（机械制造及其自动化专业论文）新型全自动钢管铣头倒棱机的研制.pdf

t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n ji nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y f o r 恤删嬲钯r 佃e g r e e 必 t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o f n e wa u t o m a t i cs t e e lp i p em i l l i n g - h e a d c h a m f e r i n g m a c h i n e b y g u or u i s u p e r v i s o r p r o f z h a n gy u h u a j a n u a r y 2 0 1 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天洼理工大鲎或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 1石 学位论文作者签名：磊匆甲签字日期：矽，多年 孑月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨兰盘望有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗堡苎太望 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 当井 导师签名： 另彩砂许 签字日期：如f 3 年乡月日 签字日期：。b 年3 月r 日 摘要 近年来，随着我国钢管生产能力的不断提高以及市场经济的蓬勃发展，市场对于大 1 2 1 径、大壁厚、高钢级的钢管的需求逐渐增多。而目前国内外对于普通平头倒棱机的研 究技术虽然已经比较成熟，但是随着钢管应用的领域扩大和发展，其存在的技术问题也 随之浮现：包括倒棱机系统的稳定性有待提高、加工范围( 管径、壁厚) 有待扩大等。 2 0 0 4 年，天津理工大学与长期进行钢管设备制造的公司合作，共同开发研制了拥有自主 知识产权的钢管平头倒棱机。在此基础上，本文设计研制的新型全自动钢管铣头倒棱机 能够实现大口径厚壁钢管的铣头倒棱，实现厚壁钢管生产的自动化、高效率，提高钢管 生产水平。 本文首先对研制的新型的钢管铣头倒棱机系统结构做了详细介绍：包括总体结构、 动力头和进给机构。其中对于动力头又做了系统结构细分，分为电机、无级变速器、支 撑箱体、大盘旋转传动机构、主轴动力系统和刀盘机构，并一一做了介绍。在两刀盘机 构中，倒棱刀盘采用仿形浮动机构，能使倒棱加工满足要求的公差范围。该新型倒棱机 能够满足加工范围的要求，其值能达到外径4 2 6 一中7 1 0 姗，壁厚5 8 0 啪。其次针对 动力系统的加工工艺及参数，进行了详细计算，选取合适的电机与变速器、设计齿形带 传动与差动行星轮传动以及对于关键轴进行了强度校核和有限元分析。再次，运用 p r o e n g i n e e r 软件对于动力头系统进行了简化建模与装配，模拟其运行状态，进行运动 学分析。最后，简单地对于倒棱机控制系统进行了阐述与设计。 关键词：大口径厚壁钢管加工全自动钢管铣头倒棱机随动齿轮机构差动行星轮传动 钢管仿形加工 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fc h i n a ss t e e lp i p ep r o d u c t i o n c a p a c i t ya n dt h ev i g o r o u sd e v e l o p m e n to fm a r k e te c o n o m y , t h en e e d so fl a r g e - d i a m e t e r ， t l l i c k - w a l l e d ，h i g h g r a d es t e e lp i p ei sg r a d u a l l yi n c r e a s i n gf o r t h em a r k e t a th o m ea n da b r o a d ， t h et e c h n o l o g yo fo r d i n a r ys t e e lp i p ec h a m f e r i n gm a c h i n ei sr e l a t i v e l ym a t u r e ，b u tw i t ht h e e x p a n s i o na n dd e v e l o p m e n to ft h ef i e l do fs t e e lp i p ea p p l i c a t i o n ，i t se x i s t i n g