钢管栏杆T形接头加工专用机具研制

钢管栏杆T形接头加工专用机具研制

一、小组概况

小组名称宁夏电力建设工程公司金制公司精益求精QC小组

成立时间2010年3月注册时间2012年3月

2012年3月一2012年

活动时间活动次数18次

9月

课题类型创新型小组人数9人

活动课题钢管栏杆T形接头加工专用机具研制

文化小组职TQM培

序号姓名工龄冈位小组分工

程度务训

1马刚17大专技术专责组长方案策划

2田野15大专主任工程师组员技术指导

3刘立峰7本科副主任工程师组员技术指导

4顾凯16大专副经理组员技术指导全部取得

5杜忠22大专钾工一班班长组员方案实施TQM

6王建兴4本科技术员组员方案实施合格证书

7吴宝园4本科技术员组员调查发布

8周斌21大专组员检验调查

9贾向东17大专钳工组员方案实施

二、课题简介

（一）、电厂建设需要大量的钢制栏杆作为安全防护设施，除设备栏杆是厂家供货外，

绝大部分均需现场制作。我公司承建的国电英力特宁东化工园区有热电、乙块等多个建

设项目，整体项目计划安装栏杆长度达3千多米，因此，现场加工制作的工作量大。

（二）、栏杆安装属于装饰工程，基本上按照标准图集制作安装，外观工艺要求：美

观，连接处焊接应牢固、接握严密，焊缝应饱满、均匀，不得有咬边、未焊满、烧穿和

弧坑等缺陷。

三.选择课题

（一）、问题的提出：

钢管栏杆是保护施工人员安全的重要设置，具备安装条件后就要及时安装。栏杆制

作工序为：下料一修割组对口一组对一焊接一消缺、校正。各工序大多为手工作业，加

工效率低。

修割组对口修割效果组对效果焊接效果

（二）、加工状况分析:

小组人员3月28日对制作一件6米长的栏杆（共30个T形接头）加工工序时间进

行调查，见下表:

