小口徑高速精密鋼管矯直機(jī)組的研制介紹
小口徑精密鋼管一般以冷軋和冷拔的方式生產(chǎn)，隨著小口徑高速冷軋機(jī)和高速多線冷拔機(jī)的應(yīng)用，實(shí)施小口徑鋼管在線矯直成為可能。其難點(diǎn)在于如何解決經(jīng)高速冷軋、冷拔并經(jīng)退火之后的彎曲鋼管的無人工干預(yù)下的準(zhǔn)確上料和主機(jī)高速矯直過程中的穩(wěn)定性問題。中國重型機(jī)械研究院有限公司為江蘇某廠的30mm無縫鋼管生產(chǎn)線提供的精密高速鋼管矯直機(jī)很好的解決了上述問題，可以作為類似生產(chǎn)線設(shè)備的參考。
1 引言
國內(nèi)現(xiàn)有的小口徑精密鋼管生產(chǎn)線以冷軋和冷拔方式為主，再配以酸洗和熱處理以及離線矯直工序。其中冷軋和冷拔工序是整個(gè)生產(chǎn)線的瓶頸，為了追求產(chǎn)最不得不配置很多車間和冷軋、冷拔機(jī)，占據(jù)了大量的廠房和操作維妒人員，使噸鋼成本消挺至高不降。為了解決這個(gè)問題，德圖Meer公司和意大利麥爾公司相繼開發(fā)出了小門徑鋼管高速冷軋機(jī)和3線高速冷拔機(jī)，軋制以及拔制效率分別比傳統(tǒng)設(shè)備提高了3-5倍。這就形成了小口徑精密鋼管生產(chǎn)新工藝，即離錢高速軋制一一預(yù)矯直一一在線拔制一一在線化學(xué)處理一一在線熱處理一一在線高速嬌直一一后續(xù)的在線探傷、切頭、切尾以及測長稱重等，使生產(chǎn)效率得到大幅提高，場地展用、人員配置大幅減少。
對經(jīng)熱處理之后的小口徑鋼管進(jìn)行在線嬌直難度在于: 如何解決經(jīng)熱處理之后彎曲鋼管的快速準(zhǔn)確上料問題; 如何解決鋼管頭部穩(wěn)定進(jìn)入矯直機(jī)主機(jī)以及高速穩(wěn)定矯直問題(純矯速度為普通小口徑矯直機(jī)速度的2-3 倍); 還有因?yàn)楦咚俪C直帶來的設(shè)備結(jié)構(gòu)安全性問題。
目前由于引進(jìn)高速冷軋機(jī)和3線高速冷拔機(jī)費(fèi)用問題，國內(nèi)采用高速冷軋以及冷拔在線生產(chǎn)鋼管的廠家甚少，但是此生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率是不言而喻的。2011年江蘇某廠上馬了一條到30mm精密鋼管生產(chǎn)線，為了節(jié)省投資采用了點(diǎn)菜式的設(shè)備引進(jìn)方式，除去3線高速冷拔機(jī)和高頻打頭機(jī)引進(jìn)之外，其余設(shè)備均為國內(nèi)配套。高速軋機(jī)為國內(nèi)的亞高速軋機(jī)(擺動(dòng)次數(shù)為國外的2/3弱) ，矯直機(jī)由中國重型機(jī)，械研究院有限公司提供，最高矯直速度為65m/min(指鋼管軸向前進(jìn)速度)。一年多的生產(chǎn)結(jié)果表明: 該矯直機(jī)組為解決熱處理之后彎曲鋼管的上料問題設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是可靠的; 為解決鋼管頭部穩(wěn)定進(jìn)入矯直機(jī)主機(jī)而采用的低速咬入、高速矯直工藝是可行的; 后臺(tái)拋料機(jī)構(gòu)以及為防止因高速帶來的不安全因素設(shè)計(jì)的相應(yīng)機(jī)構(gòu)是正確的。在性能指標(biāo)上和進(jìn)口設(shè)備相平齊，在造價(jià)上僅為國外設(shè)備的1/3，可以作為國內(nèi)今后類似生產(chǎn)線的設(shè)備選型參考。
2 矯直機(jī)組的設(shè)備組成及工藝過程描述
2. 1 設(shè)備組成
如圖1所示，矯直機(jī)組由前臺(tái)散料裝置(序號1) 、分料裝置(序號2) 、前臺(tái)扣瓦裝置(序號3) 、人料夾送輥(序號4)、主機(jī)(序號5 ) 、出料夾送輥(序號6)、后臺(tái)裝置( 序號7) 以及液壓和電氣裝置等組成。分別實(shí)現(xiàn)被矯鋼管的分散和單根上料，并在主機(jī)的參與下對鋼管實(shí)施矯直。
