平头倒棱机的设计

1、济济南南大大学学 泉泉城城学学院院 毕毕 业业 设设 计计 题题 目目 平头倒棱机的设计 专专 业业 机械设计制造及其自动化 班班 级级 机设 07Q1 学学 生生 黄桀 学学 号号 指导教师指导教师 樊宁 二一 年 五 月 二十六 日 摘 要 为了适应钢管制造业的发展，根据实际应用的需要，钢管应进行平端面加工， 用于焊接的钢管还应进行倒焊接坡口的加工，有必要设计先进的钢管倒棱机。倒棱 机是钢管端面加工的专用设备。目前传统倒棱机的加工质量无法满足市场的要求， 而进口倒棱机价格太过昂贵，且服务周期长，因此，研发加工质量和生产能力均满 足实际需求的新型国产倒棱机迫在眉睫。本文以“钢管平头倒棱生产线

2、的研制与开 发”为背景，研究钢管倒棱的工作原理，进行了倒棱机的总体方案设计；对其机械 结构特别是影响加工精度的重要部件，即刀盘和夹紧装置进行了研究并做了详细设 计。为此，从国内外典型倒棱机的结构入手，阐述了倒棱机的整机布置方案、动力 传动方式、夹紧装置类型、随动切削头设计以及控制系统的设计等技术发展现状。 在分析对比各设计上的优缺点，指出对于高质量钢管生产用的倒棱机，宜采用移动 床头箱平移钢管式布置方式、左右侧向抱管式夹紧装置、径向浮动切削头、灵活选 用动力传动方式等设计方案。 关键词：平头机；倒棱机；刀盘设计；夹紧装置；钢管 ABSTRACT In order to adapt to the

3、 development of steel industry, according to the actual application requirement, steel pipe should carry on the flat end processing, is used for welding of steel tube down should also be welding grooves processing, it is necessary to design the advanced steel tube chamfering machine. Chamfering mach

4、ine is the special equipment for steel pipe end processing. At present the traditional chamfering machine processing quality to meet the market requirements, while imports chamfering machine price is too high, and the service cycle is long, therefore, r On the mechanical structure especially influen

5、ce the machining accuracy of important components, namely the knife dish and studied clamping device and make a detailed design. Therefore, from the domestic and foreign typical chamfering machine, expounds the structure of the chamfering machine arrangment scheme, power transmission mode, clamping

6、device type, servo cutting head design and the design of control system technology development situation. On the analysis of the advantages and disadvantages of each design compared, and points out that with the pipe production for high quality of chamfering machine, appropriate USES mobile berth bo

7、x translation steel tube type decorates way, tubular lateral embrace about clamping device, radial floating cutting head, flexible choose power transmission mode design scheme. Key words：Crew cut machine; Chamfering machine; The knife dish design; Clamping device; Steel tube 目 录 摘要. .I ABSTRACT.II 1

8、 前言.1 1.1 课题背景和来源.1 1.2 国内外平头倒棱机的发展现状.2 1.3 课题意义及研究内容.4 1.3.1 研究课题的意义.4 1.3.1 论文的主要内容.4 2 系统的总体方案设计.6 2.1 设计要求及参数.6 2.2 总体方案的设计.8 2.2.1 平头倒棱主机.8 2.2.2 平头倒棱机的构造及其工作原理.9 2.2.3 工作程序.10 3 电气控制系统的方案设计. .12 3.1 系统运动控制分析.12 3.2 电气控制系统方案.12 4 机械部分设计. .14 4.1 切削力的计算及电机选型.14 4.1.1 最大切削功率及主切削力的计算.14 4.1.2 主轴电机

9、及进给电机的选择.14 4.2 刀盘的设 计.17 4.2 夹紧装置的设计.18 5 结论.20 5.1 论文总 结.20 5.2 平头倒棱机的展望.20 参考文献.22 致谢.23 1 1 前言 1.1 课题背景和来源 随着我国加入WTO，国际市场与国内市场的接轨，钢铁企业的竞争也日趋激烈， 钢管的质量要求也日益增高，如海底管线对钢管的内在质量稳定性、可焊性、几何 精度以及防腐性能等均有较高的要求。为了适应钢管制造业的发展及市场对钢管需 求数量不断增长和对品种质量越来越高的变化要求，近年来，我国钢管生产企业均 加大了技术改造的力度，有必要对钢管生产线技术装备进行改造。 以前我国关于焊接钢管焊

10、接的标准只有平头，没有倒棱这部分，1986年10月27 日，冶金工业部门颁布了标准YB（T）44-86，该标准要求：钢管管端截面应与其轴 垂直，且不应有毛刺。 精整工序是提高钢管质量的重要工序，在整个钢管生产线中所占的地位越来越 重要。平头倒棱机是精整工序的重要设备，对钢管的精整区域进行技术的改造是提 高钢管质量和附加值的重要途径之一。许多年来，我国钢管企业存在着重视钢管成 型工序，而轻视着钢管热处理工序、精整工序以及后续探伤检查工序的现象。这些 工序并不是处理能力不足，而是工序流程不畅或者是装备水平配置比较低，难以满 足生产高质量的产品的要求。而高附加值的产品就是有了这些高水平配置的精整工