栏杆各工序加工时间调查表

工序名称下料修口组对焊接校正合计

工序时间（分15521024516338

钟）

平均时间（分0.51.7038.20.511.3

钟）

调查人：杜忠制表：吴宝园制图：马刚日期：2012年3月28日

。下料

峭口

哪对

接

正

栏杆各工序加工时间饼状图

从饼形图中可以明显看出：栏杆T形接头的焊接所用时间最长。

（三）、焊接现状分析一：

小组成员认为焊接T形接头的焊接所用时间最长，因此对焊接上一道工序30个组对

口的对口间隙和焊接时间进行调查，见下表。计算得出对口平均间隙1.8毫米，焊接平均

时间8.2分钟。对口间隙和焊接时间调查表（注：★最小值♦最大值）

焊口编号1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#

对口间隙（毫20.72.41.7211.52.71.2

米）

焊接时间（分8.5698.59.568116.510.5

钟）

焊口编号11#12#13#14#15#16#17#18#19#20#

对口间隙（毫11.71.80.4★2.82.51.90.92.71.5

米）

焊接时间（分

6.5895十1010.597.511*7.5

钟）

焊口编号21#22#23#24#25#26#27#28#29#30#

对口间隙（毫

0.62.11.62.512.21.50.52.42.9

米）

焊接时间（分

5789.571075.5109.5

钟）

调查人：贾向东制表：马刚日期：2012年3月28日

（三）、焊接现状分析二：

小组根据对口间隙和焊接时间调杳结果绘制散在图。图中nI+nin=28,nH+nIV=2,

nl+nm>nn+nIV,为正相关。由图中可以说明焊接效率受组对间隙的影响较大，只有

提高接口质量，才能提高焊接效率。

对口间隙和焊接E寸间散布图制图：马冈!］日期：2012年3月28日

（四）、选择课题：

3月28日，小组成员通过调查发现，采用传统于工方法进行切割制作，即便规范各

工序要求，在制作时间方面，仍然无法满足安装工程进度及质量的要求。因此，针对传

统手工方法的不适宜性和不稳定性，我们QC小组确定对"栏杆T形接头”的加工制

作，必须要研制新型专用工具并使用来改变现有加工模式，以此来提高栏杆T形接头焊

接效率及加工质量。

因此，小组决定选择创新性课题：钢管栏杆T型接头加工专用机具研制

三.设定目标

（一）、设定目标

现加工工序中，采用传统的手工气割对接头进行修口，从调查表来看，组对间隙最

大3毫米，最小0.4毫米，说明手工切割导致质量不稳定，组对间隙不易控制，无法满

足焊接和质量的要求。因比，接下来要研制的〃栏杆T形接头加工专用机具〃必须要满

足如下要求，才能保证栏杆的加工效率。

课题目标：栏杆T形接头组对间隙41毫米且修口时间＜1.7分钟

研制目标：能够完成钢管（p40x3、（p33x3、3Oxl接头加工

（二）、目标值分析

1、栏杆T形接头组对间隙41毫米时，从调查数据中可得出平均焊接时间为6分

钟，比总的平均时间减少2.2分钟,30个接头共节约66分钟,焊接效率可提高26%。

2、现加工状态修口时间共52分钟，平均1.7分钟，课题目标接头修口时间定为＜

1.7分钟，有利于激发小组人员的创新能力。

五.提出方案并确定最佳方案

（一）、提出加工方案

小组经网络调查和同行咨询后，未发现有生产、销售类似的加工机具。于是小组成

员运用"头脑风暴〃法集思广益，结合多年的施工经验，对T形接头加工专用机具的加

工方式提出各种方案，并用亲和图归纳整理。

钻床切削方式

模具切割方式

研制冲剪机具，降低

采用铳刀切削加工，

使用靠模切割也氧气乙焕等消材的损耗

组对口尺寸精确

樨高蛆对口质量

机械操作降低劳动强度采用机械冲剪，

采用气割进行切割，小冲剪速度快效率高

蛆成员熟练，不用培训

机具使用要求研制周期较长，可锻炼

实施周期短，见效快小组创新能力

能够加工栏杆的各种类

型、规格的管件，加工

机具结构要求

机具成本低，可有

操作简单、方便、快

效提高经济效益

捷、安全性高机构简单，便于安装、使用

调查人：顾凯制图人：刘立峰日期：2012年4月16日

小组根据以上亲和图，决定从以下方案进行试验和分析，并绘制了加工方式模拟

图。

制图人：刘立峰日期：2012年4月16日

（二）、初步设想加工方案评价

L钻床切削方式

钻床切削方式试验分析表

方

试验分析特点

案

优点

1、利用现场钻床，购买与主管同直径的铳刀，安装在钻床

1、加工精度高

上对支管进行切削加工。

2、可实施周期短

2、加工工件规格：（p40x3圆管

3、施工人员劳动强度小

钻3、操作人数：1人

4、质量控制稳定

床4、操作时间：工件夹紧1分钟,切削加工3分钟（钻孔参

缺点

切数：转数150转/分钟，进给量0.1毫米/分钟,加工深度

1、加工效率低

削40毫米），共用时4分钟

2、机械设备台班、维护费用

方5、投入费用：（p40铳刀价钱为150元，（p50铳刀价钱

较大，铳刀片损耗较大，费

式为180元，加工6米长栏杆（30个T型接头）使用钻床台

用较高