2 . 2 矯直工藝過程
熱處理完畢之后的鋼管呈排狀出爐，經(jīng)過橫移機(jī)構(gòu)將成排的鋼管移到散料裝置上，散料裝置為鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)， 在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中帶動(dòng)成排的鋼管前進(jìn)，當(dāng)鋼管在鏈條的帶動(dòng)下經(jīng)過分料裝置時(shí)，鋼管頭部被分料裝置的夾鉗(根據(jù)不同的鋼管直徑規(guī)格，調(diào)節(jié)夾鉗的開口度保證每次只能夾住一個(gè)鋼管的頭部)夾緊，夾緊之后隨著分料裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)，將被夾緊鋼管和其余鋼管分開，位于被夾鋼管和其余鋼管之間的分料鏈床迅速啟動(dòng)，將被夾持鋼管和其余鋼管由頭部到尾部迅速徹底分開。
分開之后的鋼管落入前臺(tái)扣瓦裝置中，在入料夾送輥的帶動(dòng)下喂入主機(jī)進(jìn)行矯直。矯直結(jié)束后，后臺(tái)夾送輥啟動(dòng)，將鋼管送出主機(jī)，延時(shí)后，后臺(tái)扣瓦打開，鋼管落入后臺(tái)橫移鏈床，進(jìn)入下步工序。
為了實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)矯直，全線安裝了大量的光刪和光電開關(guān)，以檢測鋼管頭、尾為各動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出訊號。
3 備組成部分的主要特點(diǎn)
熱處理之后的小口徑鋼管的特點(diǎn)是又細(xì)又長(例如本生產(chǎn)線中的鋼管直徑范圍為10-30mm,長度為28m)，剛性很差，且有不規(guī)則的彎曲，很難用常規(guī)的撥料機(jī)構(gòu)進(jìn)行單根上料，目前國內(nèi)小口徑鋼管矯直前的上料幾乎均為人工上料，效率低下，操作勞動(dòng)強(qiáng)度較大。
如果提高矯直節(jié)奏后，不僅采用人工上料不合實(shí)際，而且即便是被矯鋼管落入前臺(tái)扣瓦，高速的喂入主機(jī)的過程也比較危險(xiǎn)，容易發(fā)生管頭從主機(jī)竄出的惡性事故。因此對熱處理完畢之后的鋼管實(shí)施在線矯直的難點(diǎn)在于如何使彎曲的鋼管單根落入前臺(tái)扣瓦以及順利喂人主機(jī)。為此在為江蘇某廠提供的30mm在線高速精密矯直機(jī)設(shè)計(jì)了分料裝置、人料夾送輥、主機(jī)1JHJ下輥快開機(jī)構(gòu)以及低速咬入高速矯直的工藝，這些為該機(jī)組的主要特點(diǎn)。
3. 1 分料裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及特點(diǎn)
設(shè)計(jì)分料裝置的目的是將被矯鋼管和其余待矯鋼管的頭部分開，達(dá)到每次上料只上一根鋼管的日的。實(shí)施這一鋼管分離的動(dòng)作，還必須有幾個(gè)輔助動(dòng)作: 將被矯鋼管和待矯鋼管頭部壓齊; 調(diào)節(jié)分料裝置的夾鉗開口度以適應(yīng)當(dāng)前被矯鋼管，保證夾鉗在運(yùn)動(dòng)軌跡范圍內(nèi)每次只夾一根鋼管; 待被矯鋼管和待矯鋼管尾部頭部分離后，分料鏈床啟功，用附帶在鏈床上的分離棒將被矯鋼管和待矯鋼管由頭到尾全部分開。分開之后的鋼管落人矯直機(jī)前臺(tái)扣瓦。如圖2 所示， 彎曲的被嬌鋼管從右側(cè)進(jìn)料，在分料裝置的作用下將鋼管頭部壓平，經(jīng)夾鉗和分離棒的作用，最終將被矯鋼管和其余鋼管分離開來。
