HFW鋼管銑切飛鋸機(jī)鋸片使用壽命分析

曲 欣

（中冶遼寧德龍鋼管有限公司，遼寧 鞍山114000）

0 前 言

伴隨著我國(guó)大直徑、大壁厚、高鋼級(jí)HFW直縫焊管機(jī)組的不斷建成投產(chǎn)，鋼管銑切飛鋸機(jī)及仿形銑切鋸片的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。 目前，HFW 直縫焊管機(jī)組配套的在線飛鋸設(shè)備種類較多，其中包括車削式、滾切式、普通單片鋸切及多片銑切鋸切等。 車削式和滾切式在線飛鋸機(jī)雖然具備了安全、節(jié)能、高效等優(yōu)點(diǎn)，但也存在鋸切時(shí)噪聲大、能耗高、單次鋸切壽命較低、斷口質(zhì)量差等不足，而且僅適用于圓管切斷，不能用于方矩管和開口型鋼的切斷，具有一定的局限性。 普通單片鋸切飛鋸機(jī)所使用的鋸片規(guī)格要達(dá)到Φ2 000 mm 以上，飛鋸機(jī)功率達(dá)到了300 kW甚至更高，整機(jī)質(zhì)量超過(guò)20 t，這給在線跟蹤鋸切帶來(lái)很大困難。 目前國(guó)外已淘汰了Φ2 000 mm左右的大型飛鋸機(jī)，取而代之的是新型數(shù)控仿形飛鋸機(jī)。 新型數(shù)控仿形飛鋸機(jī)采用多個(gè)小鋸片環(huán)繞鋼管外形輪廓來(lái)快速切斷鋼管，既節(jié)能又降低了噪音，還可以改善工作現(xiàn)場(chǎng)的安全性，保證了鋼管加工的質(zhì)量。

飛鋸切割技術(shù)是HFW 直縫焊管生產(chǎn)工藝流程中一道非常重要的工序，對(duì)鋼管是否能夠成功下線有著及其重要的影響。 該道工序的主要設(shè)備包括鋸切機(jī)、拉出輥及驅(qū)動(dòng)裝置等，主要作用是定尺切斷鋼管，并在切割過(guò)程中保證鋼管不會(huì)彎曲。

中冶遼寧德龍鋼管有限公司Φ630 mm HFW直縫焊管生產(chǎn)線采用奧地利Linsinger 公司MC4型飛鋸機(jī)，該設(shè)備具有高效、全自動(dòng)、節(jié)能、低噪、安全等優(yōu)點(diǎn)。 為了提高飛鋸機(jī)設(shè)備的使用效率和運(yùn)行水平，在鋸切鋼管的過(guò)程中更加合理地使用鋸片，減少因更換鋸片停車帶來(lái)的損耗，在日常使用設(shè)備時(shí)要不斷對(duì)其研究，積累經(jīng)驗(yàn)，從而提高設(shè)備的使用效率，降低焊管的制造成本。

1 HFW鋼管飛鋸機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 工作原理

奧地利LinsingerMC4 型飛鋸機(jī)設(shè)計(jì)采用數(shù)控仿形切割技術(shù)，同時(shí)安裝2 張或4 張鋸片在各自的主軸上，圍繞鋼管均勻布置，每張鋸片只需切透鋼管壁厚，然后沿管壁進(jìn)行仿形切割。 所以不論鋼管直徑多大，鋸片直徑一般在300～500 mm都可以切斷。 由于采用了較小直徑的鋸片，大大降低了銑切功率，裝機(jī)容量70～80 kW，遠(yuǎn)低于同規(guī)格機(jī)組的普通飛鋸功率。 所使用的鋸片刀頭的材質(zhì)為硬質(zhì)合金鑲齒，在鋸齒刃部磨出一定的切削傾角，鋸切時(shí)采用銑削加工的原理，這樣既可以提高鋸片的使用壽命也可以大大改善鋼管的斷口質(zhì)量。

