UOE钝边铣削单元与钢板综合作用对铣削的影响

孙凤龙，戴学余

（宝山钢铁股份有限公司，上海201900）

UOE钝边铣削单元与钢板综合作用对铣削的影响

孙凤龙，戴学余

（宝山钢铁股份有限公司，上海201900）

针对UOE生产线铣边机铣削过程中钢板钝边高度超差问题，从钝边铣削单元在钢板宽度方向的偏移运动分别与钢板的偏移、偏转运动综合作用着手，系统地分析了钝边高度的变化规律，建立了钝边高度与钢板偏移量的函数关系式，并绘制出两种综合作用下钢板钝边高度的变化曲线。明确了钝边高度变化趋势与钝边铣削单元和钢板运动之间的关系，为快速确定钝边高度超差原因及解决措施提供理论依据，对设备的改进具有一定的参考价值。

UOE生产线；铣边机；钝边铣削；铣削单元偏移；钢板运动；综合作用；钝边高度超差

我国国民经济的持续高速发展促使能源消费结构逐步改变，石油、天然气的消费比例大幅度提高，而石油、天然气的长距离输送成为制约能源发展的重要因素。随着“西气东输”项目中输送油气用直缝埋弧焊管的大量应用，以及直缝焊管在钢结构基础建设中被普遍使用［1-4］，建设专用直缝埋弧焊管机组成为我国国民经济发展和能源结构调整的重要保障［5］。为此，宝山钢铁股份有限公司（简称宝钢股份）于“十一五”期间投资兴建了我国第一套现代化的大直径UOE直缝埋弧焊管机组［6］。

作为焊管生产线中高精度及关键设备的钢板铣边机，不仅对铣削后的板边坡口高度及精度、钝边高度及精度有重要影响，还决定着后续焊接的质量，影响钢管的最终质量和产量［7-11］。铣边机的组成包括铣削单元主驱动、夹钳小车、精对中装置、粗对中装置、输送及辅助设备等。其中，钢板由夹钳小车输送和固定，铣削单元主驱动与地基之间通过滑动导轨连接，铣削单元主驱动通过液压控制系统在导轨上移动调整位置。铣边机铣削过程中，若钢板偏离正常位置运动，不仅影响钢板板边的钝边高度及精度，还会造成铣削力的变化，进而引起铣削单元产生偏离正常位置的运动，加剧对钢板板边钝边高度及精度的影响。

导致钢板产生偏移正常位置运动的原因有多种：由多节短导轨组成的长达52 200 mm的夹钳小车导轨直线度或平面度有误差；夹钳小车的固定夹钳和移动夹钳液压系统出现故障，导致夹持力不足以夹紧钢板等。造成钝边铣削单元刀具偏离正常位置的原因：钝边铣削单元的刀具在铣削前由于人为因素没有安装到位；调整钝边铣削单元位置并起锁紧作用的液压系统出现故障，导致其锁紧液压力不足以保证钝边铣削单元固定于正常工作位置；铣削单元本身的刚度不足；地基刚度不够等。

本文将系统地分析铣削过程中钢板与钝边铣削单元综合作用对钝边高度的影响，为判定引起钝边高度超差的原因提供理论参考依据，并提出相应的设备改进措施。

1 钝边高度与钢板宽度方向偏移的关系

焊管生产线中钢板与铣削单元刀具的位置关系如图1所示。l为钢板与铣削单元之间在钢板宽度方向产生的变化量，h为设定的钢板钝边高度，h0为钢板钝边的实际高度，h1、h2为钝边高度的变化量，E为坡口刀具下坡口角度，F为钝边刀具角度，G为坡口刀具上坡口角度。

图1 钢板与铣削单元刀具的位置关系示意

根据图1中钢板与铣削单元的位置关系及刀具的几何形状，建立钝边高度与钢板在宽度方向偏移量的函数关系式：

当钢板产生靠近坡口刀具的偏移时，钢板与坡口刀具之间的实际距离小于设定的距离，式（1）中的“±”选用“-”；反之，则选用“+”。

在铣削不同厚度的钢板时，所选用的钝边刀具与坡口刀具不同，且铣削的钢板钝边高度也不相等。本文以厚度13.6 mm的钢板为例进行分析，相应坡口刀具的E=45°、G=40°，钝边刀具的F=2°，设定的钢板钝边高度h=5 mm。

2 不同综合作用对钝边高度的影响

铣削过程中，钢板与铣削单元之间的相对位置影响钢板的钝边高度。当钝边铣削单元在钢板宽度方向以一定的速度偏移运动时，分别分析其与钢板的偏移、偏转运动综合作用在整个铣削过程中对钝边高度变化的影响。

