三點(diǎn)式導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在HFW焊管內(nèi)毛刺修磨機(jī)上的應(yīng)用*

趙 輝，戴冬晨，王慶龍，劉 晟

（天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院，天津 300400）

1 概 述

焊管內(nèi)毛刺修磨機(jī)是HFW 焊管生產(chǎn)中不可或缺的設(shè)備之一，在HFW 焊管生產(chǎn)過程中，由于內(nèi)毛刺刮刀破損、 刮刀位置偏移、 刮除標(biāo)高意外降低、 內(nèi)刮刀導(dǎo)桿支持力不足、 內(nèi)毛刺堵刀等一系列原因，導(dǎo)致內(nèi)焊縫焊接擠壓毛刺殘余超標(biāo)，超標(biāo)內(nèi)毛刺如圖1 所示。 內(nèi)毛刺殘留缺陷會(huì)導(dǎo)致管材一次生產(chǎn)不合格，對(duì)此，生產(chǎn)中行之有效的處理方法就是采用離線直縫焊管內(nèi)毛刺修磨機(jī)對(duì)一次生產(chǎn)不合格的焊縫進(jìn)行修磨處理，將超標(biāo)的內(nèi)毛刺磨削掉，使其幾何尺寸達(dá)標(biāo)。 檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)一般參照API SPEC 5L 第45 版執(zhí)行，標(biāo)準(zhǔn)要求見表1。 標(biāo)準(zhǔn)對(duì) HFW焊管內(nèi)毛刺的刮削深度和余高的要求嚴(yán)格。 如果修磨后修磨區(qū)出現(xiàn)管壁超薄、 粗糙度不足、 缺陷等問題，達(dá)不到生產(chǎn)工藝的要求，則該部分鋼管只能降級(jí)使用，甚至成為廢品，造成經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 HFW 焊管超標(biāo)內(nèi)毛刺形貌

表1 HFW 焊管壁厚偏差檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

焊縫的修磨質(zhì)量取決于修磨過程的平穩(wěn)性和砂輪磨削過程中的精度控制。 在整個(gè)修磨過程中，修磨機(jī)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是保證修磨作業(yè)平穩(wěn)性和砂輪磨削精度的關(guān)鍵部件，對(duì)修磨質(zhì)量起決定性作用。 因此，要有效提高內(nèi)毛刺修磨質(zhì)量，磨削機(jī)構(gòu)的管內(nèi)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的選型優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

2 HFW焊管內(nèi)毛刺修磨機(jī)結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn)

目前，國內(nèi)普遍使用的HFW 焊管內(nèi)毛刺修磨機(jī)大體分為兩種布局結(jié)構(gòu)。 HFW660 生產(chǎn)線采用雙頭修磨結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。 整套修磨機(jī)由2 臺(tái)修磨主機(jī)構(gòu)成，單機(jī)長(zhǎng)約7.5 m，采用鋼管更換工位，兩臺(tái)7.5 m 的修磨機(jī)從管材兩頭向中間修磨。 該修磨機(jī)主傳動(dòng)軸采用剛性軸傳動(dòng)，如果剛性軸過長(zhǎng)，其自身較大撓度會(huì)造成重心偏移引起強(qiáng)迫振動(dòng)導(dǎo)致不能傳動(dòng)，因此設(shè)計(jì)長(zhǎng)度一般為7.5 m。 由于剛性軸采用軸承支撐，雖然剛性支撐力大，但剛性軸和軸承支撐結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致傳動(dòng)桿直徑大，因此該修磨機(jī)一般應(yīng)用于Φ355 mm 以上規(guī)格的大直徑HFW焊管，可修磨管材長(zhǎng)度約為14.5 m。 這種結(jié)構(gòu)的內(nèi)毛刺修磨機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工制造，廣泛應(yīng)用于HFW 焊管內(nèi)毛刺修磨領(lǐng)域。 但這種雙頭修磨機(jī)從兩端分別向管材中間修磨，導(dǎo)致管材的中間部分被修磨兩次，易產(chǎn)生壁厚超薄的問題。

圖2 HFW660 生產(chǎn)線雙頭修磨機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 HFW335 生產(chǎn)線單頭修磨機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