如圖2所示分料裝置為一四連桿機(jī)構(gòu)，在A處有一變頻減速電機(jī)，A和B通過鏈條傳動(dòng), A和B分別通過兩個(gè)連桿和F 形的夾鉗鍍接，隨著A處的驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)型的夾鉗完成從 a) 圖中夾持鋼管頭部到 b) 圖中的動(dòng)作。當(dāng)夾持的鋼管到如圖 b 中所示的位置之后，分離棒C 啟動(dòng)，夾鉗繼續(xù)運(yùn)動(dòng)井和鋼管頭部脫開。分離捧一直運(yùn)動(dòng)到鋼管的尾部，使頭部已經(jīng)分離山來的鋼管徹底和其余鋼管脫離開來。實(shí)現(xiàn)了單根上料的目的。D 為實(shí)現(xiàn)鋼管頭部壓齊的壓板，壓板沿鋼管前進(jìn)方向的開口度由大變小，逐漸使頭部彎曲的鋼管頭部得到
壓平，以利于F 形的夾鉗夾持鋼管。E 為橫向輸送鏈床。F 形的夾鉗的鉗口大小能夠適應(yīng)不同鋼管直徑的要求，并且針對不同壁厚的鋼管通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力使得夾持力的大小得到調(diào)節(jié)，防止將薄壁鋼管夾扁。
3 .2 前臺(tái)扣瓦裝置
前臺(tái)扣瓦在設(shè)計(jì)中著重考慮3個(gè)因素: 一是高速矯直的安全因素; 二是鋼管自轉(zhuǎn)速度過高和前臺(tái)拍瓦摩擦劇烈?guī)淼那芭_(tái)損壞和噪聲過大; 三是拉拔頭在矯直前不切除，拉拔頭在前臺(tái)自轉(zhuǎn)的過程中劃傷前臺(tái)內(nèi)襯。
低速精密矯直機(jī)以前考慮到鋼管彎曲甩動(dòng)因素，常常采用全封閉模式，前臺(tái)扣瓦呈一可開合的時(shí)閉圓形，內(nèi)部襯有尼龍襯。考慮到上述3個(gè)具體因素。前臺(tái)扣瓦設(shè)計(jì)為分段總體封閉前臺(tái)，扣瓦仍為可開合扣瓦，開合動(dòng)作由汽缸驅(qū)動(dòng)。按照被矯鋼管長度的不同，前臺(tái)分為幾大段，各個(gè)大段之間相互靠齊，不留過大的間隙。每個(gè)小段內(nèi)部不是一個(gè)整齊的封閉扣瓦，而是被分成若干小段，各段之間有較大的間隙。這樣既達(dá)到了安全矯直的目的，又回避了因素二和因素三的問題。
如圖3 所示，為前臺(tái)中的一小段結(jié)構(gòu)。序號1 為開合扣瓦的上瓦，在這一段前臺(tái)中共有7個(gè)上瓦，每個(gè)上瓦的寬度為50mm ，和鋼管接觸的一面襯有尼龍襯板，尼龍襯板的寬度也為50mm ，7段上瓦之間的空檔間距為400mm ，并且均等分布。7 個(gè)上瓦通過一個(gè)矩形鋼管連接， 保證7個(gè)上瓦打開和關(guān)閉時(shí)同步。下瓦為V型結(jié)構(gòu)，并襯有尼龍襯板，V 型下瓦沿全長分布，起到支撐和導(dǎo)向鋼管的作用。這一V 型結(jié)構(gòu)配合前臺(tái)的夾送輥能夠很好的解決小口徑鋼管的夾持喂料問題。
3.3 入料夾送輥
如圖1 所示，在前臺(tái)扣瓦和主機(jī)之間有一入料夾送輥， 夾送輥起到喂料作用，將落人前臺(tái)的被矯鋼管喂人矯直機(jī)主機(jī)。夾送輥的輥形為平輥，沒有采用傳統(tǒng)的V 型輥或者斜輥， 采用平輥有如下優(yōu)勢:
①可以可靠夾送直徑較小的鋼管;
②沿橫向的夾持范圍較寬，可以容忍頭部較彎曲或者鋼管中心和夾持中心線不對正的鋼管(前臺(tái)扣瓦的下瓦設(shè)計(jì)為V形，盡可能的使鋼管中心和夾送中心對正) ;
③鋼管在夾送的過程中只是軸向前進(jìn)，不旋轉(zhuǎn)，減小了夾送輥的驅(qū)動(dòng)功率。