2.1 建立坐标系

根据宝钢股份UOE机组铣边机的布局，沿钢板前进方向，定义两台钝边铣削单元主驱动分别为Ⅰ右、Ⅰ左，两台坡口铣削单元主驱动分别为Ⅱ右、Ⅱ左。以钢板中心为原点，以钢板前进方向为正Y方向，钢板沿宽度向右运动方向为正X方向，Z方向由右手定则确定，建立坐标系如图2所示。在Y方向，钝边铣削单元与坡口铣削单元之间的距离为2 400 mm。

图2 建立的坐标系示意

2.2 钢板偏移与钝边铣削单元运动综合作用

假设整个铣削过程中，钢板在被铣削的同时以速度vx0沿X方向偏移，同时钝边铣削单元Ⅰ右以速度vx1沿X方向偏移，钝边铣削单元Ⅰ左位置不变。此情况下钢板与铣削单元之间的相对距离产生的变化量如图3所示。

图3钢板X方向偏移量示意

图3 中虚线表示钢板未发生X方向偏移及偏转情况下钢板的位置，粗实线表示钢板的实际位置。在钢板经过钝边铣削单元与坡口铣削单元之间的过程中，设钢板右侧实际被铣削位置相对于设定位置在X方向产生的偏移量为lxr，钢板左侧实际被铣削位置相对于设定位置在X方向产生的偏移量为lxl。

根据钢板与铣削单元的运动情况，可分别得到lxr、lxl的函数关系表达式：

式中t——钝边铣削单元偏移运动时间，s；

vy——钢板前进速度，mm/s。

由式（1）和式（2）可得钢板右侧钝边高度的数学表达式为：

由式（1）和式（3）可得钢板左侧钝边高度变化的数学表达式为：

假设vx0=0.04（mm/s）、vx1=0.04（mm/s）、vy=100（mm/s），根据式（4）和式（5），利用MATLAB软件绘制的钢板偏移与钝边铣削单元运动综合作用下钢板左、右两侧钝边高度变化曲线如图4所示。

2.3 钢板偏转与钝边铣削单元运动综合作用

假设整个铣削过程中，钢板在被铣削的同时绕Z轴以一定的角速度wz0逆时针偏转，且铣削单元Ⅰ右以一定的速度vx1沿X方向偏移，钝边铣削单元Ⅰ左位置不变。钢板偏转与铣削单元偏移时的位置关系如图5所示。

图4 钢板偏移与钝边铣削单元运动综合作用下钢板左、右两侧钝边高度变化曲线

图5 钢板偏转与铣削单元偏移时的位置关系示意

图5 中A点为钢板板边经过钝边刀具时被切削的任意位置，B点为A点运动到坡口铣削单元的位置，a为钢板的长度，b为铣削后钢板的宽度，t1为从铣削开始钢板中心运动的时间，r0为钢板与钝边刀具接触的位置到旋转中心的距离（即OA的长度），θ0为钢板上被铣削位置的初始角度，θz0为A点运动到坡口铣削单元位置B时钢板转过的角度，lxx为B点到Y轴的距离。

根据图5所示钢板与铣削单元之间的位置关系，以及钢板偏转、钝边铣削单元偏移的运动形式，可以推导出该种运动形式钢板右侧偏移量的数学表达式：

式中t0——A点通过钝边与坡口铣削单元之间的距离所用的时间，s。

由式（1）和式（6）可得钢板右侧钝边高度的数学表达式：

由式（1）和式（8）可得钢板左侧钝边高度的数学表达式：

假设a=10 000（mm）、b=1 500（mm）、vy=100（mm/s）、wz0=7×10-6（rad/s）、vx1=0.01（mm/s），钢板铣削开始时钝边铣削单元开始偏移，即t1=t，根据式（7）和式（9），利用MATLAB软件绘制钢板偏转与钝边铣削单元运动综合作用下钝边高度变化曲线如图6所示。

由图4和图6可知：钢板的实际位置相对于设定位置产生靠近坡口铣削单元的运动时会导致钢板钝边高度的减小，相反则引起钢板板边钝边高度的增大。此外，当钝边铣削单元沿钢板宽度方向产生偏离钢板的运动时，同样会导致钢板板边钝边高度的减小。

图6 钢板偏转与钝边铣削单元运动综合作用下钝边高度变化曲线

3 设备改进措施

（1）提高夹钳小车导轨精度及小车与导轨的装配精度。根据检测与试验测试数据确定钝边高度超差状况，然后对导轨进行精调或精修，以提高导轨全长范围内的直线度和平面度。同时，调整导轨与小车之间的每组夹钳小车导轮机构，即分别调整夹钳小车导轮机构中上下、左右导轮的一致性及预紧状态。