HFW355 生產(chǎn)線的內(nèi)焊縫修磨機(jī)為單頭結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。 單臺(tái)修磨主機(jī)機(jī)長(zhǎng)約14.5 m，由單個(gè)修磨頭從管材的單側(cè)開始對(duì)內(nèi)焊縫毛刺進(jìn)行全長(zhǎng)修磨。 該修磨機(jī)主傳動(dòng)軸一般采用鋼絲軟軸進(jìn)行傳動(dòng)，解決了長(zhǎng)距離剛性軸因?yàn)樽陨磔^大撓度，而造成重心偏移引起的強(qiáng)迫振動(dòng)過大不能傳動(dòng)的問題。 鋼絲軟軸相對(duì)于剛性軸無需軸承作為支撐，使得傳動(dòng)軸直徑較小，廣泛應(yīng)用于Φ355 mm 以下規(guī)格的小直徑焊管，可修磨管材長(zhǎng)度約14.5 m。 該種布局的單頭修磨機(jī)，采用鋼絲軟軸傳動(dòng)，雖然解決了長(zhǎng)距離傳動(dòng)問題，但由于軟軸剛性不足，修磨頭由于磨削的反作用力在管內(nèi)擺動(dòng)較大，導(dǎo)致修磨過程中產(chǎn)生修磨軌跡偏離或粗糙度超標(biāo)的現(xiàn)象，內(nèi)焊縫修磨的成材率較低，使得修復(fù)后超標(biāo)的管材仍然得降級(jí)使用。

3 三點(diǎn)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)應(yīng)用需求

對(duì)采用鋼絲軟軸傳動(dòng)的單頭修磨機(jī)來講，傳動(dòng)軸剛性不足是該修磨機(jī)急需克服的缺點(diǎn)，由于使用空間和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的限制，通過傳動(dòng)軸自身克服是不可能的，只有通過提高修磨頭導(dǎo)向定位機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)性，保證修磨頭的修磨過程穩(wěn)定，以此來彌補(bǔ)傳動(dòng)軸剛性不足的缺點(diǎn)。 HFW355 單頭修磨機(jī)采用單向反作用力導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)如圖4所示。 該機(jī)構(gòu)在磨削作業(yè)點(diǎn)正上方加設(shè)彈性支承，對(duì)修磨頭進(jìn)行定位導(dǎo)向。 但由于單頭修磨機(jī)傳動(dòng)軸剛性不足，砂輪磨削過程中，磨削反作用力和傳動(dòng)軸抖動(dòng)復(fù)合作用于定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)上，使得作用力是多方向的，采用單向反作用力導(dǎo)向機(jī)構(gòu)無法有效地保障單頭修磨機(jī)修磨的穩(wěn)定性。 這也是該修磨機(jī)在磨削過程中極易產(chǎn)生修磨軌跡偏離或粗糙度超標(biāo)、 內(nèi)焊縫修磨成材率較低的原因所在，因此若采用多方位定位導(dǎo)向?qū)⒛軌蚝芎玫亟鉀Q這一問題。在幾何結(jié)構(gòu)中，三角形的穩(wěn)定性最高，因此采用三點(diǎn)支撐是較為理想的導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠克服磨削過程中產(chǎn)生的多方向力，使修磨頭的定位穩(wěn)定，磨削作業(yè)平穩(wěn)。

圖4 單向反作用力導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

4 三點(diǎn)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

三點(diǎn)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)通過3 個(gè)導(dǎo)向輪在管壁內(nèi)部形成三角支撐，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小巧，能夠很好地保證修磨頭的直線運(yùn)動(dòng)和砂輪磨削過程中的控制精度。 該導(dǎo)向機(jī)構(gòu)特別適用于單頭修磨機(jī)，能有效解決單頭修磨機(jī)軟軸剛性不足、 修磨頭在管內(nèi)擺動(dòng)較大、 導(dǎo)致修磨過程中極易產(chǎn)生修磨軌跡偏離或粗糙度超標(biāo)的問題。 三點(diǎn)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)如圖5 所示，該機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)向槽、 導(dǎo)向槽底座、緩沖彈簧、 導(dǎo)向輪、 限位輥、 導(dǎo)向板等部分構(gòu)成，3 個(gè)導(dǎo)向輪形成了三角定位。 該支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)安裝于傳動(dòng)軸鄰近修磨頭的位置，安裝及更換方便，性能穩(wěn)定，性價(jià)比高。