夾送輥的布置形式為上、下立式布置，并且上下同時(shí)驅(qū)動(dòng)，上輥可以做開合方向上高度的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同直徑的鋼管的夾送需求。上下輥均可在液壓缸的驅(qū)動(dòng)下打開，為喂料和事故狀態(tài)的處理提供了便利。
3. 4 主機(jī)
1 )主機(jī)是矯直機(jī)組中的關(guān)鍵設(shè)備，將喂人主機(jī)中的鋼管進(jìn)行反彎或者對壓矯直，為了避免在鋼智高速矯直過程中從矯直機(jī)竄出，本矯直機(jī)采用了對置式10 輾轉(zhuǎn)載式矯直機(jī)，并且將矯直輥的輥型曲線的中心規(guī)格下移(矯直輥的外形曲線就會(huì)變的稍凹) ，以求得在矯直過程中，矯宦輥對鋼管有大的向心約束，達(dá)到穩(wěn)定高速矯直的目的。
圖4 示意矯直機(jī)的輥系布置方式，10個(gè)矯直程為全傳動(dòng)輥，上面5 個(gè)矯直輥具有壓上和壓下功能，且壓上、壓下動(dòng)作自動(dòng)控制，以實(shí)現(xiàn)輥逢開度的調(diào)節(jié)，下面5個(gè)輥的中間3 個(gè)具有壓上功能(這種反彎方式為上彎式) ，以實(shí)現(xiàn)反彎量的調(diào)節(jié)，也為自動(dòng)控制。設(shè)計(jì)成上彎式矯直工藝，被矯鋼管的頭、尾向下，有助于高速下的穩(wěn)定矯直。下1JHJ 輥設(shè)計(jì)成快開輥， 所謂快開輥是指，矯直開始時(shí)， 1JHJ 輥落下，輥面高度比正常矯直時(shí)的高度低20mm 。待鋼管頭部進(jìn)入1JHJ 輥的輥腰時(shí)，矯直輥迅速抬起，進(jìn)入正常矯直。這種避讓有助于頭部彎曲的鋼管順利進(jìn)入矯直機(jī)。
2) 直徑在30mm左右的多斜輾矯直機(jī)矯直輾壓下以及矯直輥轉(zhuǎn)角系統(tǒng)調(diào)節(jié)行程較小，特別是壓扁量的絕對數(shù)值大部分在0.2-0.5mm之間。工藝調(diào)整多采用人工調(diào)節(jié)，不僅能節(jié)省一次性投資，而且調(diào)整起來也較為靈活，唯一的缺陷就是調(diào)整的時(shí)間過長，不適宜于在線設(shè)備的工藝調(diào)整。因此小口徑鋼管矯直機(jī)的壓下自動(dòng)調(diào)整的難點(diǎn)在于如何保證壓下或者角度調(diào)節(jié)在小行程范圍內(nèi)的數(shù)值精度，特別是壓下系統(tǒng)的精度。為此本機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)給出了以下四項(xiàng)措施，旨在解決壓下精度問題和轉(zhuǎn)角調(diào)整精度問題。
(1)壓下量的采集由壓下系統(tǒng)的傳遞始端移至傳遞的末端，即直接檢測壓下絲杠的旋轉(zhuǎn)圈數(shù), 按照絲杠的螺距，直接求得壓下量，避免了多次傳遞的誤差。
(2) 壓下系統(tǒng)壓下絲杠分兩級平衡. 一級平衡是消除壓下螺母和純杠之間的間隙， 二級平衡是消除絲杠傳遞系統(tǒng)的間隙。比傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)毅式矯直機(jī)矯直輥平衡系統(tǒng)多了一級消除絲枉傳遞系統(tǒng)間隙的平衡，在不降低傳遞扭矩的基礎(chǔ)上提高了絲杠的傳遞精度。
(3) 角度傳遞系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，提高了角度檢測和控制的可靠度。
(4) 通過制做專門工裝，在理論數(shù)值和實(shí)際檢測數(shù)據(jù)的比對下，調(diào)節(jié)壓下螺啡和絲杠之間的平衡碟簧，使矯直錦的輥縫彈跳數(shù)值控制在合理的范圍之內(nèi)(≤0.1mm)
3) 實(shí)施低咬高矯工藝，即在較低的速度下，將被矯鋼管的頭部由主機(jī)的1JHJ 輥矯直到末輥，然后升速矯直，既達(dá)到f 低速下喂鋼的安全性，又在高速下矯直，提高了矯卓節(jié)奏。