HFW 直縫焊管的定尺長(zhǎng)度一般為6～18 m。通過(guò)飛鋸時(shí)，鋼管的喂入輸送是由一架輥道來(lái)完成。 當(dāng)鋼管進(jìn)入輥道時(shí)，雖然不同鋼管的外徑尺寸不同，但是整條生產(chǎn)線的工藝是以鋼管的最低邊緣作為參考，因此切削時(shí)不會(huì)有任何影響。 矩形管或方管的喂入是由一個(gè)附加高度調(diào)整輥道完成，當(dāng)不同尺寸的矩形管或方管進(jìn)入飛鋸機(jī)時(shí)，設(shè)備的識(shí)別是以其最初圓形鋼管的中心線作為參考進(jìn)行識(shí)別。

對(duì)行走鋼管進(jìn)行定尺的過(guò)程中，飛鋸前方安裝一臺(tái)可調(diào)節(jié)的測(cè)量輥，該測(cè)量輪可以對(duì)鋼管的行走長(zhǎng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，當(dāng)鋼管行走長(zhǎng)度滿足定尺數(shù)據(jù)時(shí)，夾具會(huì)接收到指令并抱緊鋼管 （以防止鋼管在切割過(guò)程中產(chǎn)生橫向或縱向的偏移），并進(jìn)行在線切割，同時(shí)測(cè)量輥立即對(duì)下一根鋼管進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量。 測(cè)量輥的另一個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)在于測(cè)量鋼管的運(yùn)行速度，在飛鋸機(jī)夾塊抱緊鋼管的同時(shí)要求它們的運(yùn)行速度必須一致，同時(shí)使鋸片與管端間的距離正好是定尺鋼管的設(shè)定長(zhǎng)度。

由于鋼管切斷是生產(chǎn)線極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此要求設(shè)備運(yùn)行可靠，否則一旦出現(xiàn)故障將會(huì)影響生產(chǎn)線的整體運(yùn)行速度。

1.2 銑切飛鋸機(jī)的類型

鋼管在線銑切鋸切技術(shù)在國(guó)外已有多年的應(yīng)用歷史，其制造技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。 飛鋸機(jī)按仿形原理大體可分為極坐標(biāo)式仿形和直角坐標(biāo)式仿形兩種，都適用于圓管、方管及矩形鋼管的鋸切。

圖1 極坐標(biāo)式仿形銑切飛鋸機(jī)鋸切結(jié)構(gòu)示意圖

中冶遼寧德龍鋼管有限公司采用的是極坐標(biāo)式仿形飛鋸機(jī)。 極坐標(biāo)式仿形銑切飛鋸機(jī)鋸切結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 該飛鋸機(jī)主體結(jié)構(gòu)為圓盤可旋轉(zhuǎn)門架形式，圓盤通過(guò)導(dǎo)軌可以自由旋轉(zhuǎn)。 圓盤上安裝8 條直線導(dǎo)軌，在導(dǎo)軌外側(cè)各安裝一組鋸片主軸，每組鋸片主軸由一臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況調(diào)節(jié)鋸片的旋轉(zhuǎn)速度。 四臺(tái)伺服電機(jī)由數(shù)控系統(tǒng)集中控制，各導(dǎo)軌上的旋轉(zhuǎn)鋸片可以通過(guò)行走距離的長(zhǎng)短來(lái)適應(yīng)不同管型的鋼管鋸切。 一般情況下，該飛鋸機(jī)的工作過(guò)程是4 個(gè)鋸片快速接近鋼管，并直接切透，切透深度可自行選擇，然后在外圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，鋸片與圓盤同步快速沿鋼管的外輪廓旋轉(zhuǎn)，并最終切斷鋼管。

1.3 銑切飛鋸機(jī)的適用范圍

MC4 型飛鋸機(jī)可以鋸切大中型HFW 焊接鋼管，鋸切鋼管的規(guī)格范圍為 （Φ219～Φ630） mm×（4～20） mm 圓管，（180×180～500×500） mm×（4～20） mm 方管及 （200×150～600×400） mm×（4～20） mm 矩形鋼管。 由于銑切鋸片采用了硬質(zhì)合金鋸齒，所以能夠鋸切強(qiáng)度較高的石油天然氣輸送管，最高鋼級(jí)可達(dá)X80，最大鋼管壁厚可達(dá)20 mm，這是普通飛鋸機(jī)難以實(shí)現(xiàn)的。