t e c h n i c a l p r o b l e m se m e r g e di n c l u d i n gt h es t a b i l i t yo fc h a m f e r i n gm a c h i n es y s t e m n e e d st ob e i m p r o v e d ，t h ep r o c e s s i n gr a n g e ( d i a m e t e r , w a l lt h i c k n e s s ) n e e d s t ob ee x p a n d e da n ds oo n i n 2 0 0 4 ，t i a n j i nu n i v e r s i t y o ft e c h n o l o g ya n dt h e l o n g - t e r m s t e e l p i pe e q u i p m e n t m a n u f a c t u r i n gc o m p a n yj o i n t l yi n v e n t e da n dm a n u f a c t u r e ds t e e lp i p ec h a m f e r i n gm a c h i n e w h i c hh a di n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t s o n t h i sb a s i s ，t h e d e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e dn e wa u t o m a t i cs t e e lp i p em i l l i n g - h e a dc h a m f e r i n gm a c h i n e ，i nt h i sp a p e r , i s a b l et oa c h i e v el a r g e d i a m e t e r , t h i c k w a l l e ds t e e lp i p em i l l i n g - h e a dc h a m f e r i n g a n d a u t o m a t i c a l l ya n de f f i c i e n t l yp r o d u c tm i c k - w a l l e ds t e e lp i p e a n di n c r e a s es t e e lp i p e p r o d u c t i o nl e v e l s f i r s to fa l l ，t h es t r u c t u r eo ft h en e wd e s i g n e ds t e e lp i p em i l l i n g - h e a dc h a m f e r i n gm a c h i n e i sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r , w h i c hi n c l u d i n go v e r a l ls t r u c t u r e ，p o w e rh e a da n df e e dm e c h a n i s m t h ep o w e rh e a di sd i v i d e di n t oan u m b e ro fs y s t e ms t r u c t u r e ，i n c l u d i n gm o t o r , c s u p p o r t h o u s i n g ，t h et a p e r o t a t i o na n dt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m ，s p i n d l ep o w e rs y s t e ma n dt h ec u t t e r m e c h a n i s m a n di sd e s c r i b e di nd e t a i l b e t w e e nt h et w oc u t t e rm e c h a n i s m s ，t h ec h a m f e r i n g c u t t e rm e c h a n i s m ，w h i c hu s e dp r o f i l e - m o d e l i n gf l o a t i n gm e c h a n i s m ，e n a b l e sc h a m f e r i n gt o m e e tt h er e q u i r e m e n t sf o rt h et o l e r a n c er a n g e t h en e wc h a