（2）均衡和提高铣削单元系统刚度。设计钢质的铣削单元与小车部分导轨公共固定平台，使其内力达到平衡，设备整体外力最小化。铣削单元与小车导轨公共平台改进装置如图7所示，改进后铣削单元位置布局如图8所示。

图7 铣削单元与小车导轨公共平台改进装置

由图7～8可以看出：在不改变小车导轨和地基原位置的条件下，沿铣削钢板宽度方向，通过由地脚螺栓固定于地面上的定位钢板，将两个钝边铣削单元和两个坡口铣削单元连接为一个整体结构，不仅可以实现各铣削单元的独立调整功能，还使其具有刚度大、不易变形的优点。经过改进后，一方面增大了基础与地基（水泥地面）之间的接触面积，使摩擦力增大，进而使地基愈加平稳可靠；另一方面，位于定位钢板上的挡板除了具有地基定位功能外，还使铣削单元的基础周围增加了位置约束，一定程度上卸载基础受到的切削力，可有效地阻止基础产生移位，使其所能产生的位移更加有限。此外，改进后各铣削单元受到的铣削力由外力转化为内力，4个铣削单元之间产生相互约束作用，削弱了对地基的影响。

图8 改进后铣削单元位置布局示意

4 结语

通过研究钝边铣削单元与钢板共同作用对钢板钝边高度变化的影响，明晰了钢板钝边高度的变化趋势。绘制钝边高度变化曲线，并由此确立钝边高度变化与钢板运动和钝边铣削单元运动之间的关系。为解决钢板和铣削单元在钢板铣削过程中偏离正常位置导致的钢板铣削质量超差问题，提出了对夹钳小车和铣削单元的针对性改进措施，以期为后续设备的改进提供参考。

［1］刘玉文，余大典，李建新，等.宝钢ERW610焊管机组的技术先进性分析［J］.钢管，2006，35（1）：32-36.

［2］王兆聚.宝钢HFW焊管线自动控制系统［J］.宝钢技术，2008（5）：25-29.

［3］郭宝峰，孙敏.大口径直缝焊管UOE成形技术及发展策略［J］.锻压技术，2000（3）：22-25.

［4］侯帅，张海军，兰兴昌.大口径直缝埋弧焊管生产技术与装备的新进展［J］.钢管，2009，38（1）：46-52.

［5］赵建军，李养兵，赵勇，等．浅谈大直缝埋弧焊管用铣边机组［J］．现代营销：学苑版，2009（9）：216．

［6］王宗南，马彦东．宝钢UOE机组的装备水平与工艺技术［J］．宝钢技术，2007（2）：52-56．

［7］张雷，王志太，王占理，等．焊管生产中带钢的板边加工［J］．焊管，2000，23（1）：33-35．

［8］刘成坤，崔远洋．模块式铣边机刀盘的研制与应用［J］．焊管，2011，34（10）：33-36．

［9］常铁锤，邓长益.焊管生产用带钢铣边机设计研究［J］.焊管，1999，22（4）：24-27，31.

［10］陈秀玲，漆曙蓉，姜福红.HK型铣边机在螺旋焊管生产线的应用与改进［J］.石油机械，2009，37（7）：37-39.

［11］陈秀玲，漆曙蓉.铣边机在螺旋焊管生产中的应用研究［J］.江汉石油科技，2009，19（3）：39-43，46.

Combined Effects by Blunt Edge-milling Unit Operation and Steel Plate Movement of UOE Welding Pipe Line on Milling Efficiency

SUN Fenglong DAI Xueyu
（Baoshan Iron&Steel Corp.，Ltd.，Shanghai 201900，China）

Addressing the problem of out-of-tolerance of the steel plate blunt edge height during the milling process of the edge milling machine of the UOE welding pipe production line，considering the combined effects by the displacement of the blunt edge milling unit in the direction of the width of the steel plate，and the displacement and deflection movements of the steel plate respectively，the regularity of change of blunt edge height is analyzed systematically，and accordingly the function relationship between the blunt edge height and the offset of the steel plate is established，while height variation curves of the steel plate blunt edge as under the two combined effects are plotted.As a result，the relationship between the change trend of the blunt edge height and the movements of the blunt edge-milling unit and the steel plate is identified，which provides a theoretic basis for quickly finding out the causes for blunt edge height out-of-tolerance，and determining relevant actions for solution of the problem，being of certain reference value for modification of the equipment.

UOE welding pipe production line；edge-milling machine；blunt edge milling；displacement of the milling unit；movement of the steel plate；combined effects；out-of-tolerance of blunt edge height

TG441

B

1001-2311（2014）06-0053-05

2013-09-16；修定日期：2014-11-14）

孙凤龙（1981-），男，硕士，工程师，主要从事HFW、UOE焊管生产线设备管理工作。