自转动力电动机的选择253.1.4 动力头轴向进给滚珠丝杠的选择283.1.5 动力头进给电动机的选择303.1.6 刀盘进给电机的选择323.1.7 大盘自转电机的选择333.2 自转动力输出轴的设计校验343.3 本章小结37第四章 倒棱机的建模、有限元分析及动力学仿真394.1 Solidworks建模及装配394.1.1 Solidworks概述394.1.2 各主要零部件以及主要机构的装配图394.2 基于Ansys的有限元分析自转动力输出轴434.3 基于Adams的运动学仿真454.3.1 Adams概述454.3.2 对关键二级减速齿轮机构的仿真约束建立464.3.3 刀盘机构的仿真约束建立474.3.4 动力学数据分析484.4 本章小结51第五章 倒棱机控制系统设计525.1 电气控制部分的组成及功能概述525.2 倒棱机控制系统的总体方案525.2.1 变频传动系统545.2.2 基础自动化系统545.2.3 过程控制系统545.3 动力头进给工作流程545.4 倒棱机总工作流程图565.5 PLC控制系统干扰源及抗干扰措施57第六章 论文总结与课题展望586.1 论文总结586.2 课题展望58参考文献60发表论文和科研情况说明62致 谢63- ii - 21 -第一章 绪论第一章 绪论1.1 课题来源及背景1.1.1 钢管的应用范围及发展趋势随着我国城镇化的加快及石油、天然气工程的快速发展，西气东输二线、南水北调等能源建设工程的投入不断加大，城市输水、热力管网和石油及天然气的运输越来越重要，长距离输送管道建设得到长足发展，而在输送过程中钢管又是最常用的管道输送方式，因此大口径、高钢级已经成为了管道建设的发展趋势，同时钢管焊接设备在焊接建设中的广泛应用，对钢管坡口成型的质量提出了更高的要求，如果坡口质量达不到要求，容易造成管道口对接焊接时未焊透或产生未熔缺陷，导致钢管在焊接处断裂开，因此钢管坡口成型加工质量已经成为钢管行业的一个重要指标。本世纪初，我国与国际市场的接轨，钢管出口量越来越大，市场对钢管的需求量也越来越大，对钢管的品质和质量的要求也越来越高，在一些特殊领域对大口径、大壁厚的高级钢管的需求量也越来越大1。平头倒棱的目的：端面平整、光洁、垂直；焊接坡口，满足国标和API标准。1.1.2 钢管的分类、制造工艺流程及倒棱机的意义中国钢管产业进入新世纪以来，经过十几年的飞速发展，业已成为全球最大的无缝钢管生产国和消费国。2008年金融危机以来，我国钢管产业发展一枝独秀，年产量占全球比重一直稳定在70%左右。2013年钢管产量达到7979万吨，同比增长7.67%。其中，无缝钢管产量2962.8万吨，同比增长5.08%；焊管产量5016.2万吨，同比增长7.7%。出口方面，2013年钢管出口900万吨，同比增长1.61%。其中，无缝钢管出口512万吨，同比下降1.61%。预计2014年中国钢管消费8200万吨，同比增长3%，其中无缝钢管3200万吨、焊管5000万吨；钢管出口约950万吨，同比增长5%，其中无缝钢管520万吨、焊管430万吨。房地产、机械、石油天然气、外贸是钢管最主要的消费市场，占总消费量的50%以上。钢管按生产方法的不同分为焊管和无缝钢管。（1）焊管：是用钢板或带钢经过卷曲成型后焊接制成的钢管。焊接钢管生产工艺简单，生产效率高，品种规格多，设备投资少，但一般强度低于无缝钢管。焊管分为直缝焊接焊管和螺旋焊接焊管，二者的生产工艺不同。直缝焊管生产工艺简单，生产效率高，成本低，发展较快。螺旋焊管的强度一般比直缝焊管高，能用较窄的坯料生产较大管径的焊管，还可以用同样宽度的坯料生产管径不同的焊管。但是与相同长度的直缝管相比，焊缝长度增加30100%，而且生产速度较低。直径大或较厚的焊管，一般用钢坯料直接做成，而小焊管薄壁焊管只需要通过钢带直接焊接就可以了。