11、序才得以生产出来的。对精整工序的技术改造十分必要。据统计，我国2005年19 月进口管材高达78万吨，其中石油化工行业占80。进口钢管中大部分是附加值很 高的产品，也恰恰是我国钢管生产能力不足或不具备生产条件的产品。从国外进口 钢管，无论是采购价格还是采购周期均给石化生产建设的顺利进行造成一定的困难。 因此，石化行业大声呼吁钢管制造业国产化，全力支持国内钢管制造企业进行高质 量钢管研发的工作，以使我国早日能够成为真正的钢管制造强国。倒棱是钢管精整 区域中的一个重要生产工艺。根据API SPEC 5L一2000管线钢管规范、 (GBT9711.2-1999石油天然气工业输送钢管交货技术条件规定，

12、除非订货合同另 有规定，通常钢管的端面应有坡口和钝边，如图1.1所示。 图1.1 管端加工倒棱图 因此要在精整区对钢管进行铣头倒棱处理，经过倒棱后的钢管，品质高，属于 标准产品。而倒棱后的钢管在实际生产中，能够大大提高工程的质量，在石油、冶 金、石化等行业已得到了广泛的应用。倒棱机是对钢管进行倒棱的专用机床，倒棱 机的设计和制造水平决定了倒棱的精度和效率，是钢管生产线上的一台重要的生产 设备。 1.2 国内外平头倒棱机的发展现状 钢管生产的过程中，在经过各道工序时，由于钢管的塑性变形，会产生外径误 差和壁厚不均。壁厚不均波动在很宽的范围之内，而且，在光管端部(特别是前端) 200300毫米有最

13、大的壁厚不均。又由于有钢管直径与壁厚比值较大，生产率要求 高等特点，倒棱加工时尤其需要解决因壁厚不均而引起的钝边尺寸不均等质量问题。 因此钢管管体的壁厚误差和直径误差对刀盘的设计就提出了较高的要求，而使用传 统的固定刀盘对钢管倒棱，却无法保证设计基准和加工基准的一致性，从而无法做 到API SPEC 5L中所要求的钝边尺寸为1/16in1/32in的要求，所以必须设计新 型浮动刀盘加工钢管。而夹紧装置的设计则需考虑钢管的弯曲度，尤其是管端弯曲 度的影响，必须对传统的夹紧装置进行改造，提高钢管夹紧的稳定性。一般的钢管 长度在612.5m之间，壁厚在540.0mm之间，这类属于薄壁细长类零件，这类

14、零 件的加工，与普通工件的加工有很多的不同之处，在切削、工装等方面都要做出相 应的合理设计。为了提高钢管倒棱机的生产效率和自动化水平，在电气控制方面， 须采用计算机控制，并与可编程控制器PLC(Programmable Logic Controller)相结合， 通过PROFIBUS等通讯方式，形成机、电、液一体化自动化系统。倒棱机在钢管生 产线上已经应用了比较长的一段时间，经过前辈们不断的试验和总结，某些一直阻 碍着倒棱设备应用的技术难题已经得到了解决。但却由于倒棱机技术含量较高，且 造价和维护费用也比较高，因此国内许多资金实力薄弱的中小型钢管企业尚无法配 置倒棱机，而大中型钢管企业大都配置

15、了进口的倒棱机，如宝钢从美国PMC公司引 进的140平头倒棱机，天津无缝钢管公司引进了273平头倒棱机，衡阳华菱钢管有限 公司从德国REIKA WERK公司进口了133平头倒棱机等。国产平头倒棱机主要是西 安重型机械研究所(西重所)设计成套的，在国内大型钢管企业也得到了较好应用。 国内外这些主要倒棱机生产厂家，在倒棱机的设计上各有特点，所生产的倒棱机也 适用于不同的工作要求。 (1) 德国REIKAW ERK公司的平头倒棱机主要结构特点是：导轨轴承采用无预 紧系统的直线滚珠轴承，主要用在负载较轻的场合；主轴进给系统采用了电机伺服 系统，低速性好，维护方便；无冷却系统，且带有排屑运输装置；步进传

16、动则采用 电机减速器机构。 (2) 美国PMC公司的平头倒棱机主要结构特点是：导轨轴承采用了带有预紧系 统的滚柱直线轴承，在保证切削时系统稳定的同时，承载能力也较大；主轴进给采 用了液压伺服系统，特点是响应速度快；夹紧装置采用浮动夹紧机构和锁紧机构， 保证了钢管的自然形状且消除夹瓦滑动间隙，刚性好；步进传动系统采用了液压马 达机构，其速度快，运行平稳；主轴刀盘带有的冷却系统能够对刀具进行冷却，可 以有效延长刀具的寿命。 (3)西重所生产的平头倒棱机导轨轴承则采用了带有预紧力的滚柱直线轴承，主 轴箱里主轴带有预紧力轴承，夹紧装置采用了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