1.4 銑切飛鋸機(jī)的輔助功能

為保證鋼管鋸切時(shí)完全與鋸片同步，不能發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在飛鋸機(jī)的鋼管輸入及輸出端各設(shè)有一套液壓夾緊裝置，分別布置在水平、垂直兩個(gè)方向上，并且在鋸前加設(shè)一套主夾具，如圖2所示。 鋸切鋼管時(shí)，可根據(jù)不同管型換用相應(yīng)規(guī)格的夾塊。 此種夾具設(shè)計(jì)不但可以和鋼管外壁很好的接觸，還可以保證鋼管的外表面不被劃傷，雖然換型過(guò)程比較費(fèi)時(shí)，但鋸切鋼管時(shí)管體穩(wěn)固，減震效果很好。

圖2 固定鋼管主夾具結(jié)構(gòu)示意圖

2 飛鋸鋸片壽命的影響因素

2.1 冷卻對(duì)鋸片壽命的影響

HFW 鋼管數(shù)控鋸切是20 世紀(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家研發(fā)成功的一項(xiàng)新技術(shù)，具有技術(shù)含量高、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)。 鋼管數(shù)控鋸切技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵因素就是鋸片，它直接關(guān)系到鋼管鋸切的效率和質(zhì)量。由于工作條件比較惡劣，銑切鋸片既要承受近200 m/min 的切削速度和較大的進(jìn)給速度，又要承受一定的沖擊和碰撞，此外鋸片還可能處于干切削或不均勻的冷卻之中，所以對(duì)鋸片的性能提出了很高的要求。

飛鋸鋸片銑切面積一般達(dá)到2.5 m2/片時(shí)就要將其全部換下修磨。 銑切鋸片刀頭鑲嵌硬質(zhì)合金刀刃，對(duì)使用有特殊要求，冷卻時(shí)不宜采用水或乳化液，而應(yīng)采用噴、淋油進(jìn)行冷卻，但不能頻繁冷卻。 中冶遼寧德龍鋼管有限公司生產(chǎn)時(shí)采取每12 m （標(biāo)準(zhǔn)鋼管長(zhǎng)度） 噴 4 次，這樣不僅可以提高鋸片的使用壽命，還可以減少鋸片掉齒導(dǎo)致停車而帶來(lái)的損失。

2.2 參數(shù)設(shè)置對(duì)鋸片壽命的影響

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作過(guò)程中，需要輸入三個(gè)主要參數(shù)，即單齒徑向進(jìn)給量、單齒周向進(jìn)給量和切削線速度。

為簡(jiǎn)化說(shuō)明，先設(shè)定所用變量為：

Ds——鋸片直徑，mm；

Z——鋸片齒數(shù)（鋸齒數(shù)量）；

Sz——刀盤每旋轉(zhuǎn)一周徑向進(jìn)給量，mm ；

Sp——刀盤每旋轉(zhuǎn)一周周向進(jìn)給量，mm；

vc——鋸片線切削速度，m/s；

t——單根鋼管鋸切時(shí)間，s；

Nc——鋸片轉(zhuǎn)速，r/min；

fr——單齒徑向進(jìn)給量，mm/齒；

fp——單齒周向進(jìn)給量，mm/齒。

以 Φ610 mm×12.7 mm，材質(zhì) Q345B 的鋼管為例，計(jì)算步驟如下：

（1） 首先根據(jù)材質(zhì)和壁厚選擇 vc，vc范圍為180～220 m/min，設(shè)定為 200 m/min；

（2） 根據(jù) vc計(jì)算鋸片主軸轉(zhuǎn)速，Nc=vc/（πDs），（對(duì)于圓形鋼管，選用鋸片 Ds統(tǒng)一為300 mm）；

（3） 根據(jù)材質(zhì)和壁厚，刀盤每旋轉(zhuǎn)一周徑向進(jìn)給量 Sz，一般推薦在 0.02～0.05 mm，設(shè)定為0.03 mm；

（4） 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體測(cè)量，單根鋼管鋸切時(shí)間t 大概需要 24 s，鋸片齒數(shù) Z 為 44 齒；

