UOE焊管机组铣边机刀盘转速计算模型及铣削参数分析

黄 杰，徐根涛

（宝山钢铁股份有限公司，上海 201900）

1 概 述

宝山钢铁股份有限公司钢管条钢事业部UOE焊管生产线于2007 年投产，是国内首套现代化大直径直缝埋弧焊管机组。成型关键设备由德国MEER 公司设计制造，设计直径508～1 422 mm，厚度6～40 mm，最大长度18 300 mm，设计年产能50万t[1-4]。焊管生产线主要设备包括引弧板焊接机器人、板探设备、铣边机、CUO成型机等设备。其中，铣边机布置在引弧板焊接之后、预弯边之前，是UOE 生产线钢板成型前的一道重要工序，其作用是加工出精确的板宽和满足焊接工艺的坡口形状。铣边机的组成包括铣削单元主驱动、主铣头装置、夹钳小车、精对中装置、输送机辅助设备等，钢板由夹钳小车输送及固定[5]，铣削单元有4 个主铣头装置，安装了4 个刀盘，如图1所示。其中，一对钝边刀盘将钢板两侧加工成带一定角度的直边，保证精确板宽；另一对刀盘加工坡口的钝角，形成不同的上下坡口，满足后续内焊、外焊的坡口要求[6]。

图1 铣边机刀盘结构示意图

铣边机铣削工艺参数主要有刀盘实际尺寸（直径）、铣削线速度、铣削厚度、刀盘转速和夹钳小车速度等。铣削参数的合理匹配对保证钢板质量和刀具耐用度、提高生产效率和经济效益都具有十分积极的意义。铣削参数匹配不当，会导致切削力增大、切削温度升高、刀具寿命降低等问题，或不能充分发挥铣边机的性能，导致生产效率和经济效益降低。因此，有必要解读铣边机内部程序，研究铣边机铣削计算模型，并分析相关参数之间的关系，以指导铣边机的生产操作。

2 铣削工艺参数

埋弧焊管的焊缝质量受内外焊坡口形状的影响较大，精确的坡口尺寸是保证焊缝质量和焊缝形貌的必要条件。一般坡口铣削成X形[7-9]，如图2所示。其中，A为钢板厚度（mm），B为下坡口高度（mm），C为钝边高度（mm），D为上坡口高度（mm），E为下坡口角度（°），F为钝边角度（°），G为上坡口角度（°）。

(27)此次论坛以“优质·绿色·名牌”为主题，是面对中国食品行业举办的高层次、强实效、大影响的权威性活动。（2002·《人民日报》）

图2 钢板铣削后坡口尺寸参数

除上述参数外，还有部分参数，刀盘直径D0（钝边刀盘和坡口刀盘直径，mm），刀盘铣刀数量z（钝边和坡口刀盘铣刀数量），铣边机铁屑的平均厚度d（mm），铣刀旋转运动的线速度v0（m/min）。

钝边刀盘转速进一步简化过程如下：

而“东风破”作为一种曲调，出于宋代“曲破”一说。“东风破”可以算作典故的使用，意在使歌曲更加古色古香。

（2）根据坡口铣削量计算夹钳小车速度

3 铣削参数计算

金沙江，是长江的上游，在云南省内流经迪庆、丽江、大理、楚雄、昆明、曲靖、昭通7个州(市)，干流长度1650公里。它既是串联四川攀西和云南北部资源富集地区的一条纽带，也是长江上游地区对接中下游经济发达地区的一条水运通道。近年来，云南交投集团云南港航投资建设公司(简称云南港航投资公司)从保护金沙江生态功能入手，结合区位优势，积极推进金沙江中游库区航运基础设施等工程的建设，主动融入长江经济带建设。

图3 刀具切削过程几何示意图

根据几何关系，切削角α由单边切削量和刀盘直径D0确定，即

根据图2所示尺寸，可得到钝边单边铣削量

式中：x1——钝边单边铣削量，mm；

联立（1）式、（2）式和（3）式，可得单个钝边铣刀纵向进给量f值。

要保证每个刀片切削铁屑厚度的均匀，夹钳小车给料速度与纵向进给量f的关系应满足

z——刀盘上铣刀数量。

中国—东盟自由贸易区贸易便利化发展研究——以“一带一路”倡议为背景 ……………………………………………………………… 孙芸芸（3．15）

式中：v1——根据钝边量计算的夹钳小车速度，m/min；

同理，可得到上坡口及下坡口的铣削量x2和x3为

则取其最大值，坡口单边铣削量x4为

联立（1）式、（2）式、（5）式、（6）式和（7）式，可计算得到单个坡口铣刀纵向进给量f值。

从以上例子可以看出，“确认过眼神X”构式中的“X”可以指人、物、景，甚至是文化，电视剧等等，而变项“X”在进入该构式时，构式“确认过眼神X”会对这些变项产生压制作用：“若一个词项与它的句法环境在语义上不兼容，词项的意义便会顺应它所在的构式意义。”[6]42

则计算坡口刀盘所需夹钳小车进给速度v2，即

（3）冷启动问题。对于PoS共识机制而言，持币量和持币时间的增长会降低挖矿难度。因此在PoS共识下，初期持有代币的节点更加倾向于不进行交易，以获得挖矿利润。这就会造成代币不流通的问题，系统的启动较为困难。

对某一种规格的钢板来说，确定刀盘铣削速度和切削厚度就能推导出刀盘转速和夹钳小车速度。由于较快的夹钳小车速度可能导致切削力增大、切削温度升高、刀具振动加剧、刀具寿命降低等[10]，进而造成钢板加工尺寸不合格，所以需要分别计算出钝边刀盘和坡口刀盘铣削时夹钳小车的速度，选取二者中较小的值作为夹钳小车的速度。最终，夹钳小车进给速度取v1、v2的最小值，即