班费用为(4/60)x30x12=24元

3、对机械依赖性较大，不利

6、本工程（3千米木二杆）预算总计费150+180+24X

于推广

(3000-6)=10330TL

4、具有较大的安全隐患

责任人：刘立峰制表：吴宝园试验日期：2012年4月18日

2、模具切割方式

模具切割方式试验分析表

方

试验分析特点

案

1、加工一个支管夹具，弧形端面偏大一个割炬距离，将割炬优点

靠在弧面进行切割，再翻转模具，切割支管另一面。1、加工效率较高

2、加工工件规格：q）40x3圆管2、可实施周期短

模3、操作人数：1人3、施工人员劳动强度较

具4、操作时间：工件夹紧1分钟，切割加工2分钟，共用时3小，操作比较熟练

切分钟缺点

割5、投入费用：切割模具一套（3种规格的工件）加工费用为1、加工精度低

方150x3=450元，加工6米长栏杆（30个T型接头）使用氧2、气割所使用的消耗材

式气的费用为（0.3-1）x25=7.5元，乙焕费用为（0.15-1）x料费用较大

90=13.5元3、具有一定的安全隐患

6、本工程（3千米栏杆）预算总计费用为450+（7.5+13.5）4、质量控制不稳定

x(3000-6)=10950元

责任人：田里予制表：吴宝园试验日期：2012年4月20日

3、机械冲剪方式

机械冲剪方式试验分析表

方案试验分析特点

1、研制专用的冲剪机具,结合机械优点

传动原理，利用冲刀对支管进行冲剪1、加工精度较高，质量控制稳定

机作业。2、加工效率高

械2、加工工件规格：（p40x3圆管3、安全隐患小

冲3、操作人数：1人4、可锻炼小组创新能力

剪4、操作时间：工件夹紧1分钟，切5、冲剪机具制作产生一定费用，加工后期无任

方割加工1分钟，共用时2分钟何费用

式5、投入费用：机具制作费用980元。缺点

6、本工程（3千米栏杆）预算总计L可实施周期较长

费用为980元2、施工人员劳动强度较大

责任人：马刚制表：吴宝园试脸日期：2012年4月22日

（三）、初步设想加工方案总体评价

小组成员结合三种方案的试验分析数据，从加工时间、加工精度（即组对口间隙允

许偏差）、投入费用及安全系数四方面综合考评，得出最佳方案。

最佳方案综合评价表

投入费

序加工加工时间加工精度安全考评评价

用

号方式（分钟）（mm）系数总得分结论

（元）

钻床切

14x30=120<0.5★10330低1+3+3+1=8不采用

削方式

模具切

23x30=90<0.910950中2+1+2+2=7不采用

割成

3机械冲2x30=60★<0.6980★高支3+2+1+3=9采用

男月式

★为最佳效果统计人：马刚制表：吴宝园日期：2012年4月23日

考评细则说明：每个考评项目中最佳效果计3分，次之计2分，最差方案计1分，

三种方案在五项考评项目中得分总和最高确定为最佳方案。

结论：最佳加工方式为机械冲剪方式。

（四）、最佳加工方案初步结构设计

1、经过论证和评价，小组成员一致认为自行研制一个栏杆T型接头加工专用冲剪机

具不仅安全性高，而且又利于发挥小组成员的创造能力,并对机械传动结构进行讨论，

确定了专用冲剪机具结构。

匚件锁凝机构刀架B轨机粒

冲7J

工件基板

专用冲剪机具结构初步设想图制图人：马刚日期：2012年5月10

日

2、初步设计的专用冲剪机具由传动机构、刀架导轨机构、工件夹紧机构和冲刀等几部分组

成，而冲剪方式又决定了冲刀形状和传动的机构。因此，我们从这几方面进行分析论证。

方专用冲剪机具研制

案

级冲剪方式~~冲刀类型~~传动机构~导轨机构~~夹紧机构

方////I

案

单

上

曲

偏

圆

弧

凸

圆

双V

螺

柄

向

下

形

面

心

柱

轮

型

级向栓

机

刀

刀

下

往

轴

机

型

楔

槽

方锁

头

头

构

构

压

复

锁

机

入

机

案紧

式

式

紧

构

式

构

制图人：顾凯日期：2012年5月10日

3、最佳加工方案初步结构设计论证

本工程所采用管件规格为：(p40x3、(p33x3、口30、1三种，小组以最大管径(p40x

3的管件为例，计算得出所需最大剪切力为3172公,〒力，动力传动机构需有增力作用，

将人体力量达到所需最大剪切力即可完成目标。

管件所需冲剪力计算表

剪切剖面示意图计算公式及结果

1、冲剪力计算公式：P=K*L*t*TP:平刃口冲裁力(N);K:安全系

数K=1.3L:冲裁周长(mm);t:材料厚度(mm);T:材料抗剪强度

(MPa);Q235为360MPa

—_131__3一

AL|'隼A■A2、A-A剖面冲剪力=L3x4x5x360xl.3=9880N

换算为公斤力9880N-9.81=1007公斤力

士21J-

B-B剖面冲剪力=1.3x8x4x360xl.3=15808N

换算为公斤力15808N<9.81=1611公斤力

C-C剖面冲剪力=1.3x21x3x360xl.3=31122N

换算为公斤力31122N-9.81=3172公斤力

3、所需最大剪切力为3172公斤力

制图：吴宝园计算：刘立峰日期：2012年5月22日

（四）、初步设计方案分解:

1、冲剪方式

序号冲男方式蝴图砌腔结论

机械结构简单，但冲刀行

程过长，冲男初段需要施

单向工件）

1（、加力量较大，上管壁内部不选

卜压式

尢支撑，会造成管壁变

形。

机械结构较为简单，但上

双向下管壁同时冲剪，需要施

2央只一一M不选

冲红

楔入式工件［_加力量较大，同时刀头材

质无法满足要求。

机械结构较为复杂，但上

上下下管壁分别冲剪，需要施

3选择

工与厂3

加力量相对较小，刀头材

型

质口」以满足要求。

制图人：马刚日期：2012年5月12日

2、冲刀类型

序号模拟图预期效果结论

样式简单，加工容易，刀

1圆形刀头头可旋转多次使用，但刀选择

沱/亦刃角度恒定，不能调整。

样式比较简单，可针对冲

2弧形刀头剪情况进行修磨刀力，但不选

不易加工，不可多次使用。

制图人：刘立峰制表人：王建兴日期：2012年5月13日

(1)、冲刀材质的确定

使用材料韧性特点来源效果结论

硬度一般，韧性较好，

工具钢490750加工一般不米用

多次使用易损坏

硬度身，韧性好，

弹簧钢720900加工好采用

多次使用不易损坏

(2)、冲刀形状的确定

冲剪工件分析图

Q

冲刀

口密薜山

主视图俯视图

制图人：顾凯制表人：王建兴2。12年5月13日

3、传动机构

序号传动机构模拟图预期效果结论

机构特点:凸轮匀速旋转，

带动从动件往复移动，滚

尺

子接触，摩擦阻力小，不易

1凸轮机构选择

力卜。摩擦，承载能力较大。

预期效果：机构简单，可

改进做往复运动。

机构特点：是原动件在用

力不太大的情况下，可产

■

生很大的压力，实现增力

2曲柄机构不选

作用。

预期效果：机构复杂，不

易加工，改进难度较大。

制图人：吴宝园制表人：马刚日期：2012年5月15日

4、导轨机构

序号导轨机构模拟图预期效果结论

机构简单,比较容易

.▲2J架

架不选

1rW

V型槽］加工，但滑动稳定性

，典

机构

机构较复杂，但加工

圆柱形

2刀架刀架质量易控制，滑动稳选择

机构

定良好。

1■导轨

制图人：刘立峰制表人：周斌日期：2012年5月16日

5、工件锁紧机构

传动

序号模拟图预期效果结论

机构

锁紧力天，

结构简西，

加工容易但

不选

锁紧速度

慢,

低。

锁紧力较

大，结构简

单，加二较

选择

复杂，但锁

紧速度快，

效率高。

制图人：王建兴制表人：吴宝园日期：2012年5月17日

（五）、最终方案确定

经过对最佳加工方案和分解方案的论证和评价，小组成员确定了最终方案。

方

案

级

方

案

单

曲

偏

上

弧

V圆

双圆螺

柄

面

心

向

下

柱

级向形轮型栓

机

刀

轴

往

下

型

槽

方楔刀机锁

头

构

锁

复

机

压

机

案入头构紧

紧

式

构

构

式

式

X

制图人：马冈！J日期：2012年5月21日

六.可行性论证

（一）、机具完成冲剪作业所需力计算

我们将凸轮直径初步设计为80毫米，压杆长度1000毫米,滚轮受力3172公斤力,