然后经过简单抛光，拉丝就可以了焊管的主要加工工艺流程为：原材料开卷-平整-端部剪切及焊接-活套-成形-焊接-内外焊珠去除-预校正-感应热处理-定径及校直-涡流检测-切断-精正(去毛边、倒棱、端面)-酸洗-最终检查-包装-出货。（2）无缝钢管：与焊管相比，无缝钢管没有焊缝，无缝钢管具有中空截面，与实心钢材相比，在抗弯抗扭强度相同时，重量较轻，是一种经济截面钢材，无缝钢管的制造工艺主要分为热轧和冷轧两种加工办法：热轧：把钢材加热后控制在再结晶温度以上进行轧制加工的工艺，热轧能显著降低能耗，降低成本，热轧的金属塑性高，变形抗力低，提高合金的加工性能。热轧无缝钢管工艺过程可以分为以下三步1：第一步穿孔：把实心钢管毛坯通过穿孔设备变为空心的毛管，这一步又叫定型，因此选择合适的管坯和合理穿孔技术是确保毛管表面的粗糙度、毛管壁厚均匀、毛管圆度等几何尺寸的精确首要条件，在1981年出现的双支撑的锥形辊穿孔机是主要的穿孔设备，其加工的管壁厚度均匀、对心性高，图1-1为双支撑的锥形辊穿孔的示意图。图1-1 双支撑的锥形辊穿孔结构简图第二步轧管：将第一步得到毛管通过轧管机轧薄，保证有较好壁厚均匀度。轧管机工作示意图如下图所示。图1-2 轧管机工作示意图1.减径端 2.减壁段 3.辗轧段 4.归圆段第三步定径：通过定径机对钢管外表面不断打磨使其符合所要求的钢管外径。冷轧：以热轧出的毛坯管为原料进行二次加工的，在再结晶温度以下，包括常温下进行轧制加工的工艺，冷轧钢管具有冷加工硬化的特性，具有较好的机械性能。冷轧的主要流程：圆管坯-加热-穿孔-打头-退火-酸洗-涂油（镀铜）-多道次冷拔（冷轧）-坯管-热处理-矫直-精整(去毛边、倒棱、端面)-水压试验（探伤）-标记-入库2。目前市场上的钢管主要是用来运输水、石油、天然气等资源的，单根钢管的长度是有限的，需要将一根根钢管焊接起来，为了方便钢管之间的焊接需要对钢管两端进行平头倒棱处理，由制造流程可以看出，两种加工方式都需要精整步骤，而倒棱机是精整步骤中必不可少的设备，其中包括去毛边、倒棱、端面三个主要步骤，形成焊接破口和钝边，为后续加工做准备，焊接要求端面平整、倒坡口，实有套管等进行端面车丝也要求平头倒棱，下图为精整后的效果图。 图1-3 平头倒棱效果图在实际加工成产过程中，坡口和钝边的加工方式有很多，其中最常用的方式分为热加工和冷加工两个大类3。（1）热加工：一般采用氧气、乙炔或等离子气体对钢管端面进行切割，由于高温氧化作用，采用热切割后会在加工表面形成氧化层，甚至形成凹陷，需要进行二次打磨才可以进行焊接。热切割还会造成局部受热不均匀情况，焊接后可能导致焊缝力学性能不一致，在钢管使用时发生断裂现象，埋下安全隐患。（2）冷加工：一般是机械加工，采用高速刀和硬质合金刀对钢管表面进行车削加工，目前国内外在加工坡口和钝边的时候主要采用倒棱机等机械设备进行切削加工。相比于热加工，冷加工属于一次性投入，不用进行二次加工，具有加工速度快、加工效率高等特点。经过倒棱平头后的钢管，品质高，附加值高，在实际生产中，能大大提高工程质量，在石油、冶金、石化等行业得到了广泛的应用。倒棱机是钢管加工的专用机床，是生产线上必不可少的重要环节，倒棱机的设计和制造水平决定整条生产线的生产能力，因此自动化、高性能的倒棱机是满足钢管大批量、高效率生产的前提。1.2 国内外钢管倒棱机的发展现状国家统计局数据显示：2014年11月全国钢管每周周均产量211万吨，2014年11月我国钢管产量6330万吨；1-11月我国钢管产量74867万吨，同比增长1.9%。从以上数据可以看出钢管行业的利润非常大，每年钢管加工厂都有大量的钢管的钢管生产出来，因此对于钢管的加工设备的研究是很有必要的，特别是精加工的钢管倒棱机的研究更是其中的重点。