m f e r i n gm a c h i n ei sa b l et om e e t t h er e q u i r e m e n t so ft h ep r o c e s sr a n g ea n di t sd a t ai st h eo u t s i d ed i a m e t e r0 4 2 6 - 0 710 m ma n d w a l l t h i c k n e s s5 8 0 m m s e c o n d l y , t h ep r o c e s sa n dp a r a m e t e r so ft h ep o w e rs y s t e ma r e c a l c u l a t e da n dt h em o t o ra n dc v ta r es u i t a b l ys e l e c t e d t h et o o t h e dt a p e - d r i v em e c h a n i s m a n dt h ed i f f e r e n t i a lp l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s ma r ed e s i g n e da n dc a l c u l a t e da n d t h es t r e n g t ho fk e ya x i si sc h e c k e da n da n a l y z e db ya n s y s t h i r d l y , t h ep o w e rh e a ds y s t e m i s s i m p l ym o d e l e da n da s s e m b l e d ，a n d i t sr u n n i n gs t a t ei ss i m u l a t e da n da n a l y z e db y p r o e n g i n e e r f i n a l l y , t h ec o n t r o ls y s t e mo fc h a m f e r i n gm a c h i n ei ss i m p l yd e s c r i b e da n d d e s i g n e d k e yw o r d s ：t h el a r g e - d i a m e t e r & t h i c k - w a l l e ds t e e lp i p ep r o c e s s i n g ，a u t o m a t i cs t e e lp i p e m i l l i n g h e a dc h a m f e r i n gm a c h i n e ，t h ed i f f e r e n t i a lp l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o n m e c h a n i s m ，t h ef o l l o w e rg e a rm e c h a n i s m ，t h es t e e lp i p ep r o f i l e - m o d e l i n g p r o c e s s i n g 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义一1 1 1 1 钢管生产的市场需求及其发展趋势1 1 1 2 钢管的制造工艺及端面平头倒棱的意义1 1 2 国内外全自动钢管铣头倒棱机的研究现状及未来发展趋势2 1 2 1 国内外全自动钢管平头倒棱机的研究现状一2 1 2 2 全自动钢管平头倒棱机未来发展趋势3 1 3 课题的来源和研究内容4 第二章新型全自动钢管铣头倒棱机的结构设计5 2 1 普通钢管平头倒棱机的结构分析5 2 1 1 普通平头倒棱机适用钢管规格一5 2 1 2 普通钢管平头倒棱机的结构及其工作原理5 2 1 3 普通平头倒棱机的局限性6 2 2 新型全自动钢管铣头倒棱机设计方案的选择与可行性分析6 2 3 新型全自动钢管铣头倒棱机的设计要求及其参数7 2 3 1 新型全自动钢管铣头倒棱机的性能特点7 2 3 2 倒棱机动力头的技术指标及设计参数7 2 4 新型全自动钢管铣头倒棱机的结构设计一8 2 4 1 钢管铣头倒棱机总体结构设计8 2 4 2 大盘旋转传动机构的设计9 2 4 3 主轴动力系统的设计9 2 4 4 刀盘机构的设计11 2 4 5 进给机构的设计1 3 2 5 其他辅助机构一夹紧机构的设计1 3 2 6 铣头倒棱机的工作原理1 4 第三章钢管铣头倒棱机动力系统的设计1 5 3 1 铣头倒棱机的加工工艺及参数的选择与计算15 3 1 1 铣头倒棱机的加工范围15 3 1 2 铣头倒棱机加工参数的选定与计算1 6 3 2 中心齿轮轴的强度校核2 1 3 2 1 