（5） 單齒徑向進(jìn)給量fr=Sz·t·Nc/Z≈0.06 mm/齒；

（6） 根據(jù)材質(zhì)和壁厚，刀盤每旋轉(zhuǎn)一周周向進(jìn)給量Sp，設(shè)定為0.03 mm；

（7） 單齒周向進(jìn)給量 fp=k·Sz·t·Nc/Z≈0.11 mm/齒。

需要注意的是，因不確定Linsinger 公司的數(shù)控程序的編寫方法，這一進(jìn)給速度只是近似值，k是修正參數(shù)，可取1.6～1.9，這里選取為1.9。

輸入?yún)?shù)的設(shè)定直接影響到鋸片和飛鋸機(jī)的使用壽命，更關(guān)系到鋼管的成材率。

以前設(shè)置的輸入?yún)?shù)：?jiǎn)锡X徑向進(jìn)給量為0.10 mm 齒； 單齒周向進(jìn)給量為 0.12 mm/齒； 切削線速度為170 m/min （奧地利Linsinger 公司提供）。 當(dāng)鋸切 Φ610 mm×12.7 mm Q345B 鋼管時(shí)，每組鋸片平均可以切割242 根鋼管，切削面積為

式中：S——切削總面積，m2；

n——鋼管根數(shù)；

R——鋼管外徑，mm；

r——鋼管內(nèi)徑，mm；

t——鋼管壁厚，mm。

每組鋸片 （4 片） 的切削面積為 5.76 m2，則單片鋸片的切削面積為1.44 m2。

優(yōu)化后設(shè)置的輸入?yún)?shù)：?jiǎn)锡X徑向進(jìn)給量為0.06 mm/齒； 單齒周向進(jìn)給量為 0.11 mm/齒； 切削線速度為200 m/min。 鋸切同樣規(guī)格和材質(zhì)的鋼管時(shí)，更換一次新鋸片平均可以切割640 根鋼管，切削面積為15.23 m2，單片切削面積達(dá)到3.80 m2。

由此可見，參數(shù)優(yōu)化后，同等生產(chǎn)條件下，每組鋸片可多切割鋼管398 根，顯著延長(zhǎng)了銑切鋸片的使用壽命，減少了鋸片消耗，同時(shí)因減少停機(jī)次數(shù)提高了鋼管的成材率和一級(jí)品率，降低了生產(chǎn)成本。

鋼管鋸切過(guò)程復(fù)雜，通過(guò)不斷的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，也摸索出了一些的規(guī)律，在生產(chǎn)實(shí)際中，可以遵循以下原則來(lái)設(shè)定參數(shù)：①關(guān)于材質(zhì)，主要影響切削速度的選擇。 抗拉強(qiáng)度高的材質(zhì)切削速度要低，單齒進(jìn)給要小； 相反，抗拉伸強(qiáng)度低的材質(zhì)切削速度可適當(dāng)提高。 ②關(guān)于外徑和壁厚，主要影響齒數(shù)的選擇。 外徑大，厚壁鋼管要選齒數(shù)少的鋸片； 薄壁管可選齒數(shù)多的鋸片。 管壁厚薄一般以10 mm 為分界限。

這里要說(shuō)明的是材料強(qiáng)度的判別標(biāo)準(zhǔn)，不同鋼材等級(jí)的抗拉強(qiáng)度見表1。 一般情況下，抗拉強(qiáng)度小于400 N/mm2為低強(qiáng)度，400～500 N/mm2為中等強(qiáng)度，500～850 N/mm2（或以上） 為高強(qiáng)度。

表1 不同鋼材等級(jí)的抗拉強(qiáng)度

要注意的是，單齒進(jìn)給要根據(jù)切削時(shí)的實(shí)際情況來(lái)調(diào)整，為了保證鋸切質(zhì)量，外徑大的厚壁鋼管要選用較少的單齒進(jìn)給量。

3 結(jié)束語(yǔ)

MC4 飛鋸機(jī)是一種新型的焊管生產(chǎn)在線切割設(shè)備，也是鋼管生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備。 通過(guò)在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷地摸索和優(yōu)化，科學(xué)合理地控制好飛鋸的各項(xiàng)參數(shù)，不僅可以提高設(shè)備的使用效率和運(yùn)行水平，還能降低焊管的制造成本、提高產(chǎn)品的成材率，同時(shí)對(duì)消化吸收國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)、實(shí)現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)化和創(chuàng)新都具有非常重要的意義。