由（5）式和（6）式可知，坡口刀盘铣削量是定值，故坡口刀盘转速也是定值，即

考虑齿箱速比，坡口刀盘驱动电机转速为

式中：i—齿箱速比，取12.454。

ω2—坡口刀盘驱动电机转速，r/min。

根据已确定的夹钳小车速度v代入（4）式中的v1进行反推计算，钝边刀盘铣削线速度vd和钝边刀盘转速r1为

v0——铣削速度，m/min；

其中，v为式（9）计算的结果，单个钝边铣刀纵向进给量f仍由（1）式、（2）式和（3）式确定，需注意（3）式中平均单边板宽余量-X由测宽轮实测的单边余量X代替，该值根据钢板边部尺寸不断变化。

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由于x1<

对铣削过程进行分析，图3为切削过程几何示意图，红线部分为每次切下的铁屑，为弧形，其平均厚度为d，当该铁屑厚度极小时，可近似看做一平行四边形，如蓝线部分所示，则铣削厚度（d）与单个刀片纵向进给量（f）的关系为

而一般钝边角度F取2°或4°，tanF≈0，故（15）式最终简化为

则钝边刀盘驱动电机转速为

式中：ω1—钝边刀盘驱动电机转速，r/min。

4 计算示例及验证

以UOE 产线生产的钢板规格为例，设置参数如下：A=25.7 mm，B=10.7 mm，C=7 mm，D=8 mm，E=40°，F=4°，G=35°，z=33，D0=850 mm，v0=280 m/min，d=0.2 mm，X=4.1 mm，-X=4.4 mm。

（1）根据钝边铣削量计算夹钳小车速度

两个好吃嘴边吃边聊边走，吃得嘴唇冒油光，脸上都是那油竹扦蹭出来的印子，空荡荡的胃被填补起来，身边的一切也都变得温暖起来，炸串儿全都下了肚还意犹未尽，恨不得和猫咪一样把牙齿上残留着的渣渣都舔干净。如今想来，那种香喷喷的滋味真的再难寻得。

另外一部分参数无法预先设置，由铣边机内部PLC 计算，包括：单个刀片切削时的纵向进给量f（mm），刀盘开始铣板时的切削角α（rad），夹钳小车速度v（m/min），钝边刀盘铣削线速度vd（m/min），刀盘转速r（r/min），刀盘电机转速ω（r/min）。其中，夹钳小车速度直接影响生产效率，而刀盘转速则影响刀片使用寿命。

（3）夹钳小车速度

（4）钝边坡口电机转速

图4 为实际运行显示界面，计算所得夹钳小车速度及钝边坡口电机转速与生产实际基本一致。

本课程教学团队中有3名专任教师来自于企业，能够有效利用其丰富的工程实践经验，以企业产品为教学载体，构建基于工作过程的工作任务，提高教学质量。在课程实施过程中以省级焊接技术实训基地为依托，并且能够结合校外实训企业的产品生产过程，具备较好的硬件条件。

图4 操作面板实时显示画面

5 各参数对夹钳小车速度影响分析

以UOE生产线实际生产的25.7 mm厚度钢板为例，分析不同铣削线速度和不同铣削厚度对夹钳小车速度的影响。在铣削厚度不变的情况下，当铣削厚度d=0.2 mm、铣削线速度v0取200～400 m/min 时，根据前文所述公式，利用Matlab软件计算夹钳小车速度的变化规律，结果如图5所示，铣削线速度与夹钳小车速度呈线性正相关，随着铣削线速度的增大，夹钳小车速度也不断增大，故在一定范围内提高铣削线速度有益于提升铣边机的效率。

y(默认补偿)=-4.859+3.224x1-2.633x2+2.018x3+2.723z1-0.982z2+0.375z3+

图5 铣削厚度为0.2 mm时夹钳小车速度随铣削线速度的变化规律

在铣削线速度不变的情况下，设置铣削线速度v0=280 m/min、铣削厚度d取0.1～0.4 mm 时，利用Matlab计算夹钳小车速度的变化规律，结果如图6所示。铣削厚度与夹钳小车速度也呈线性正相关的关系，随着铣削厚度的增大，夹钳小车速度也增大。

图6 铣削线速度为280 m/min时夹钳小车速度随铣削厚度的变化规律

当 铣 削 线 速 度v0分 别 取200～400 m/min、铣削厚度d分别取0.1～0.4 mm 时，利用Matlab计算夹钳小车速度的变化云图，计算结果如图7 所示。从图7 可以看出，在铣削线速度取400 m/min，铣削厚度取0.4 mm 时，夹钳小车速度达到最大值9.29 m/min，在铣削线速度取200 m/min，铣削厚度取0.1 mm 时，夹钳小车速度仅为0.58 m/min。

图7 铣削线速度和铣削厚度对夹钳小车速度的影响关系

6 结 论

（1）根据UOE 焊管机组铣边机计算程序，整理出了一套夹钳小车速度及铣边电机转速的计算公式，并对其中的一些简化的公式进行反推演算。将计算得出的参数与生产实际参数进行对比验证，结果基本一致。

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（2）给出了铣削厚度、铣削线速度与夹钳小车速度的函数关系，并利用Matlab 软件计算，分析出了其影响规律，即铣削厚度、铣削线速度与夹钳小车速度均分别呈线性正相关。