中心齿轮轴的强度计算2 1 3 2 2 中心齿轮轴的有限元分析2 4 第四章钢管铣头倒棱机动力系统的运动学分析3 2 4 1 倒棱机动力头的p r o e 建模及装配3 2 4 1 1p r o e n g i n e e r 简介3 2 4 2 2 各机构的装配与总装3 2 4 2 倒棱机动力系统的运动学分析3 4 4 2 1 动力头运动设计工作流程3 4 4 2 2 运动学分析3 5 第五章倒棱机的控制方案的设计3 9 5 1 倒棱机系统运动控制分析3 9 5 2 控制系统的总体方案设计4 0 5 3 控制系统的干扰源分析以及防护措施4 1 第六章结论与展望4 3 6 1 结论4 3 6 2 展望4 3 参考文献4 5 发表论文和科研情况说明4 7 致谢4 8 第一章绪论 第一章绪论 本章中，介绍了本论文所研制的新型钢管铣头倒棱机的研究背景及意义，阐述了国 内外钢管倒棱机的发展现状及存在的问题，提出了本文所要研究的内容及目的。 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 钢管生产的市场需求及其发展趋势 近些年，随着我国钢管生产能力的不断提高以及市场经济的蓬勃发展，我国的钢管 业务在飞速的发展：随着改革开放的深化与世界贸易合作的深入发展，我国同国际上其 他国家的能源开发合作的步伐在加快，钢管的出口量在不断增加；在国内，我国对于基 础设施建设如西气东输、南水北调等工程的投入也在不断加大。因此结合我国经济建设 与发展，市场对于钢管的生产制造有很大需求。本世纪开始，伴随着我国能源开发力度 的不断加大，为了满足一些如石油、天然气、高压电路线输出等特殊领域的发展，对于 大口径、大壁厚、高钢级的钢管的需求也越来越多。 1 1 2 钢管的制造工艺及端面平头倒棱的意义 钢管按照制造工艺的不同，分为无缝钢管和焊管两大类： 1 ) 焊管的制造工艺流程为：原材料开卷平整端部剪切及焊接活套一 一成形焊接内外焊珠去除预校正感应热处理定径及矫直检 查切断精整( 去毛刺、平端面、倒棱) 水压测试酸洗最终检查一 一标识、包装入库、出库。 2 ) 无缝钢管的制造工艺流程为：热轧无缝钢管主要生产工艺：管坯准备及检查 管坯加热穿孔轧管荒管再加热定径热处理成品管矫直 切断精整( 去毛刺、平端面、倒棱) 检验标识、包装出库，冷 轧( 拔) 无缝钢管主要生产工艺：管坯准备酸洗润滑冷轧( 拔) 热处理一 一矫直切断精整( 去毛刺、平端面、倒棱) 检验标识、包装入库、 出库。 从制造工艺流程可以看出，无论是焊管还是无缝钢管，其工艺流程中均需要精整工 序包括去毛刺、平端面和倒棱的加工，如图卜1 为钢管精整后的端面。因此钢管自动化 生产线中精整环节必须配置高性能、全自动化的平头倒棱机设备，对所生产的钢管进行 深加工，以满足大批量、高效率、低成本地生产高质量及高附加值的钢管，这样才能满 足市场要求。 第一章绪论 图卜1 钢管端面 1 2 国内外全自动钢管铣头倒棱机的研究现状及未来发展趋势 1 2 1 国内外全自动钢管平头倒棱机的研究现状 国外钢管平头倒棱机的发展相对比较成熟，包括设备质量、装机水平、控制精度以 及加工质量都比较高，具有代表性的倒棱机生产企业有美国的p m c 公司和德国的r e i k a w e r k 公司。美国p m c 公司生产的平头倒棱机的主要结构特点是：动力头采用了液压伺服 系统，响应速度快；导轨轴承采用了带有预紧力的滚柱直线轴承，保证倒棱机刀盘切削 时系统稳定，承载能力大；刀盘装有冷却系统对刀具进行冷却，能有效地延长刀具寿命； 步进传动采用了液压马达机构，速度快，运行平稳；夹紧装置采用了锁紧夹紧与浮动夹 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。德国r e i k aw e r k 公司 的平头倒棱机的主要结构特点是：主机头进给采用了电机伺服系统，低速性好，维护方 便；导轨轴承采用了无预紧系统的直线滚柱轴承，主要用于负载较轻的场合；无冷却系 统，带有排屑运输装置；步进传动采用了电机减速机构1 。 2 1 世纪初期，在我国有少数几个生产无缝钢管的大公司为适应石油、天然气、高压 电路线输出等领域的发展需要，投巨资从国外采购钢管倒棱机，用于钢管生产机组精整 线上，对钢管的两端面进行去毛刺、平端面和倒棱，经倒棱机处理后的钢管生产成本大 幅度降低、经济效益大幅度提高，还大量出口到国外。仅管如此，随着市场需求的扩大， 引进的倒棱机设备远远满足不了国内企业发展的需求，2 0 0 2 年，天津某钢管公司从生产 需要出发，与中国重型机械研究院达成合作协议，由中国重型机械研究院结合其公司的 设备特点，开发研制具有中国自主知识产权的钢管平头倒棱机成套设备。 我国重型机械研究院在国内没有先例，国外核心技术封锁的情况上，组织专业技术 人员克服种种困难，终于丌发研制出中国第一台钢管平头倒棱机设备，并形成自己产品 第一章绪论 的鲜明特色和技术特点：钢管端面定位方面，在国内外平头倒棱机设备上首次采用二 次定位方式即初定位和精定位，定位精度高，管端定位装置采用了液压缓冲挡板结构形 式，无噪音。