倒棱机在钢管生产线已经应用了很长时间，但是由于倒棱机技术含量高，造价和维护费用比较高，国内大部分公司所用的设备均是从国外进口。(1) 国外平头倒棱机：美国PMC公司的平头倒棱机的主要结构特点是：导轨轴承采用带有预紧系统的滚柱直线轴承，保证切削时系统稳定，承载能力大；主轴进给采用了液压伺服系统，响应速度快；夹紧装置采用了浮动夹紧机构及锁紧机构，保证了钢管的自然形状并消除夹瓦滑动间隙，刚性好；步进传动采用了液压马达机构，速度快，运行平稳；主轴刀盘带有冷却系统对刀具进行冷却，能有效延长刀具的寿命3。德国REIKAW ERK公司的平头倒棱机的主要结构特点是：导轨轴承采用了无预紧系统的直线滚珠轴承，主要用于负载较轻的场合；主轴进给采用了电机伺服系统，低速性好，维护方便；无冷却系统，带有排屑运输装置；步进传动采用了电机减速器机构3。美国CRC公司的钢带式火焰切割倒棱机的主要结构特点是：采用铝制机身，不锈钢带导轨，导轨可拆卸，整机重量教轻，坡口角度和切削速度可控，比较适合管径较小的钢管，方便在现场工作6。(2) 国内平头倒棱机：西重所生产的平头倒棱机导轨轴承采用了带有预紧力滚柱直线轴承，主轴箱里主轴带有预紧力轴承，夹紧装置采用带有浮动机构及轴向锁紧机构，提高了设备的刚性和稳定性；刀盘上刀具采用了内浮动机构新技术，解决了因壁厚不均而引起倒坡口后的钝边质量问题。带有冷却系统，对刀具进行冷却并且带有对切屑的冲洗功能5。浙江奥泰公司的爬管式倒棱机采用普通电动机、气动马达驱动的方式，主要针对现场的固定钢管加工，由电动机驱动链轮带着机体上的切割刀沿钢管表面旋转一周完成切割任务，加工灵活，缺点是只能加工小口径钢管，且加工质量普遍较差7。在近20年的发展过程中，平头倒棱机的技术逐渐趋于成熟，形成了完整的结构特点：（1）刀具二次定位：初定位、精定位；（2）采用两点夹紧钢管、刀具旋转方式；（3）刀盘采用浮动机构，包括内、外浮动机构；（4）采用PLC电气控制系统，根据加工要求以及钢管规格能进行参数修改，人机界面，操作方便；（5）进给用液压或者伺服系统控制。不管在国内还是在国外，平头倒棱机都已无法满足市场对钢管口径、壁厚的多样性要求，因此研制大口径、大壁厚的倒棱机是重中之重。1.3 钢管倒棱机的研究意义和研究内容1.3.1 钢管倒棱机的研究意义根据前文介绍的按钢管是否有缝分类，钢管分为无缝钢管和焊接钢管；按断面形状又可分为圆管和异形管10。钢管在焊接使用时都需要对钢管端面进行倒棱、平头工序。目前国内外掌握的平头倒棱机的技术已非常成熟，但是由于钢管的优秀力学性能，其应用范围逐步扩大，现存的倒棱机在加工过程中的问题也随之暴漏出来，未来倒棱机的发展和研究方向也越来越多样化，如何解决以下问题也是未来倒棱机主要研究的方向：（1）随着钢管应用范围的增大，包括一些石油天然气输送管道、地下电缆、水资源管道等，其应用范围的扩大要求对不同规格直径的钢管进行加工。因此如何在一台机器上扩大倒棱机的加工范围是高效加工的一方面，加工范围的扩展需求有：圆钢的倒棱、方矩管及异性管的倒棱。（2）随着应用领域的不同，其对钢管的壁厚要求也不同，现有的平头倒棱机只能加工壁厚30mm以下的钢管，当壁厚超过30mm时，刀具就会出现崩刃现象，导致加工表面波纹状，产品合格率降低。因此如何保证加工大壁厚钢管的加工精度也是倒棱机需要改进的地方。（3）目前平头倒棱机工作原理基本相同：钢管固定，回转刀盘安装在主机上，将车刀固定在刀盘上，通过刀盘旋转带动刀具旋转来对钢管进行加工。这种结构设计简单、重量轻，当壁厚比较大时，随着切削面积的增大，导致切削力的增大，容易出现打刀现象，造成刀具脱落甚至无法加工问题。因此如何改进运动形式和刀具的安装形式保证切削过程的稳定性也是亟待解决的问题。（4）平头倒棱机的固定都是由人工进行固定夹紧，经常出现钢管轴线与机床主轴轴线不在同一直线上，设备的自动化水平低、倒棱加工的精度达不到要求、适应钢管圆度误差的能力差，导致二次加工，工作效率低下。