17、的刀具采用了内浮动机构新技术，解决了因壁厚不 均引起倒坡口后的钝边问题。刀盘上带有冷却系统，对刀具进行冷却并且带有对切 屑的冲洗功能。 从以上对国内外先进钢管倒棱机的结构特点中分析可以看出，目前的进给系统 一般采用电液伺服或电机伺服系统；而步进系统可根据节奏来要求采用液压马达或 电机减速器机构。德国REIKAW ERK公司的平头倒棱机则采用了电机伺服系统。伺 服电机进给系统采用了伺服电机与滚珠丝杠直联，特点是进给精度高、低速性好， 维护方便，且主轴进给动态特性比采用的液压伺服系统要高一些。电机伺服系统由 于其易于维护，远距离传输方便，噪音低，因此应用越来越广泛。美国PMC公司的 倒棱机就采用电

18、液伺服系统控制刀盘轴向进给。电液伺服系统具有结构紧凑、伺服 系统抗负载刚度大，系统快速性好，低速稳定性好，响应快等优点，且伺服系统可 以与计算机相结合，具有很大灵活性和适应性。电气控制方面，目前高控制水平的 倒棱机大部分采用PC(Personal Computer)机控制，并与可编程控制器PLC通过 PROFIBUS网络通讯方式，形成机、电、液一体化自动化的网络系统。PC机采用的 人机对话界面HMI(Human Machine Interface)，对各种动作故障能够进行报警诊断， 且界面友好，能够方便地了解到产品的信息和机组的工作状态，并能够进行参数设 定。这些控制措施大大地提高了生产效率。

19、 由以上分析可知，目前，在实际的应用中，针对某些工厂状况设计的倒棱机对 于相应的规格钢管管端加工已经取得了成功，这对于我们改进传统的倒棱机设计， 使新型倒棱机能够具有更高加工精度和更大加工能力提供了宝贵的经验和数据。 1.3 课题意义及研究内容 1.3.1 研究课题的意义 提高先进的制造装备，使其迈向国产化，对于促进我国的钢管产业发展有着很 重要的意义。在中国，石化、冶金、建筑等钢管使用较广泛的行业，所需要的钢管 的管径、壁厚也越来越大。例如，伴随着石化生产设备的大型化，单套装置的生产 加工能力也随之大幅提高，所需钢管为满足大流量的输送，其口径加大的趋势也会 更加明显。在以前，石化所需钢管的规

20、格大部分以89219为主，随着社会的发 展，现在是以159406为主，同时为了满足高压蒸汽输送的需求，还使用了 610mm4570mm的大型钢管。因此，对于加工大管径的厚壁管，对平头倒棱机 加工的稳定性，自动化程度及进给精度就提出了更高更精确的要求。 传统的倒棱机，在大管径、厚壁管的加工方面没有明显的优势，而且自动化程 度，加工精度较低。本文从传统倒棱机入手，研发的新型数控倒棱机稳定性好，加 工精度高、质量稳定，除了满足小管径的加工需求外，在加工大管径、厚壁管方面， 所加工出来的钢管完也全符合API、DIN、ANSI等国际标准的规定，为钢管行业创 造了可观的经济效益，而且该机器价格低廉，可以替

21、代进口产品，能够被国内各大 中小型钢管厂采用，为我国钢管的发展做出了贡献。 国际钢管设备设计制造公司一直都在关注着我国的钢管行业的发展，并一直占 领着我国的这一重要管材市场，我国钢管装备市场不仅面临着国内行业的竞争，而 且面临着更加严峻的国际市场的竞争。本论文研发的新型倒棱机，加工精度高、质 量稳定，具有很大的国际竞争力，对提高我国的钢管制造装备技术水平，及促进我 国的先进装备的国产化，起到了很好的示范作用。 1.3.2 论文的主要内容 本文旨在设计一种可以替代传统、填补国内空白的全自动数控钢管平头倒棱机， 在满足实际生产的要求的同时，提高对倒棱加工的质量和自动化程度的跃进。具体 来说，论文的

22、主要工作有以下几个方面： (1)分析国内外钢管平头倒棱机的发展现状和趋势，结合加工工艺要求进行平头 倒棱机的总体设计； (2)设计了平头倒棱机的机械部分，研究对提高加工精度有着重要作用的刀盘和 夹紧装置，并对其做了详细的设计和计算； (3)设计了平头倒棱机的电气控制部分，将西门子802D数控系统用于平头倒棱的 系统控制，并与西门子S7-300PLC相结合，提高了平头倒棱机的自动化水平，大范 围的提高了平头倒棱的质量和工作的稳定性； (4)分析了平头倒棱机自身和工作环境中存在的各项干扰因素，论述了系统从硬 件和软件两个方面入手，采用的一系列行之有效的措施。 2 2 系统的总体方案设计 根据钢管平