平头倒棱机机头进给机构的导轨采用了带预紧力的直线滚柱导轨方式， 增强了设备的刚度及稳定性。平头倒棱机的步进送料装置采用比例阀控制液压马达传 动的结构或电机减速器机构形式，可依据不同的钢管规格调整运行速度，不仅节省送料 时间，又能保证钢管运行平稳。平头倒棱机机头前的升降装置，采用机械锁液压缸结 构，工作稳定可靠。平头倒棱机电气控制系统，采用全面网络技术，所有控制单元以 通讯方式连接在网上，实行远程布置，集中控制，充分应用信息流信息，灵活多变，在 满足设备工艺多样性要求的同时完善了设备自我诊断和保护功能，可以方便地了解到产 品信息及机组工作状态情况，并能进行参数设定，这些控制措施大大地提高了生产效率。 平头倒棱机的人机界面，使用工控机和有关控制软件，画面生动活泼，富于人性化。 夹紧机构采用两点式夹紧方式，能夹紧弯曲钢管而不损坏钢管表面质量，特别是生产 厚壁钢管和较为弯曲钢管时，更能显示其优越性，采用了带有锁紧夹紧机构和浮动夹紧 机构，提高了倒棱机设备的刚性和稳定性，从而保证了倒棱机在切削厚壁钢管时整体设 备的牢固可靠。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棱 后的钝边质量问题，倒棱后钝边尺寸均匀，符合a p i 标准的质量要求；带有冷却系统， 对刀具进行冷却，有对切屑的冲洗功能。进给系统可根据用户要求采用液压伺服系统 或电机伺服系统。在天津1 6 8 平头倒棱机、宝钢中1 8 0 平头倒棱机及成都3 4 0 平头倒 棱机的进给系统均采用液压伺服系统。衡阳华菱钢管有限公司的3 4 0 平头倒棱机、成 都无缝钢管管加工厂的4 2 6 平头倒棱机，采用了最新的伺服电机进给系统。伺服电机进 给系统的优点是采用了伺服电机与滚珠丝杠直联，进给精度高、低速性好，维护方便陆1 。 这样，随着倒棱机技术在我国的研究与发展，其技术水平逐渐成熟，越来越多的钢 管生产企业引进倒棱机设备，我国高品质钢管的生产能力也得到迅猛的扩张。 1 2 2 全自动钢管平头倒棱机未来发展趋势 目前国内外对于普通平头倒棱机的研究技术已经趋于成熟，但是随着钢管应用的领 域扩大跟发展，其存在的技术问题也随之浮现，解决以下问题，才能促进平头倒棱机 的改进和发展，也是钢管倒棱机未来的研究发展方向。 1 ) 随着钢管应用范围的扩大，包括石油管道、天然气管道、城市地下线缆、水资 源管道等，其应用范围的扩大要求钢管的规格范围也在不断增多：包括钢管直径范围的 增大、壁厚的增大、钢管生产能力的提高，因此对倒棱机设备的加工稳定性、系统控制 精确性以及自动化程度提出了更高的要求。 2 ) 随着钢管应用领域的不断发展，对钢管壁厚的要求也越来越清晰，对于厚壁的 钢管，目前已有平头倒棱设备远远不能生产需求，当钢管管壁厚度超过3 0 r a m 时就出现 第一章绪论 设备抖动、加工面波纹状及刀具寿命差、加工效率低等问题。而且不能对壁厚超过4 0 r a m 钢管进行加工，这就远远满足不了钢管加工要求以及市场需求。因此，扩大倒棱机设备 的加工范围是钢管倒棱机目前需解决的问题。 3 ) 直缝焊管领域的技术关键是解决外浮动机构与受力变化的关系，应考虑采用伺 服方式来解决此难题。 4 ) 目前随着钢管需求的不断增大，市场上需要更多的不同规格的钢管，因此提高 钢管生产效率尤其是大口径厚壁钢管平头倒棱的工作效率也是倒棱机设备领域需要解 决的问题。 本课题的研究就是为了实现大口径厚壁钢管的铣头倒棱，实现厚壁钢管生产的自动 化、高效率，提高钢管生产水平。由于我国在这方面起步晚，当时国内一些企业设计开 发的许多钢管倒棱机都只能用于直缝焊管和螺旋焊管生产，其结构简单，技术水平低， 自动化水平低，产品质量不稳定，维护次数多，更关键的是都无法满足壁厚达到8 0 姗 时钢管的铣头与倒棱。为了能够实现大口径厚壁钢管的铣削端面与倒棱的自动化、高效 化，本课题的研究很有必要。 1 3 课题的来源和研究内容 近年来，随着能源包括石油、天然气、电力的开发利用及运送，需要各种技术要求 和高质量的钢管做支撑，结合我国钢管生产发展的需求，2 0 0 4 年，天津理工大学与长期 进行钢管加工设备制造的公司合作，共同开发研制了拥有自主知识产权的钢管平头倒棱 机。目前的加工钢管管径的范围为1 4 0 一6 1 0 ，壁厚范围达到3 0 m m 。为了能够扩大加 工范围，满足市场需求，需研制满足需求的新型钢管倒棱机，本课题研究的新型钢管铣 头倒棱机是天津市科技支撑重点项目，项目编号为0 9 z c k f g x 0 2 9 0 0 。 本课题的研究内容： 1 ) 设计研制了满足新型功能要求的钢管铣头倒棱机系统，包括总体结构、动力头 和进给机构。其中对于动力头又作了系统结构细分，分为电机、无级变速器、支撑箱体、 大盘旋转传动机构、主轴动力系统和刀盘机构，并一一进行了设计。设计研制的新型倒 棱机能够满足加工范围的要求，其值能达到外径4 2 6 一中7 1 0 m m ，壁厚5 8 0 姗。 