圖5 三點(diǎn)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

5 三點(diǎn)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的工作原理

如圖5 所示，三點(diǎn)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和待磨管的內(nèi)管壁之間通過3 個(gè)導(dǎo)向輪相接觸，使得支撐點(diǎn)形成三角形機(jī)構(gòu)，支撐著修磨頭縱深運(yùn)動(dòng)。 導(dǎo)向輪選擇滾針軸承承載設(shè)計(jì)，用滾動(dòng)支撐代替相對(duì)滑動(dòng)，使得運(yùn)動(dòng)阻力降到最小。 限位輥與導(dǎo)向板采用2 個(gè)定位螺絲緊固連接，通過調(diào)整限位輥和導(dǎo)向板的相對(duì)位置來控制3 個(gè)導(dǎo)向輪與待磨管內(nèi)壁的精密配合，很好地克服磨削過程中產(chǎn)生的多方向力，保證定位精度，確保傳動(dòng)軸和砂輪在待磨管內(nèi)的直線運(yùn)動(dòng)，使得修磨軌跡不偏離。 導(dǎo)向板和導(dǎo)向槽通過導(dǎo)向槽上的4 個(gè)定位螺絲緊固連接，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向板沿著導(dǎo)向槽進(jìn)行上下方向的高度調(diào)整。 由于導(dǎo)向板利用3 個(gè)導(dǎo)向輪與待磨管形成精密配合，故通過調(diào)整導(dǎo)向板和導(dǎo)向槽的相對(duì)位置，能夠精確地調(diào)整傳動(dòng)軸的軸心 （即砂輪的中心） 相對(duì)于待磨管焊縫的高度，該調(diào)整實(shí)現(xiàn)了對(duì)砂輪片單次磨削的深度和修磨阻力的有效控制。 通過對(duì)砂輪片單次磨削深度的控制，能夠很好地保障修磨后焊縫壁厚尺寸和修磨面的表面粗糙度滿足技術(shù)要求； 通過對(duì)砂輪修磨阻力的控制，既能夠保證磨削最大工作效率，又能夠有效防止驅(qū)動(dòng)過載或砂輪由于阻力過大而破碎； 在修磨過程中，隨著砂輪磨損及砂輪直徑減小，將導(dǎo)向槽沿著導(dǎo)向板向下調(diào)整，就可以實(shí)現(xiàn)砂輪的中心相對(duì)于待磨管焊縫的高度降低，從而補(bǔ)償砂輪磨損造成的直徑減小，延長(zhǎng)了砂輪的使用壽命。

當(dāng)待磨管為同一管徑而壁厚不同或管徑變化不大時(shí)，可以通過調(diào)整或更換限位輥滿足待磨管小范圍的內(nèi)徑變化。 當(dāng)待磨管管徑發(fā)生變化，調(diào)整或更換限位輥不能夠滿足需求時(shí)，可通過更換導(dǎo)向板來滿足待修磨管內(nèi)徑大范圍變化的需求。通過限位輥和導(dǎo)向板的按需調(diào)整更換，使得修磨機(jī)能夠適用于大跨度管徑規(guī)格的修磨作業(yè)。

在導(dǎo)向槽和傳動(dòng)軸之間安裝有緩沖彈簧，可吸收磨削時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)，保證修磨作業(yè)的平穩(wěn)性，提高磨削表面的粗糙度。 當(dāng)管材焊縫內(nèi)毛刺的殘留高度突然增高而導(dǎo)致修磨量突然增大時(shí)，增大量會(huì)被彈簧有效抵消，使砂輪和設(shè)備不會(huì)因此損壞，從而繼續(xù)保持平穩(wěn)運(yùn)行。

6 應(yīng)用前景和效果

三點(diǎn)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)代替單向反作用力導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，使得HFW355 生產(chǎn)線的直縫焊管內(nèi)毛刺修磨成材率得到了較大的提高。 三點(diǎn)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)源于生產(chǎn)實(shí)踐，結(jié)構(gòu)新穎，簡(jiǎn)單合理，可拆卸的導(dǎo)向板和限位輥的設(shè)計(jì)能夠擴(kuò)大該結(jié)構(gòu)的管徑適用范圍。 通過調(diào)整限位輥、 導(dǎo)向板和導(dǎo)向槽的相對(duì)位置可適應(yīng)一定范圍內(nèi)管徑的變化，也可以補(bǔ)償砂輪的磨損。 三個(gè)導(dǎo)向輪支撐穩(wěn)定性高，能有效避免導(dǎo)向輪沿焊管內(nèi)壁產(chǎn)生周向滑動(dòng)，從而保證修磨精度和砂輪的直線進(jìn)給。 三點(diǎn)支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)修磨機(jī)具有修磨質(zhì)量高、 安全可靠、 維修方便、 可提高產(chǎn)品合格率等優(yōu)勢(shì)，尤其是通過精準(zhǔn)控制磨削深度，使得修磨質(zhì)量明顯提高，表面粗糙度可達(dá)到Ra12.5，可廣泛推廣應(yīng)用。