23、头倒棱工艺过程的设计要求，制定了平头倒棱机的机械总体方案和 电气控制系统方案，具体包括以下几个方面： (1)对钢管加工工艺过程进行了研究，采用钢管固定，刀盘旋转，钢管端面同时 进行平头倒坡口的加工方式，并据此设计了倒棱机的总体布置方案； (2)在前述研究的基础上，确定了机械总体设计方案，包括平头倒棱主机、对齐 装置、升降装置、夹紧装置、传动装置、刀盘等各主要部件的结构和功能： (3)对平头倒棱机主轴进给特点进行分析和研究，采用伺服电机进给系统控制主 轴进给；钢管传送升降装置采用V型辊道；夹紧装置采用上下夹紧方案；刀盘采用 双刀式复合刀盘。 (4)在上述研究的基础上，采用SINUMERIC 80

24、2D数控系统、工控机和S7- 300PLC相结合的电气控制系统方案，来实现对平头倒棱机的自动控制。 2.1 设计要求及参数 平头倒棱机是对钢管进行去毛刺倒坡口的专用设备，平头倒棱后的钢管应符合 (GB/T971 1.2-1999石油天然气工业输送钢管交货技术条件)、(API SPEC5L-2000管线 钢管规范)等标准的规定。综合上述各项标准，倒棱后钢管应满足如下要求(参见图 2.1)： (1)钢管管端均应切直且不应有毛刺； (2)切斜F不应超过lmm(适用于外径小于或等于220mm的钢管)； (3)壁厚大于3.2mm的钢管端面应开坡口，坡口角度a应为3035，钝边宽度H 为1.6mm0.8m

25、m； (4)当进行内表面加工或修磨时，内锥角B，自钢管轴线测量，不应大于表2.1所 列数值。 图2.1 管端加工示意图 表2.1 内锥角规定表 规定壁厚 ，mm最大内锥角 ，（） 10.5 7 10.5149.5 1417 14 本文设计的全自动平头倒棱机用于轧管机组的精整线上，能够对壁厚 32mm 的钢管端面进行平端面和开坡口加工。其设计的要求及参数如下： (1)钢管的规格尺寸 外径：108340ram 壁厚：430mm 长度：512.7m 材质：碳钢如20、45、X42X70等，低合金钢如Q345等，合金钢如 25Mn2V、341m12V、42MnM07、34CrM04、12CrlMoV等

26、。 外径尺寸精度：1.0(最大不超过3mm) 壁厚尺寸精度：12.5 管体弯曲度：1.5mm/m 管端弯曲度：2mm/m(管端长度：1.5m) 全长弯曲度：10mm 管体椭圆度：1.5 端面斜度：6mm 端面状态：矫直后冷锯90(l) (2)加工后质量要求： 参见表2.1和图2.1，并满足如下要求： 去毛刺倒角45； 清除钢管端面； 切口毛刺，端面不垂直度允许偏差0.2； 管端切口光滑平整，粗糙度； 不低于Ral2.5； 加工过程中不允许损伤钢管管体。 (3)生产能力：15110根/小时； (4)倒棱方式：钢管固定，刀具旋转，v型支架高度可调h150mm； (5)辊子为“v”型，倒棱机机头前v

27、型支架高度可调h150mm； (6)配置安全保护措施，防止钢管意外将设备损坏。 2.2 总体方案的设计 根据生产的需要，钢管需倒焊接坡口或平端面，倒焊接坡口的钢管端面需进行 倒焊接坡口、平端面、倒内角的加工；平端面的钢管端面需进行平端面、去毛刺、 倒内角的加工。 2.2.1 平头倒棱主机 平头倒棱主机是平头倒棱机的核心部件，其结构如图2.2.1所示，由主轴系统、 进给系统、辅助系统、润滑系统等构成。 1.伺服进给电机 2.滚珠丝杠 3.直线导轨 4.圆弧齿型带 5.主轴电机 6.刀盘 7.夹紧装置 图2.2.1 平头倒棱主机示意图 主轴系统提供钢管切削时刀盘的旋转运动，这就要有主轴系统应有较大

28、的调速 范围，以保证加工时能够选择合理的切屑用量，从而获取最佳的加工精度、生产率 和表面质量。其一端装有旋转的复合刀盘，另一端装有同步带轮，主轴电机通过同 步带带动同步带轮转动，从而使主轴带动复合刀盘的旋转，达到平头倒棱的加工目 的。变频器控制着主轴电机的转速及转矩，提供切削时所需的动力。主轴的转速则 通过外接编码器，传入PLC控制系统。为了保证主轴连续运转时能够得到良好冷却， 减少加工的误差，主轴轴承采用了油液循环冷却装置。 主轴箱的进给运动可分为快进给、粗进给、精进给、光整、快速返回等过程。 进给系统采用直线滚动导和轨滚珠丝杠组成运动副部件，由伺服电机驱动，见图 2.2.1.1。其中伺服电