这种设备上的的弊端严重制约了我国钢管产业在石化、船舶等行业的发展，因此需要对传统平头倒棱机进行结构上的改进与创新，使其加大倒棱机的加工范围，增强其加工能力，保证在加工过程中刀具的稳定性，并且实现高自动化、高精度的进给才能满足市场需求，同时一台好的钢管铣头倒棱机能极大降低企业对钢管平头倒棱的加工成本，从而起到提高钢管的产品附加值的作用，因此本课题的研究很有必要。1.3.2 论文的主要研究内容本文研究目的是设计一种新型钢管铣头倒棱机，填补我国在大口径、大壁厚钢管加工方面的空白，提高倒棱机工作时的稳定性和自动化程度，提高加工效率满足市场要求，本课题是天津科技重点支撑项目，项目编号09ZCKFGX02900，研究的主要内容为以下几个方面：（1）结合国内外倒棱机发展趋势，在分析加工工艺的基础上，设计研制了满足大口径、大壁厚、高钢级钢管加工要求的新型钢管铣头倒棱，包括倒棱机加工工艺设计、总体参数设计、整体结构设计、动力系统的设计、刀盘系统的设计、进给机构的设计以及夹紧机构的设计，使其加工范围可以达到钢管外径426mm-800mm，壁厚5mm-80mm。（2）根据总体参数要求，对倒棱机的电动机进行了详细的计算与选择，并对结构中关键零部件进行校核。（3）运用Solidworks软件对倒棱机进行实体建模与装配，并用Ansys软件对关键轴进行有限元分析和Adams软件对倒棱机进行运动仿真，并得出运动图像。在倒棱机的设计中铣削系统是整个设备的关键，其机构的合理与否直接决定坡口的加工质量和加工尺寸，通过理论设计和运动仿真为实际生产节约人力物力，对产品后期系列化生产提供指导意义。1.4 本章小结本章主要介绍了一下我国钢管的应用及发展现状，指出了钢管精加工过程中钢管倒棱机的重要性，以及现存钢管倒棱机的局限性，并根据其缺点提出了需要改进的地方，最后指出了本课题研究的意义及主要内容。第二章 新型铣头倒棱机的整体结构设计第二章 新型铣头倒棱机的整体结构设计在本章中，首先介绍了国内平头倒棱机的主体结构及其工作原理，并指出其存在的不足和缺点，针对这些缺点大胆创新设计了新型铣头倒棱机。同时对新型铣头倒棱机的整体结构进行了详细的介绍，包括铣刀自转动力系统、铣刀进给动力系统、大盘自转动力系统、动力头进给动力系统和其他辅助系统，阐述了新型倒棱机的工作原理。2.1 平头倒棱机的主体结构分析2.1.1 普通倒棱机加工范围国内平头倒棱机适用的钢管直径为140.0-426.0mm，壁厚5-30mm。2.1.2 普通倒棱机的结构及加工原理平头倒棱机主要由带滑轨的底座、动力头、倒棱刀盘和平头刀盘、刀盘和电动机构成11，如图2-1所示。图中钢管由夹紧装置夹紧固定，倒棱刀和平头刀安装在能旋转的刀盘上，交流电动机通过动力头将动力传到与刀盘相连的主轴上，带动刀盘旋转，外接一个电动机控制整个机头的进给运动，完成对钢管的加工任务。图2-1 普通倒棱机的结构2.1.3 平头倒棱机的局限性由图2-1可知，平头倒棱机的刀盘和刀盘位置在工作的时是相对固定的，即通过刀盘旋转带动刀盘旋转对钢管端面进行加工，对于30mm以下壁厚的钢管加工稳定性好，当加工壁厚超过30mm的钢管时，由于切削面积增大，导致刀盘加工过程中切削力增大，刀盘振动过大，容易出现打刀、加工面出现波纹状、加工效率低等问题，产品质量难以达到应用标准12。除此之外，平头倒棱机加工范围小，制约了行业的发展，因此需要在结构上增大倒棱机的加工范围，增强工作时稳定性是亟待解决的问题。2.2 新型铣头倒棱机的设计要求及改进方案2.2.1 新型铣头倒棱机性能要求为满足钢管铣头倒棱机的加工工艺，新型铣头倒棱机应满足以下条件：（1）有一定的加工范围：钢管倒棱机的主要任务是完成倒棱和平端面，任务单一，只是钢管材质和规格不同，因此新型倒棱机要满足规定直径范围、规定壁厚范围、规定钢级以及一定坡口角度范围的加工要求，能够加工不同材质不同规格的工件，对于同一批次的钢管仅需进行一次参数设置即可完成所有的加工任务。