2 ) 针对动力系统的加工工艺及参数，进行详细计算，选择合适的电机与变速器并 针对齿形带传动与差动行星轮传动进行设计以及对于关键轴进行了强度校核和有限元 分析。 3 ) 运用p r o e n g i n e e r 软件对于动力头系统进行简化建模与装配，模拟其运行状态， 进行运动学分析。 4 ) 对于倒棱机控制系统进行阐述与设计。 第二章新型全自动钢管铣头倒棱机的结构设计 第二章新型全自动钢管铣头倒棱机的结构设计 在本章中，首先介绍了普通钢管平头倒棱机的结构及其加工范围，指出其存在的不 足，针对其问题提出了三种解决方案，采用第三种解决方案，设计了新型的钢管铣头倒 棱机。并针对其动力头部分进行了详细地结构介绍，包括大盘旋转传动机构、主轴动力 系统、刀盘机构和进给机构等。并阐述介绍了新型倒棱机的工作原理。 2 1 普通钢管平头倒棱机的结构分析 2 1 1 普通平头倒棱机适用钢管规格 普通平头倒棱机适用钢管外径为1 4 0 卜4 2 6 o m m ，壁厚为5 4 0 i i l i i l 。 2 1 2 普通钢管平头倒棱机的结构及其工作原理 平头倒棱机由底座、进给机构、机头( 如图2 1 所示) 和夹紧装置构成，机头包括 交流电机、动力头、刀盘、倒棱刀具和平头刀具。机头沿钢管轴向方向的进给运动由进 给机构实现。交流电机通过动力头的传动将动力传动到主轴上，主轴上装有刀盘，刀盘 钢锊 倒拔刀建 交流i l l 桃 动力失 乎文刀具刀盘 _ _ _ _ - - _ _ _ - _ o _ - - _ _ _ _ 一 图2 1 普通平头倒棱机机头 第二章新型全自动钢管铣头倒棱机的结构设计 上装有倒棱刀具与平头刀具，刀具可在刀盘上调整位置以适应不同管径钢管的端面加 工。倒棱刀具设有仿形浮动机构，仿形浮动机构有燕尾导向的仿形浮动和杠杆式导轨导 向的仿形浮动两种形式。 2 1 3 普通平头倒棱机的局限性 普通的钢管平头倒棱机的加工方式是刀具与刀盘的相对位置是固定的，由于受切削 刃长度及强度的限制，普通钢管平头倒棱机在加工钢管壁厚超过3 0 m m 时要求刀具的切 削刃足够长，这样就导致切削加工时切削力增大，刀具承载力增大，容易发生打刀或崩 刃现象而且还会出现设备抖动、加工面波纹状及刀具寿命差、加工效率低等问题，所以 一般不能对壁厚超过4 0 m m 的钢管进行加工，这就远远满足不了市场对大e l 径厚壁钢管 的加工要求。因此，研制新型的钢管倒棱机以满足以满足市场需求就很有必要。 2 2 新型全自动钢管铣头倒棱机设计方案的选择与可行性分析 新型的全自动钢管铣头倒棱机要求能够扩大加工范围：实现直径较大的钢管加工以 及钢管壁厚达到8 0 m m 的加工。为了能够达到设计要求，铣切头的设计改进成为关键， 采取传统的加工方式无法达到设计要求。为了使刀具加工范围扩大，需采用铣刀，而铣 刀是要求带有动力实现自身回转的刀具，要实现在铣切头上的两铣刀的自身回转运动可 采用仿形飞锯机切割钢管的原理：钢管固定夹紧，飞锯头上的大刀盘装有两个带有各自 动力的可自转运动的锯片，通过大刀盘的转动以及锯片的自转实现对钢管的切割，并且 两锯片通过伺服装置可实现直径方向的进给，从而达到加工不同直径的钢管的目的。基 于此原理，铣刀不仅可以自转还可以实现沿着钢管端口的圆周方向实现圆周进给运动， 即刀盘需要与工件钢管有相对转动，并且还可实现铣切头沿钢管直径方向的进给运动。 综合以上分析，新型全自动铣头倒棱机动力头要实现的工作方式为：大盘与钢管需 要有相对转动，以实现刀具沿钢管端面圆周方向的进给；倒棱刀具和平端面刀具均采用 铣刀，需要动力供给实现自身回转运动；两铣刀需要带有径向进给运动装置实现径向进 给，能够加工不同直径的钢管；整个铣切头需要能够沿钢管轴线方向实现进给运动。 针对以上设计要求，提出以下三种设计方案： 方案一，铣刀自备动力，其动力来源电机安装在大盘上：大盘自身也要转动， 其动力来源电机安装在移动底座上，这样能实现铣刀的自转与公转，满足加工要求； 钢管采用夹紧机构固定夹紧。这一方案要求大盘转动一定圈数，这就使得铣刀动力与控 制的线缆也需要跟着做旋转运动，线缆承载收放问题的解决会使结构很复杂。其优点是 铣刀自转与大盘公转各自配备动力，能够方便控制，控制系统的设计会简单高效。 方案二，铣刀只进行自转，其电机安装在大盘上，大盘固定不旋转，使钢管绕自身 轴线旋转，工件钢管的旋转依靠夹紧装置夹紧进行旋转，实现铣刀相对钢管的公转。该 设计方案的优点是动力头结构简单，难点是由于钢管的长度、直径和重量的影响，很难 第二章新型全自动钢管铣头倒棱机的结构设计 让其实现夹紧转动并保证加工精度。 方案三，铣刀的动力来源由大盘的动力提供：由大盘的转动通过传动装置将动力传 递给铣刀。大盘的转动相当于铣刀绕钢管轴线的公转，即铣刀在加工过程中既实现绕自 身轴线的自转，又实现绕工件轴线的公转。这一设计方案动力来源只有一个，可在大盘 上装行星轮系来实现自转与公转的同时进行。