29、机与滚珠丝杠的直接连接，减小了传动链间的间隙，确保了传 动系统的精度。伺服电机配备了行星减速器，它不但能够提供低转速切削时的转矩， 而且还可以保证高速旋转时的转矩。导轨间隙可调，主轴箱与导轨之间存有预紧力， 使导轨与滑块之间的摩擦为滚动摩擦，大大降低了二者之间的摩擦阻力，实现了无 间隙运动，提高了机械系统的运动刚度。 图2.2.1.1 进给系统结构示意图 1.伺服电机 2.减速器 3.连轴器 4.滚珠丝杠 辅助系统主要包括排屑装置、冷却装置等。排屑机采用链板式，将铁屑提升到 高处，落入运输车内拉走。为了防止铁屑的飞溅，设计了防护罩。冷却装置用于切 削过程中刀具与工件的冷却，同时也起冲屑作用。

30、润滑系统用于对机床导轨、滚珠丝杠、传动齿轮及主轴箱等装置的润滑。采用 电动间歇式润滑泵，其自动润滑间歇时间和每次的泵油量，可根据润滑要求进行调 整或用参数来设定。该润滑系统可采用润滑脂或高粘度润滑油，润滑泵供给给油器 的供油量可以单独调节，给油器上安有控制开关，可以控制润滑时间。系统还装有 限压阀，以保护润滑泵和给油器不遭高压损坏。 2.2.2 平头倒棱机的构造及其工作原理 平头倒棱主机(见图2.2.2)，主要由机架、机头、夹紧装置及进刀装置构成。 图 2.2.2 平头倒棱机简图 （1）机架由焊接件构成，机架的升降机构可以使传送台架的高度保持不变，靠 电动升降机升降机架来适应不同规格的钢管平头

31、倒棱。 （2）机头是由标准1TX50 铣削动力头改装而成。动力头的主轴带有复合刀盘， 刀盘上装有平头刀和倒棱刀。倒棱刀由带有靠模平衡回转装置的刀架、刀头和刀座 构成。焊管管端进行切削时，随动靠模辊在弹簧的压力作用下，紧靠在钢管内壁旋 转，带动着倒棱刀进行倒棱。倒棱刀可沿钢管的直径方向进行调整，确保了切削后 的钝边宽度为1.588mm，外倒棱角为20 0 （3）夹紧装置为外径夹具，与被夹钢管的外表面是多线接触。上夹具与装在机 架上部的气缸活塞杆头部联接，作用力垂直方向向下，能够适应外径为 140mm339.7mm 之间的各种不同规格型号钢管的夹紧。下夹具安装在机架的 动力头底座上，可以根据钢管管

32、径的不同来选用不同高度的平头质量，并且与上夹 具找正对中。为了防止薄壁管受压变形影响到平头质量，在夹紧气缸气控电磁换向 阀前装有00.8M Pa气控调压阀用以调整夹紧力。 （4）进刀机构由缸径缸径140 mm、行程20 mm的油缸和200mm、行程100 mm的气缸组成。 2.2.3 工作程序 上料小车从料架上面取料，并送到 V 型托辊架上； 托辊升起，将钢管托升到与机床中心高度一致； 送料小车返回料架； 两夹紧框打开； 大拖板前进，钢管进入夹紧框； 托辊回降，钢管落到下夹紧框上； 夹紧框夹紧钢管； 刀盘旋转； 床头箱快进到位； 床头箱工进开始； 切削完成，床头箱工进停止； 床头箱快速返回原始

33、位置； 刀盘旋转停止； 夹紧装置松开； 托辊升起，将钢管举起； 大拖板快退，钢管两端离开夹紧框； 卸料小车进入机床中心线，小车料架升起； 托辊架回落，钢管落入卸料小车料架之上； 卸料小车运走钢管。 3 3 电气控制系统的方案设计 3.1 系统运动控制分析 平头倒棱机系统的运动过程可以简单描述如下：钢管经吊车送至上料台架-步进 平移-对齐定位-步进平移-管端夹紧-平头倒棱主机进刀-平头倒棱-机头快退-夹紧松 开-步进平移-钢管进入下料台架-收集料框。在整个工作过程中，需要加以控制的动 作有：移钢机输送钢管，升降装置调整钢管中心高度，辊道平移钢管，主轴旋转， 夹紧钢管，主轴进给等。 平头倒棱机的主

34、轴既作旋转运动，又随着主轴箱一起作轴向移动，旋转运动为 主切削运动，轴向移动为进给运动。主轴运动的控制对于提高加工效率，提升加工 质量，扩大加工材料范围有着重要的作用，其控制精度直接影响着所加工的钢管的 坡口尺寸精度和管端的光滑平整。为了满足管端加工要求，达到相应的标准，主轴 进给的过程分为：快进-粗迸给-精进给-光整-快速返回等，刀盘的转速为 50200rmm，进给量为 0.10.3mm/r。参见图 2.3.1，刀具快进的距离为 Lk， 粗进给的距离为 Lc，精进给的距离为 Lj，主轴分别对应不同的进给速度 Vk、Vo、 和 Vj。经过对部分规格的钢管进行的切削试验，可以满足加工要求的切削参