（2）保证加工质量：新型倒棱机应该保证加工表面能长时间保持光洁，加工表面的精度和光洁度是由刀具、切削温度、切削稳定性等因素决定，要保证加工质量倒棱机必须要具备几何精度、保证在加工过程中钢管的稳定性、刀具切削的稳定性以及动力头进给的稳定性，同时刀盘要能根据钢管圆度误差进行仿型加工。（3）提高加工效率和自动化程度：在满足加工要求的前提下，尽可能缩短单件加工时间，比如加大切削量，缩短夹紧时间，增强机械机构的自动化，实现整个工作的全自动化。（4）操作简单，安全可靠：通过简单修改参数即可完成加工任务，同时要求加工过程中可以随时控制整个机器，便于发现问题及时维护13，还要考虑到无人操作时紧急信号报警系统，具有故障检测、报警并自动停车等功能以免造成事故。2.2.2 新型倒棱机主要零部件的改进（1）加工方式改变：普通钢管由于壁薄，对其倒棱加工时采用车削加工，虽然加工面积增大，但是增大程度小，速率慢，增大的切削力不会影响设备的稳定性。厚壁钢管加工与普通钢管加工最大的不同就在倒棱部分，如果采用车削原理，随着加工深入其表面的车削力和切削扭矩会急剧增大严重影响机器的正常运行，因此采用铣削原理加工，把原来单一的车刀换成多把铣刀同时加工，同时将刀盘设计成与钢管坡角平行，可以保证在较高的转速下铣削加工的稳定性和效率。（2）动力传递改进：平头倒棱机是电动机通过主轴带动刀盘旋转，进而带动固定在刀盘上的车刀旋转加工。新型铣头倒棱机为保证加工效率，采用钢管飞锯机原理：钢管固定，飞锯机刀盘上带有各自动力的锯片，通过大盘的旋转和锯片的自转实现对钢管的切割14。即铣头倒棱机的铣刀盘要自转，与铣刀盘相对位置固定的大盘也要自转，两个运动同时进行且要互不干扰。（3）铣刀径向调整机构：普通平头倒棱机可通过调整到盘上刀的直径位置，可改变加工钢管的直径，到需人工进行，调整不便，精度不易保证；新型的带有伺服传动的铣刀径向调整机构，可通过参数控制刀的直径位置，适应钢管直径变化要求。（4）仿型机构：加工过程中自动适应钢管圆度的变化。（5）倒棱刀盘：扩大加工工艺不仅指钢管直径的变化，同时包括倒棱焊接坡口的角度变化，要同时满足破口角度30-60的加工范围，因此倒棱刀盘要应随着工作要求的不同而改变加工的角度来满足不同加工要求。（6）端面刀盘：应该添加装置微调功能，以适应倒棱刀盘加工角度发生变化时，加工位置与倒棱刀盘相适应。（7）机头进给运动：整个运动分为主运动和分运动，主运动为刀具切削钢管，分运动为整个动力头沿着钢管轴向方向的进给运动，且轴向进给运动要和大盘自转、铣刀自转运动相互独立，同时工作。（8）夹紧装置：加紧装置要定位准确，保证钢管轴向和加工主轴轴线重合。综上所述，铣刀在加工过程中不仅要实现自身的自转，还要实现绕钢管轴线的公转，同时运动过程中还要保证线缆不会随着大盘的自转产生缠绕问题，即新型铣头倒棱机刀盘自转的动力、刀盘沿钢管径向的移动的动力、大盘自转的动力和整个机头沿钢管轴向进给的动力应分别由各自的伺服电动机控制。在改进方案中如何实现四个动力的传递问题是首要问题，其传动结构的设计是否合理是关键，如何设计传动机构使得铣刀的两个运动能同时进行，又能加工不同规格的钢管，直接决定了倒棱机的加工范围、加工精度及加工效率。2.3 新型铣头倒棱机的结构设计2.3.1 新型倒棱机的加工参数对于大口径、大壁厚钢管加工的要求主要集中在以下几个方面：1、钢管直径426mm-800mm，精度5mm；钢管壁厚5mm-80mm，精度2mm；加工焊接坡角30-60；钢管弯曲度：1.5mm/m；钢管圆度误差：1.5%。材质：低合金刚如Q235，合金钢如38CrMoAlA，碳钢如45#钢等。