这一方案的优点是既不存在线缆缠绕收放 的问题，也不存在钢管旋转的问题，但是这一设计方案中使得大盘的转速即刀具沿钢管 端口圆周方向的进给运动与铣刀刀具的转速有了一定的关系，从而使得控制方面很难实 现，这一方案中刀具的径向进给的实现也是难点。 本课题的研究拟采取方案- - - ：目前，差动行星轮系的传动与控制已经相当成熟再基 于仿形铣切锯的工作原理，这一方案可行。在方案三中，其传动机构的设计是关键，如 何设计传动机构使得既满足铣刀自转与相对钢管圆周方向的公转，又能适应不同的加工 管径，直接决定了倒棱机的加工范围和加工精度。 2 3 新型全自动钢管铣头倒棱机的设计要求及其参数 2 3 1 新型全自动钢管铣头倒棱机的性能特点 为了满足钢管铣头倒棱机的加工工艺，本文设计的新型倒棱机应该具有以下功能和 特点：在满足加工工艺的条件下，倒棱机的结构设计最优，制造难度最低，生产成本 最低。能加工一定管径范围和壁厚的钢管，对于同批同管径的钢管仅需调整一次加工 设备。在一次送料一次夹紧的情况下实现钢管端面的加工，保证2 h i 效率；能够实 现不同的倒棱角度，以适应不同的生产需求。能够实现主轴、大盘和进给系统的同步 控制和闭环控制，控制进度高，以获得稳定的加工质量。能够方便地与上位机系统连 接，易于与上位机通讯，使用通用的串行接口，并确定上下位机间的通讯协议，便于上 位机和下位机的数据共享和交换。用户操作界面良好，监控界面监控信号全面，用户 不仅可通过上位机的监控界面监视现场的各种传感器信号和报警信号，还可以方便地进 行系统的参数设定和数据的处理。 2 3 2 倒棱机动力头的技术指标及设计参数 1 ) 适用钢管规格：外径4 2 6 一7 1 0 m m ，精度1 ；壁厚5 8 0 咖，精度1 5 ； 长度6 0 0 0 1 8 0 0 0 m m ；加工外倒角0 4 5 。；材质：低合金刚如q 3 4 5 等，合金钢如2 5 m n 2 v 、 3 4 m n 2 v 、4 2 m n m 0 7 、3 4 c r m 0 4 、1 2 c r l m o v 等，碳钢如4 5 钢等；钢管弯曲度：1 5 m m m ； 钢管椭圆度：1 5 ；端面状态：矫直后冷锯9 0 。( l 。) 。 2 ) 刀具转速范围为o 一1 0 0 0 r p m ，大盘转速范围为0 - 5 0 r p m 。 3 ) 质量要求：2 h i 完成后去除钢管端面毛刺，钢管端面与倒棱面光滑平整，粗糙 度不低于r a l 2 5 ，加工过程中不能损伤钢管管体。 第二章新型全自动钢管铣头倒棱机的结构设计 4 ) 结构要求：在满足加工功能的情况下，动力头结构设计要求达到最简、最优： 传动装置的设计要求能够达到高精度、高效率、易于安装、便于维修；要求质量最轻、 方便生产制造；要求设计的结构能够有效地实现自动化控制。 5 ) 性能要求：设计研制的新型倒棱机动力头要求其刚度、强度、以及加工稳定性 达到加工要求，在结构最优、生产成本最低的情况下实现动力头性能的要求。 6 ) 安全要求：配备必要的安全保护措施，防止加工工件或者运料时将设备或钢管 意外损坏。 2 4 新型全自动钢管铣头倒棱机的结构设计 2 4 1 钢管铣头倒棱机总体结构设计 新型铣头倒棱机由固定底座、移动底座、进给机构和动力头组成，如图2 - 2 所示。 图2 2 新型平头倒棱机 1 固定底座2 移动底座3 进给机构4 动力头5 钢管 1 ) 固定底座为钢板焊接板型结构，下表面安装在基础上，上表面安装有两根直线 导轨。 2 ) 移动底座为钢板焊接板型结构，下表面安装有滑块并与固定底座的直线导轨形 成滑动配合，上表面安装有电机、变速器与动力头。 3 ) 进给机构由驱动电机、减速机、滚珠丝杠及螺母、滚珠丝杠支座等组成。 4 ) 动力头包括电机、无级变速器、支撑箱体、大盘旋转传动机构、主轴动力系统 和刀盘机构，变频电机、无级变速器和支撑箱体固定于移动底座的上表面。 第二章新型全自动钢管铣头倒棱机的结构设计 2 4 2 大盘旋转传动机构的设计 图2 3 大盘旋转传动机构 1 大盘2 圆锥滚子轴承3 中心齿轮轴4 支承座5 支撑箱体6 齿形传送带7 电机 8 无级变速器9 轴i 1 0 齿轮i1 1 轴i i1 2 齿轮i i1 3 支承座1 4 大齿轮 如图2 3 ，大盘通过一对圆锥滚子轴承安装在支撑箱体内的支承座上，电机通过齿 形传送带带动中心齿轮轴旋转，中心齿轮轴通过其上面的齿轮与齿轮i 啮合，齿轮i 带 动轴i 旋转，轴i 将动力传入到无级变速器中，无级变速器通过调速后将动力输出到轴 i i 上，轴i i 带动齿轮i i 旋转，齿轮i i 与大齿轮啮合，大齿轮通过键配合带动大盘旋转。 轴i 和轴i i 通过圆锥滚子轴承安装在支撑箱体以及内部的支承座上。大盘转速的调整由 可调的电机转速和无级变速器的传动比控制。 2 4 3 主轴动力系统的设计 主轴动力系统( 如图2 4 ) 包括中心齿轮传动和随动齿轮传动机构，主轴即铣刀的转 速通过调节变频调速电机的转速控制。 