如将滚轮由A点提升到B点，计算得出：压杆需施加42公斤力。

机具传动机构受力分解论证图计算公式及结果

1、压杆所需最大剪切力计算公式：压杆压力=承受压力x凸

/12公'i力3172加心力

J—B康

轮减力系数x压杆减力系数

2、凸轮减力系数二凸轮半径差值+凸轮周长=18・110

'_80一=0.164

3、压杆减力系数=凸轮半径小压杆长度=80+1000=0.08

4、压杆压力二承受压力x凸轮减力系数X压杆减力系数

=3172x0.164x0.08=42公斤力

制图：吴宝园计算：刘立峰日期：2012年5月22日

（二）、施工人员臂力调查

1、小组为验证课题是否能够完成，对小组人员单臂压力和提力进行了调查。

手臂压力调查示意图.手臂提力调查示意图

2、通过调查，小组成员手臂压力平均45.8公斤力，手臂提力平均33.8公斤力,调查结

果见下表：小组成员比例表（单位：公斤力）

序号123456789

小组成员马刚田野刘立峰杜忠王建兴吴宝园周斌贾向东乎均

手臂压力464345504249464845.8

手臂提力353335393039323533.8

（三）、可彳亍性论证

各种力对比折线图

制表：颐凯制图：马刚日期：2012年5月23日

论证结果：从折线图中可看出手臂压力普遍大于压杆需要施加的力，而提力不能满足要

求，只要机构设计将上下冲剪都由手臂压力完成，方案是可行的。

七、制定对策

对策表

方案对策目标措施地点责任人完成时间

机具

刀头冲剪管壁上下端分别冲按照管件允许的厚度

采用外委加2012年

采用上下剪，减小需要施加加工单片刀头进上下吴宝园

冲剪工车间6月5日

往复式力量＜42公斤力。往复式冲剪。

方式

机具

冲剪时保证用车床将弹簧钢片加

采用冲刀采用外委加2012年

组对间隙41墓米，工成与主管同径的圆田野

冲刀圆形刀头工车间6月8日

刀头易加工。片，并加工出刀刃。

类型

机具传动机构压杆连续压两次，将凸轮板设计为外凸

采用采用可调带动刀架作上下往复轮和内凸轮可调式，外委加2012年

马刚

传动式的凸轮运动。保证加工时间通过拨杆，两次旋转工车间6月10日

机构佛<1.7分钟调整滑板的位置。

机具将导轨加工成圆柱

冲剪时，保证冲刀

采用导轨机构型，中部车油槽，保

上下平稳的滑动，外委加顾凯2012年

导轨采用圆柱证刀架上下滑动灵

刀具与底模间距＜工车间王建兴6月12日

机构形活，冲剪时，稳定可

0.3毫米

靠.

机具锁紧机构快速锁紧管件时间》将锁紧轴加工成偏心外委

2012年

锁紧采用偏心0.5分钟，并能承受冲轴，通过手柄的旋加工刘立峰

6月15日

机构轴式剪的冲击力。转，锁紧管件。车间

首先将刀头安装在圆

机具高度0.9米，压柱形导轨上，再将其

将机具各

杆长度1米，实现钢与凸轮传动机构相热电金周斌2012年

部件逐一

组装管栏杆T型接头的加连，最后安装偏心轴制组合场杜忠6月16日

组装

工，方便快捷。锁紧机构，整体检

直、调试、试用。

制表人：王建兴日期：2012年5月25日

八.对策实施

1、对策实施一：采用上下往复式冲剪方式责任人：吴宝园日期：2012年6月8

上下往复式示意图