35、数。 图 2.3.1 道具进给示意图 3.2 电气控制系统方案 研制全自动钢管平头倒棱机的一个重要任务就是要实现平头倒棱过程的自动化。 根据上述对平头倒棱机运动控制的研究可知，系统工作过程中涉及到对进给电机， 主轴电机，移钢机电机，辊道电机等的控制，以及现场各种传感器，行程开关，编 码器等电气元件的信号采集和控制。所以采用以SINUMERIC 802D数控系统为核心， 结合工控机、S7-300PLC和变频器等组成平头倒棱机的电气控制系统，实现钢管平 头倒棱各个过程的协调、跟踪、各种信息的传输、显示、数据管理、人机界面等。 整个系统通过PROFIBUS总线方式将工控机、SINUMERIC 802

36、D数控系统、S7- 300PLC等连接起来，组成一个层次分明的控制网络。 SINUMERIC 802D数控系统控制进给伺服电机，实现主轴电机的变频控制。S7- 300PLC完成现场电气元件的信号采集，和对执行元件以及三个变频器的控制。 SINUMERIC 802D数控系统与S7-300PLC互相通信，实现倒棱机正常协调运行，完 成对钢管的加工。倒棱机控制系统由工控机、SINUMERIC 802D数控系统和S7- 300PLC组成，具有自动、手动两种工作方式。工控机主要实现系统的监控功能， SINUMERIC802D数控系统控制倒棱主机的运行，S7-300PLC根据工控机的命令，直 接控制现场设

37、备的运行，并读取设备状态数据，转化成数字信号反馈给工控机。系 统的工控机监控软件的主要功能有：用户管理功能，设定若干级权限，不同的权限 设定不同的可操作内容；系统参数设定，对倒棱钢管的相关参数(如管径、壁厚等)、 加工的相关参数(如主轴的转速、进给量的大小等)进行设置；工作时序控制，对整 个系统的工作时序、与上下工位的接口等进行控制；系统诊断及报警，对整个系统 的工作状态进行监控，出现问题发出提示或报警；提供人机交互的界面。 实现整机的自动化控制，除需设计电气控制，还需配备液压系统来辅助实现整 体的自动运行。液压系统使用工作压力高的油性介质，机构出力大，机械结构紧凑、 动作平稳可靠、易于调节、

38、噪声较小。倒棱机的液压系统主要由夹紧液压系统和对 齐液压系统组成。夹紧液压系统由夹紧油缸、换向阀、二位四通换向阀、调压阀等 组成，完成夹紧装置的自动夹紧和松开。对齐液压系统由对齐油缸、换向阀等组成， 完成钢管的缓冲对齐。 4 机械部分设计 4.1 切削力的计算及电机选型 4.1.1 最大切削功率及主切削力的计算 如前所述，刀盘一次进刀就完成对钢管端面的加工，夹紧的钢管在切削过程中 承受轴向、径向及切削速度方向上的主切削力，见图3.1，其中主切削力做功最多， 占切削功率的90以上。倒外圆刀具承受极大部分切削力，其上消耗功率是平端面 刀具15倍以上，内圆倒角刀具消耗功率略去不计。在切削过程中，随着

39、刀具的进给， 切削量越来越大，切削力也随之增加，计算切削即将完成时的切削力，此时刀具所 承受的切削力最大。 图 3.1 刀具切削受力示意图 Px轴向进给抗力 Py径向进给抗力 Pz主切削力 FR切削合力 n刀盘 转速 X刀具进给方向 4.1.2 主轴电机及进给电机的选择 (1)主轴电机的选择 平头倒棱机主轴传动采用同步带传动，主轴电机通过圆弧齿型带带动主轴旋转， 从而带动刀盘旋转来加工钢管。同步带传动属于啮合型带传动，是靠内侧工作面上 的齿与带轮工作面上的齿相互啮合来传动的。工作时带与带轮之间不会产生相对滑 动，能够获得准确的传动比，兼有带传动和齿轮啮合传动的特性和优点，传动效率 高(0.93

40、0.98)；允许带速较高(可达50ms)；传递功率大，(可达数百千瓦)；传动 比较大(可达1220)。此外，由于不是靠摩擦力来传递动力，带的预紧力可以很小， 作用于带轮轴和其上轴承的力也很小。其他如平带、V带、多楔带、圆带等摩擦型 带传动，因为带与轮面之间存有相对滑动，导致传动效率比较低，传动比不准确， 而且带的寿命较短，而全自动平头倒棱机的主轴传动要求传动效率高，传动比准确， 因此采用同步带传动。 主轴电机选用8极(50Hz时同步转速胛=750rpm)，冷却方式为IC416(全封闭带单 独轴流风机的外表轴向风机冷却)的YSTP系列变频调速三相异步电动机。此电动机 的调速范围宽，在开环U/f控