（1）石油天然气管线管技术标准:API 5L -ISO 3183，GB/T 9711 钢级A，B，X42，X46，X52，X56，X60，X65，X70，X80。（2）结构用圆管技术标准：GB/T13793，JIS G 3444，JIS G 3445，ASTM A 513，EN 10219原材料：碳素结构钢、低合金钢。GB/T 1591：Q235Q460。所有规格屈服强度：最低：235MPa，最高：565MPa。2、 质量要求：经过钢管铣头倒棱机加工过的钢管，无毛刺，平头的端面、倒棱的端面光洁平整，钢管表面光亮，不能损坏钢管本体，各种标准10见下表。表 2-1 行业标准项目允许偏差钝边2mm角度0.5间隙2mm粗糙度12.53、符合特种设备安全管理制度，设备应配备防火等器材，杜绝生产中的安全隐患。2.3.2 新型铣头倒棱机的整体结构设计新型铣头倒棱机主要是由机械部分和控制部分组成。本章主要介绍倒棱机的机械部分，机械部分主要包括底座、移动底板、龙门架、大盘、夹紧装置、仿型机构和动力头机构等组成，结构简图如2-2所示。固定底座10和龙门架11是倒棱机最基本的支撑件，倒棱机所有的机构全部安装在底座上，保证所有机构在加工过程中相对位置的精确性，动力头固定在移动底板9上，是整个倒棱机的动力系统，刀盘的铣削速度、径向运动、大盘转速等都是由其控制。动力头由大盘自转系统、刀盘主轴自转动力系统、刀盘径向进给系统、保护支撑箱体等构成，整个机械机构部分主要完成以下几个功能：（1） 大盘自转：大盘自转运动主要是由大盘自转机构2和大盘14共同完成。（2） 刀盘自转：刀盘包括倒棱刀盘机构5和端面刀盘机构8，刀盘自转运动主要由刀盘自转齿轮机构3和摆臂机构13共同完成。（3） 刀盘径向进给运动：刀盘径向进给运动主要由刀盘径向进给齿轮机构4、径向滚珠丝杠12及仿型臂机构6共同完成。（4） 动力头进给运动：主要由动力头进给机构1完成沿钢管轴向的进给运动。大盘自转和刀盘自转组成刀盘绕钢管的公转运动，刀盘径向进给运动和仿型臂机构6组成刀盘绕钢管的仿型运动。图2-2 钢管铣头倒棱机总体结构图1. 动力头进给机构 2.大盘自转机构 3.刀盘自转齿轮机构 4.刀盘径向进给齿轮机构 5.倒棱刀盘机构 6.仿型臂机构 7.钢管 8.端面刀盘机构 9.移动底板 10.固定底座 11.龙门架 12.径向滚珠丝杠 13.摆臂机构 14.大盘2.3.3 大盘自转机构的设计图2-3 大盘自转结构简图1.固定底座 2.大盘支撑装置 3.链齿轮 4.链条 5.变频电机 6.保护箱体 7龙门架 8.大盘 9移动底板固定底座1下表面固定在地面上，上表面安有两根凹形滑块导轨，移动底板9下表面安装滑块并和凹形导轨形成滑动配合，移动底板上安装有龙门架7和大盘支撑装置2，大盘8的一端通过一对球轴承安装在支撑装置2中，另一端安装在龙门架7中，龙门架7中安装辊轮，大盘8的外周与辊轮形成滚动配合，变频电机5固定在保护箱体6上，变频电机5通过链条4和固定在大盘8上的链齿轮3形成链传动。大盘8的自转运动直接通过调节变频电机5的速度来实现。2.3.4 刀盘自转机构的设计新型钢管铣头倒棱机刀盘主轴动力分为端面铣刀主轴动力系统与倒棱铣刀主轴动力系统，其结构完全一样，主要是通过齿轮配合来实现，如图2-4所示。图2-4 刀盘自转机构图1.电机座 2.变频电机 3.联轴器 4.齿轮1 5.齿轮2 6.套筒 7.齿轮2 8.齿轮4 9.刀盘动力输入轴 10.摆臂机构 11.球轴承 12.移动底板图2-4中，为了描述清楚刀盘自转传递过程，大盘自转机构以及进给传递机构没有画出，进给传递机构在下文进行介绍。套筒6通过一对圆柱球轴承12套在大盘上，套筒两端分别和齿轮5、齿轮7通过键配合，保证齿轮5、齿轮7与套筒6运动的同步性。