中心齿轮的转动是由变频调速电机通过齿形传送带将动力传送到中心齿轮轴上，中 心齿轮通过键配合安装在中心齿轮轴上，进而实现中心齿轮的旋转。由2 4 2 小节和本 第二章新型全自动钢管铣头倒棱机的结构设计 节的结构阐述得出：大盘旋转传动机构与主轴动力传动都需要经过中心齿轮轴传动，因 此，中心齿轮轴的轴设计在整个传动系统中非常关键。 图2 4 主轴动力系统 1 中心齿轮2 压盖3 固定支架轴4 固定齿轮5 连杆i6 心轴7 过渡齿轮 8 连杆i i9 移动支架1 0 移动支架轴1 1 随动齿轮 随动齿轮传动机构的功能是一方面能够将动力从中心齿轮传递到主轴上，另一方面 能够适应不同管径钢管的加工。 随动齿轮传动机构由固定支架轴、固定齿轮、连杆、心轴、过渡齿轮、移动支架轴、 随动齿轮和移动支架组成，固定支架轴固定在大盘底面，固定支架轴上装配有固定齿轮， 固定齿轮与中心齿轮啮合，在大盘旋转时固定齿轮不仅绕自身轴线自转同时还绕中心齿 轮轴轴线实现公转，其传动为差动行星轮系传动。移动支架与刀盘机构的过渡板固定， 移动支架内装有移动支架轴和随动齿轮，在固定支架和移动支架之间设有过渡齿轮和心 轴，心轴和两个支架由两套连杆形成可旋转连接。固定齿轮、过渡齿轮和随动齿轮依次 啮合并将动力和运动传递给主轴。为实现不同口径钢管的加工，主轴需要沿大盘径向方 第二章新型全自动钢管铣头倒棱机的结构设计 向移动，当主轴移动即刀盘位置移动时移动支架内的随动齿轮随刀盘位置沿径向移动， 过渡齿轮绕着随动齿轮和固定齿轮摆动。随动齿轮传动机构设有两套，分别通过移动支 架和移动支架轴与主轴间的联轴器与倒棱刀盘机构和铣平面刀盘机构连接。 2 4 4 刀盘机构的设计 刀盘机构( 如图2 5 ) 包括倒棱刀盘机构和铣平面刀盘机构并安装在大盘上且呈1 8 0 度布置。两个刀盘机构的过渡板通过两条导轨与固定在大盘上的底板构成移动配合，通 过调节过渡板与底板间的径向移动调节装置使得刀盘能够沿大盘径向移动并实现刀盘 公转半径调整，以适应不同管径钢管的加工。 图2 5 刀盘机构 1 大盘2 底板3 导轨4 过渡板5 弹簧装置6 径向移动调节装置7 倒棱铣刀 8 仿形臂9 辊轮1 0 端面铣刀 1 ) 倒棱刀盘机构： 倒棱刀盘机构包括过渡板、刀柄装置、主轴、倒棱铣刀和仿形机构组成，其中倒棱 铣刀采用专用成型铣刀，成型铣刀的锥角和工件倒棱角度相同。主轴通过轴承支撑在刀 柄装置的轴套中，通过联轴器与随动齿轮传动机构的移动支架轴连接。仿形机构包括辊 轮、仿形臂和弹簧装置。 由于钢管壁厚不均匀，管壁圆度的误差比较大，倒棱刀盘机构必须设有仿形浮动机 构，才能使倒棱满足要求的公差范围。倒棱铣刀通过刀柄装置以及辊轮通过仿形臂都装 在过渡板上，过渡板与底板之间设有带阻尼的弹簧装置及径向移动调节装置。仿形浮动 机构采用内靠模浮动式，通过辊轮靠模模仿钢管内壁的圆弧，使刀盘行走轨迹与钢管内 第二章新型全自动钢管铣头倒棱机的结构设计 壁曲线相似，如图2 6 所示，这样刀盘在半径方向有一定的浮动，此仿形浮动功能由弹 簧装置实现。 图2 - 6 钢管内径变化图 仿形浮动加工实现方法如下：假设在加工前，根据钢管的加工要求将刀盘的位置通 过径向装置调整好来对刀，并假设钢管内径变化如图2 - 6 所示，当辊轮刚好处于图中加 工位置a 处时，钢管内径为r 通过调节弹簧装置的调节螺钉给弹簧一个适当的预紧力， 使得辊轮压在钢管内壁，随着大盘的旋转，加工位置从a 处转到b 处过程中，钢管内径 从见增大到r ，受弹簧张力的作用，辊轮始终压在钢管内壁，弹簧装置带动刀盘上的 辊轮与铣刀从a 处运动到b 处；当加工位置从b 处转到c 处过程中，钢管内径从r 减小 到尼，此时辊轮受到内壁压力的作用，弹簧装置带动刀盘上的辊轮与铣刀从b 处运动到 c 处。因此由于受到压缩弹簧的作用，靠模辊轮始终靠在钢管内壁上，辊轮中心，铣刀 回转中心的运动曲线，都和钢管内壁曲线相一致，从而刀盘实现了仿形浮动的功能。采 用内靠模仿形浮动机构不仅能够抵消一部分倒棱铣刀倒棱过程产生的切削力，提高系统 稳定性，而且能使得钢管的设计基准与工艺基准相一致，确保切削后的钢管端面的倒棱 尺寸在一定公差范围内，有效地消除了钢管在直径方向上的不圆度对倒棱均匀度的影 响，使得端面倒棱能够达到较高的精度。 2 ) 铣平面刀盘机构： 铣平面刀盘机构包括过渡板、刀柄装置、主轴与端面铣刀组成。端面铣刀根据钢管 第二章新型全自动钢管铣头倒棱机的结构设计 壁厚选择合适的标准端铣刀，装在刀柄装置内的主轴中，主轴通过联轴器与随动齿轮传 动机构的移动支架轴联接，刀柄装置固定在过渡板上。 2 4 5 进给机构的设计 进给机构如图2 7 所示，包括驱动电机、减速机、滚珠丝杠及螺母、滚珠丝杠支座 等。其中伺服驱动电机通过减速机与滚珠丝杠直连，减小了传动间隙，能够保证传动精 度；滚珠丝杠通过轴承装配在滚珠丝杠支座内，支座通过螺栓固定在固定底座上；丝杠 螺母与移动底座连接，伺服电机通过减速机带动丝杠相对螺母旋转，由于螺母固定在移 动底座上不旋转，从而带动螺母、进而带动移动底座实现移动。移动底座通过滑块