41、制条件下，可实现350Hz时的恒转矩调速， 50100Hz时的恒功率调速，在矢量控制条件下，调速范围还可以扩大。IC416系列 可根据用户要求带各种高分辨率的传感器(光电编码器、旋转变压器及测速发电机)。 根据上述对由34040规格的钢管的分析计算结果，进行主轴电机的选型。 倒棱机的同步带传动的传动比： i= 3-14 1 2 z z 2 1 n n 由式3-14可知： n = 3-15 2 1 11 z zn i n1 主轴电机输出的转矩： T =9550N n 3-16 202 传动的效率： 3-17 11 22 nT nT 由式 3-17 可推出主轴电机输出的转矩： T = 3-18 1

42、 1 22 n nT 由设计己知电机主轴上小带轮的齿数为互z =36主轴上大带轮的齿数为 1 z =102，电机输入转速 n =750rpm 带入式 3-14、3-15 得： 21 i=2.83，n =265； 1 2 z z 2 i n1 由前述计算可知，主轴电机输出功率 N =66.76kw，带入式 3-16 得： 0 T =9550N n =955053.8265=1939N 202 m 取0.93，由式 3-18 得：T =736 N 1 1 22 n nT m 根据上述计算结果，以及实际应用的需要，倒棱机选用YTSP315M18(IC416) 型电机，其标称功率为75kw，额定转矩为

43、M=955 N，MT ，满足设计要求。m 1 (2)进给电机的选择 倒棱机进给装置采用交流伺服电机与减速器组成的同轴传动系统，齿轮单元直 接和电机驱动端相连接。本文设计的倒棱机对钢管加工精度和加工效率有要求较高， 选用1FT6型交流伺服电机。此电机是高紧凑型的永磁同步电机，其新型编码器技术 可以满足动态性能、速度设定范围、旋转和位置精度方面的最高要求，具有如下特 点：较高的旋转精度；较短的非生产时间；电源和信号连接可以用于严重污染的环 境；使用单一编码器系统从而简化了电缆电路；对侧向力有较高抵抗力。减速器是 一种动力传动机构，利用齿轮的速度转换器，将马达的回转数减速到所要的回转数， 并得到较大

44、转矩。其主要作用在于：降速同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机 输出乘减速比，但不能超出减速器额定扭矩；降速同时降低了负载的惯量，惯量的 减少为减速比的平方。 减速器可以分为很多种，常见的几种减速器的特点如下所述： a行星减速器其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长， 额定输出扭矩很大。 b谐波减速器利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力，体积不大，精 度很高，但缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击，刚性与金属件相比较差，输入转速不 能太高。 c蜗轮蜗杆减速器的主要特点是具有反向自锁功能，有较大的减速比，输入轴 和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效率

45、不高， 精度不高。 基于上述对减速器的分析，进给系统选用传动比f=10的阿尔法行星齿轮减速器 SP 100S-MFl-10-0Kl。 根据上述对由340X40规格的钢管的分析计算结果，进行进给电机的选型。电 机的转矩： T=9550N/n 3-19 j0 其所需进给电机功率N=14.2/kw，选用额定转速H=1500rpm的电机，则其转距 j0 由式3-19可得： T=9550N/n=955014.2/1500=90.5 N j0 m 由于使用了减速器，进给电机需提供的转距： T =T/I 3-20 j 减速器的传动比i=10，由式3-20可得：T =T/10=9.05 N j m 根据上述计

46、算结果，以及实际应用的需要，倒棱机选用1FT6102-8AB71-1EG0-Z 型电机，其额定转速n=1500rpm，额定转矩为M=24.5 N，M T ，满足设计要m j 求。 综上所述，进给装置采用阿尔法行星齿轮减速器SP 100SMFl-10-0K1与西门子 1FT6 102-8AB71-lEG0-Z型电机组合成为同轴传动系统，直接与滚珠丝杠相连，由 SINUMERIC 802D控制进给，能够达到高精度、高效率的要求。 4.2 刀盘的设计 随着焊管技术的不断提高，对焊管端面质量的要求也不断提高。目前，国内大 多数厂家对焊管端面加工只用刀具铣平端面，而不做内外倒角处理。这种只铣平端 而存在

47、以下几个问题： （1）在后道工序，做水压试验时，由于毛剌存在，经常划破密封圈，而使水压 漏水，达不到规定压力，影响试压效果。 （2）钢管镀锌时，由于端面的毛剌，使锌液残留在钢管内，致使锌耗增加，影 响镀锌质量和镀锌成本。 （3）在焊接车丝时，由于钢管端面毛剌的存在，致车丝时打刀，影响车丝、焊 接质量。 （4）由于毛剌的存在，不仅影响钢管的外观质量，而且在搬运过程中易划伤手 臂，造成事故。 因此，针对上述情况，国家颁布了GB/T3091-2001 低压流体输送焊管标准。标 准中提出端面处理要求：钢管两端截面应与其轴成垂直，且不应有毛剌。 为了达到此标准，各个焊管企业均对平头机提出了更高要求；钢管