电机座1固定在移动底板12上，变频电机2固定在电机座1上且通过联轴器3和齿轮1配合，齿轮1和齿轮2啮合，齿轮7和齿轮8啮合，齿轮8和刀盘动力输入轴9通过键配合，这样动力经过齿轮配合通过输入轴9将动力传递到摆臂机构10中。由图2-4可知，摆臂机构10关于大盘中心是成180对称安装的，输入轴9的转速和刀盘机构所需的转速经过计算（见第三章）总减速比例为5.2，考虑到零件的尺寸和在大盘所占用的空间，采用二级减速机构，一级减速n1=2，二级减速n2=2.6。表 2-2 齿轮规格级别Z1Z2m/mma/mm第一级521043234第二级461203249 a 二级减速机构 b 摆臂机构固定图2-5刀盘动力及刀盘进给结构简图9.刀盘动力输入轴 13.中间轴 14.刀盘动力输出轴 15.大盘 16.摆臂固定座结合图2-4，图2-5a为摆臂机构10的放大图，动力从输入轴9通过中间轴13传递到输出轴14，两根输出轴14直接分别连接倒棱刀盘、端面刀盘。摆臂固定座16固定在大盘15上，由于输入轴9相对大盘15圆心位置不变，因此摆臂机构10可以绕输入轴9所在的轴心转动。通过合理的齿轮配合，刀盘的自转运动也可以通过调节变频电机实现。2.3.5 刀盘机构的设计根据2.2.2中对刀盘改进的说明，刀盘机构包括倒棱刀盘和铣端面刀盘机构，分别安装在两根成180分布的动力输出轴上，由于倒棱需要铣刀与钢管形成一定角度，所以倒棱铣头部分要随工作条件改变倒棱加工坡角，端面铣头部分要有一个调节装置调节刀与钢管的距离以适应不同加工要求，同时在加工钢管时应稍微落后倒棱刀盘，如图2-6所示。图2-6 改进后刀盘位置图(1) 倒棱刀盘机构：倒棱刀盘采用音叉式万能铣头，如图2-7所示，其轴可在水平与垂直两个面内做回转运动的铣头装置。机械万能铣头安装在数控机床上可以完成任意角度斜面的铣削、钻孔、攻丝等加工，大大扩张机床的加工能力。铣头通过一个过渡连接垫与机床动力输入轴连接（根据用户机床接口尺寸定做），主轴箱体A轴和铣头水平旋转C两轴通过端齿盘或蜗轮蜗杆手动分度定位，T型槽螺栓吊紧铣头，铣头手动松拉刀。 图2-7 音叉式万能铣头音叉式万能铣头的工作参数：上头方式为人工手动端齿盘定位；传动比n=1：1，效率=0.98；最大转速1000rpm；最大输出功率15kw；最大输出扭矩1.5KNm；A轴旋转角度：110；C轴旋转角度：360。(2) 铣端面刀盘机构：铣端面刀盘机构主轴、端面铣刀和调节装置。根据钢管的壁厚选择端面铣刀3，将其装在刀柄装置2内的主轴上，主轴通过联轴器5和自转动力输出轴1联接，外面安装调节装置4调节铣刀的伸长量，来配合倒棱铣刀角度的调整，结构简图2-8所示。图2-8 端面刀盘简图1. 刀盘动力输出轴 2.刀柄装置 3.端面铣刀 4.调节装置 5.联轴器2.3.6 刀盘径向进给机构的设计图2-9 刀盘径向进给机构1.电机座 2.伺服电机 3.联轴器 4.齿轮1 5.球轴承 6.双联排齿轮 7.保护箱体 8.龙门架 9.径向动力输入轴 10.径向滚珠丝杠 11.大盘 12.套筒 13.齿轮2 14.移动底板结合图2-4，保护箱体7和龙门架8固定在移动底板14上，套筒12通过一对球轴承安装在大盘11上。电机座1固定移动底板14上，伺服电机2固定在电机座1上，通过联轴器3与齿轮1配合，双联排齿轮6通过一对球轴承5安装在套筒12上，齿轮1与双联排齿轮6的的左侧齿轮啮合，齿轮2与双联排齿轮6的右侧齿轮啮合，通过径向动力输入轴9将动力传递到径向滚珠丝杠10中。结合图2-4和2-9可知，二级减速机构和锥齿轮进给调节机构分别以大盘成180对称安装的，图2-4中，动力经输入轴9传递到摆臂机构10中，进而传递到输出轴14（图2-5a）上，一根输出轴14上接倒棱刀盘机构，另一根输出轴14上接端面刀盘机构；图2-10中，摆臂联接座7和弹簧滑块4相连，弹簧滑块4和进给机构中丝杠螺母外套6的末端相连，通过锥齿轮机构2可以控制丝杠机构的运动，进而起到调节加工范围的作用。