4) 實(shí)施在線矯直輥潤滑工藝，節(jié)省輔助準(zhǔn)備時(shí)間，矯直玲軋、冷拔之后的制管，矯直輥表面容易粘附異物，粘附異物會(huì)使鋼管和嬌直輥之間打滑，高速矯直時(shí)容易矯斷鋼管或在矯直過程中發(fā)出刺耳的聲音，因此本機(jī)組設(shè)計(jì)有矯直輥潤滑系統(tǒng)，在矯直的間隙時(shí)間內(nèi)對輥面噴淋煤油以達(dá)到清潔輥面安全矯直的目的，煤油通過回收系統(tǒng)進(jìn)行回收，循環(huán)使用，達(dá)到降低成本的目的。
3.5 出料夾送報(bào)
出料夾送輥和入料夾送輥的結(jié)構(gòu)相同。
3 . 6 后臺(tái)
后臺(tái)呈V 型結(jié)構(gòu)，且為可開合的封閉結(jié)構(gòu)，為了提高開合節(jié)奏，開合動(dòng)作由汽缸驅(qū)動(dòng)。V 型結(jié)構(gòu)的內(nèi)部襯有尼龍襯板，防止鋼管的磕碰。
4 運(yùn)行情況
矯直機(jī)所在生產(chǎn)線于2011年5月調(diào)試完畢，并進(jìn)入試生產(chǎn)階段，在隨后的2 個(gè)月內(nèi)共矯直18x2( 單位mm ) 、22x3 、32x4 、10x 1. 5的不銹鋼管1000t。矯直直線度以及鋼管內(nèi)、外表面質(zhì)量良好。工藝自動(dòng)調(diào)整功能良好(指輥縫和矯直輥角度) ,機(jī)組各機(jī)構(gòu)完全滿足在線高速矯直的需要，可以作為新上類似項(xiàng)目設(shè)備選型的參考。
5 存在問題及整改方案
1 )初期設(shè)計(jì)時(shí)將前臺(tái)的入料夾送輥和主機(jī)1JHJ 矯直輥的距離設(shè)計(jì)較遠(yuǎn)，在喂料的過程中發(fā)現(xiàn)鋼管頭部快到1JHJ 輥時(shí)，擺動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重， 造成1JHJ 快開信號不穩(wěn)定以至于鋼管喂人時(shí)發(fā)生卡阻。整戰(zhàn)方案為: 在入料夾送拙和主機(jī)1JHJ 矯直輥之間設(shè)置一組被動(dòng)夾送輥，對鋼管頭部擺動(dòng)進(jìn)行限制，效果良好。
2) 在間隙噴油的過程中，矯直輥仍保持低速轉(zhuǎn)動(dòng)，因此造成噴淋的煤油有飛濺現(xiàn)象，在主機(jī)正面和側(cè)面加活動(dòng)玻璃門，將飛濺的煤油阻擋在在主機(jī)內(nèi)部，清潔了環(huán)境。
3) 由于設(shè)計(jì)了低速咬人和高速矯直工藝，兩者速差較大，且升速時(shí)間較短， 主機(jī)矯直輥傳葫齒輪箱精度等級設(shè)計(jì)為7級精度，噪音偏大，且由于被矯鋼管長度過長，高速工作狀態(tài)時(shí)間長，齒輪箱內(nèi)的油溫升和飛濺現(xiàn)象嚴(yán)重，出現(xiàn)了齒輪油從空氣濾清器溢出的現(xiàn)象。解決辦法是采用高帽空氣濾清器，在以后設(shè)計(jì)中若采用油池潤滑要考慮將箱體的空間做大。
6 結(jié)束語
隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高， 技術(shù)含工最高的各種新型裝備的發(fā)展，需用小口徑無縫鋼管的用量不斷提升，對于高速冷軋、冷拔并在退火后彎曲的小口徑且又很長的鋼管，在自動(dòng)無人工條件下準(zhǔn)確上料及變速矯直過程的穩(wěn)定性問題的研究分析，對該技術(shù)的應(yīng)用起到參考作用。
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(收稿日朔:2012 -07 - 11 )c
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