48、端面形状， 主要取决于平头机刀盘的结构形式和刀具在刀盘上的摆放。本设计采用浮动式倒棱 刀+平头刀具的双刀式。 图3.2 浮动式刀盘 1.固定刀盘 2.浮动切削座 3.倒棱刀具 4.浮动轮 5.钢管 6.平头刀具 此刀盘结构如图3.2，主要由固定刀盘、倒棱刀块、浮动切削刀座、浮动轮及平 头刀组成。切削时，浮动轮紧靠钢管内壁浮动旋转，刀具随着靠轮浮动旋转切削， 因此，倒棱质量不受管体形位公差的影响，适合于管径大于165mm，壁厚6mm以 上的大管径钢管的倒棱。但随着钢管壁厚的增加，切削时易引起刀具的震动，从而 发生打刀现象，为了使刀盘运转平稳，可设置平衡块，根据不同的规格和转速进行 调整。 4.3

49、 夹紧装置的设计 夹紧装置主要用来夹紧钢管，保证钢管中心与床头箱切削头旋转中心重合，并 与切削平面垂直。 根据倒棱机采用电液控制的特点，夹紧装置一般采用液压夹紧方式，夹管、松 管控制迅速，灵活方便，稳定可靠。常见的液压夹紧方式有左右抱管式、上下抱管 式2种。 左右抱管式夹紧装置多见于早期制造的倒棱机上，随着用户对钢管质量标准的 不断提高，这种装置逐现其不足： （1）铜滑板易磨损，引起夹紧的钢管中心与切削头旋转中心上下不重合，影响 倒棱质量； （2）牵引油缸的不同步引起夹紧中心与切削头旋转中心左右不重合，同样影响 倒棱质量； （3）由于夹不紧，常引起钢管振动出现打刀现象。 上下抱管式夹紧装置，它

50、克服了左右抱管夹紧装置的不足，能较好地满足生产 高质量钢管的要求，具有以下优点： （1）装置中油缸数量由原来的6个减为2个，装置质量减轻一半，增强了设备的 操作性能； （2）将钢管与夹紧装置之间的动摩擦改为静摩擦，延长了夹紧圈内胶皮的寿命， 提高了设备的使用维护性能； （3）采用下夹紧圈定位，保证夹紧钢管中心与床头箱切削头旋转中心重合，夹 紧可靠，确保了管端的加工质量。 本设计采用上下抱管式夹紧装置如图3.3所示，该装置是对左右抱管式夹紧装置 的改进。 图3.3 上下抱管式夹紧装置 1导向柱；2油缸；3移动夹紧圈；4固定夹紧圈 5 结 论 5.1 论文总结 通过对该平头倒棱机设计思想、结构、功

51、能的分析, 对比国产平头倒棱机, 确实 显示出其优越性和先进性。我们应尽快将其合理部分进行消化吸收, 逐步使其国产 化, 应用到焊管机组中, 提高国产焊管的生产水平, 以适应我国加入世贸、和国际经 济接轨的需要。 本文设计的新型数控钢管平头倒棱机自动化程度高，运行稳定，质量达到国际 水平，可以替代进口。此平头倒棱机的设计，可以大大提高我国钢管平头倒棱的自 动化和标准化水平，提高产品质量，增强我国钢管产品在国际市场上的竞争力。 论文所作的主要工作和获得的成果有： (1)通过对平头倒棱机工艺流程的分析，采用复合式刀盘通社进行平头倒棱的加 工方式，并据此进行了总体方案设计，确定了系统的主要部件及其功

52、能。 (2)根据钢管端面切削倒棱的原理和要求，设计了具有内仿形靠模浮动刀架的外 倒棱浮动刀盘，使加工精度达到了预期目标； (3)根据钢管平头倒棱的特点，设计了固定夹紧和浮动夹紧相结合的夹紧装置， 保证了钢管夹紧的可靠性； (4)把工控机、西门子SINUMERIC 802D数控系统和PLC有机的结合在一起，组 成一个完整的、自动化程度很高的倒棱机控制系统。采用工控机完成对系统工作状 态的监控；采用西门子SINUMERIC 802D数控系统控制倒棱主机，完成对主轴进给 的半闭环伺服控制，并配置模拟主轴，提高平头倒棱精度和质量稳定性；采用S7 300PLC完成现场电气元件的信号采集和控制。 5.2

53、平头倒棱机的展望 国内钢管平头倒棱机已能够满足钢管加工的需要。在设计的过程中，本人也获 得了很大的收益，也有一些体会和启发，可以对平头倒棱机的进一步研发起到借鉴 作用。 由于平头倒棱机所应用的领域不同, 发展过程中存在的技术问题也不同, 解决以 下问题, 可促进我国平头倒棱机的改进和发展。 (1) 钢管领域随着管径壁厚不断地增大, 生产能力的提高, 对平头倒棱机系统的 稳定性提出了更高的要求, 对进给精度及自动化程度要求更高。以后应更多地采用 电机伺服系统, 夹紧、主轴箱及导轨都必须采用预紧系统, 更多地采用机、电、液一 体自动化网络, 才能适应技术发展的要求, 钢管平头倒棱机正在向高技术、高附加值 方向发展。 (2) 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 液压伺服方式来解决此一难题。