图2-10 新型倒棱机正视图1.径向动力输入轴 2.锥齿轮配合 3.滚珠丝杠 4.弹簧滑块 5.端面刀盘 6.丝杠螺母外套 7 .摆臂联接座 8.倒棱刀盘 9.刀盘动力输入轴 10.弹性机构 11.摆臂机构通过图2-10可以看出刀盘的动力输入轴9相对大盘圆心的位置是固定的，摆臂机构11的转动中心和刀盘动力输入轴9同轴心，因此摆臂机构11可以绕输入轴9的位置转动，二级减速机构箱体的结构是：一端与弹簧滑块4相连接，二级减速机构的箱体的联接座7通过可转动的轴连接在弹簧滑块上4上，弹簧滑块4套在丝杠螺母外套6上，可以在运动过程中进行微调，通过调节图2-9中控制进给伺服电机2来调节铣刀箱体转动的角度，进而调节铣刀在径向的进给通过控制张开角度的不同来适应加工加工不同管径的钢管。2.3.7 仿型机构的设计及仿型原理钢管在加工、运输、储存过程中会导致钢管变形等问题，为保证加工质量，倒棱加工过程中应添加仿型机构7，解决由于钢管圆度误差引起的加工问题，结构简图如2-11所示。图2-11 仿型机构1.螺母联接块 2.摆臂机构联接座 3.摆臂机构外壁 4.仿型臂 5.钢管 6.刀盘动力主轴 7.螺栓紧固 8.连杆 9.调节装置 10.直线传感器 11.倒棱刀盘 12.转动中心仿形机构主要由仿型臂4、连杆机构8、调节装置9和辊轮10组成，仿型臂4和摆臂机构外壁3通过螺栓紧固7连接在一起，摆臂机构联接座2和径向进给机构上的螺母联接块1连接在一起，直线传感器10可以将钢管圆度误差转换为位移变化信号50传递到图2-9中的伺服电机2中。图2-12 直线传感器轨迹图（虚线）开始加工前，首先调节调节装置9使与连杆机构8相连的直线传感器10压紧钢管5外表面。开始加工时直线传感器10首先在1位置，当直线传感器10运动到2位置时，由于钢管变形较大，直线传感器10会采集到钢管径向的变化量，将变化量变为信号传递到图2-9中的伺服电机2中，伺服电机2将接收到的信号转变为速度信号传出，通过齿轮机构传递到径向进给滚珠丝杠中，带动整个摆臂机构根据钢管变形绕转动中心12进行微调直至完成仿型加工。2.3.8 机头进给机构的设计动力头进给运动是倒棱机基本运动之一，其与主铣削运动相比，只能沿直线运动，速度比较小，但对速度控制要求精确，速度大体分为空载快进、铣削工进、延时加工、空载快退四个速度。实际工作中机床的进给传动主要有机械传动、液压传动和电气传动三种方式14：（1）机械传动：结构简单，传递动力损耗少，易于维修和维护，但是自动化程度低。（2）液压传动：工作原理以液体为介质，经过控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构实现直线往复运动。其优点是工作原理、结构设计较简单；体积较小，可以自润滑、磨损小、使用寿命长；自动化程度较高。缺点是对油温变化较敏感，影响工作稳定性；液压传动中的泄漏和液体的热胀冷缩无法保证严格的传动比；零部件制造精度高，维护费用昂贵。（3）电气传动13：是指用电动机把电能转换成机械能的传动方式，由于电动机电能容易控制，电气传动不仅可以实现机床的自动化，还可以使机床的机械结构简单，已经成为绝大部分机床所采用的传动方式，最常见的电气传动方式就是“伺服电动机+滚珠丝杠”，伺服电动机可以将电压、电流信号精确的转换成马达的转速和转矩，滚珠丝杠又可以将伺服电动机的螺旋转动精确转换为直线运动，因此本文采用电气传动方式设计动力头的进给运动。动力头进给机构采用伺服电动机、减速机、滚珠丝杠组。由于加工过程中进给速度较小，采用可调速的伺服电动机和减速机来控制进给速度；机头进给的稳定性是加工过程中刀具铣削稳定性的前提，如果进给速度过快，可能导致机器震动或铣刀崩刃，影响加工精度，因此采用滚珠丝杠直