吴铭刚
广州弘易机械设备有限公司
摘要：机械扩径机是直缝焊管行业必不可少的成型设备，设备在生产过程中能保证生产的流畅和设备的稳定性，不仅影响设备的生产效率，也直接影响到企业的经济效益，其中机械扩径机模具的使用寿命是影响设备持久稳定性的关键因素，所以正确的模具设计和合理使用是保证设备稳定性的关键。
关键词：机械扩径机；直缝焊管；模具设计；合理使用；稳定性
一、 前言
当今世界上直缝埋弧焊管的成型方法有很多，典型的方法有：ＵＯＥ成型法、折弯成型法等。不同的成型方法,最后一道工序都是对焊接后的管坯进行一次全长扩径。对管坏进行全长扩径有以下作用，经过扩径后的钢管，第一，椭圆度和直度都能达到尺寸精度，满足钢管行业制管要求，方便现场施工作业；第二，减少或消除钢管在成型和焊接部位的残余应力，可有效防止因应力腐蚀导致开裂；第三，抵消成型过程产生的包申格效应，提高钢管的承压强度；从而使钢管无论在外观尺寸精度上和钢管品质质量上都得到良好的保证。一个焊管企业里机械扩径机的装备好与坏，反映一个焊管企业制管水平的高低，也会直接影响该企业的经济效益，所以机械扩径机在焊管行业是尤其重要。
二、机械扩径机工作原理及扩臂的组成
（一）机械扩径机工作原理
机械扩径机扩径原理（见图１），是利用刚性扩胀模具，从焊管内壁将管子直径胀大，直到符合制管标准为止。扩径时，主油缸通过扩径杆拉动扩径头移动，迫使胀块径向扩胀，扩径头的力借助胀块外圆环作用在钢管上，从而使与胀块外圆环相接触的一段钢管发生永久变形从而得到扩径。扩径杆的反向推动时，胀块收缩，使钢管与胀块脱开，以便再次送进，进行下一步的扩径。如此往复，钢管分段扩径，直至扩完钢管全长为止。
.png)
（二） 机械扩径机扩臂的组成
机械扩径机的扩臂(见图2)，就是设备关键的工装模具，扩臂由外套筒、拉杆、导向套、润滑配件、导向盘、扩径头、模具、大螺母组成，这也是决定扩径机扩径时一步扩径长度的关键装备。
.png)
三、模具与扩径头的设计使用
（一）模具的设计与使用
1、模具的设计
模具设计好与坏不仅直接影响扩径效率和扩径头与垫板的磨损率的，而且对扩径后的成品管的质量有影响，所以正确合理设计模具是非常重要的；为了提高模具的使用寿命，将模具分体设计（见图3），直接与扩径头接触滑动的称作垫板，与钢管内壁接触的称作胀块，这样设计有效延长模具的使用寿命，降低加工成本，垫板磨损后，直接更换垫板即可。
.png)
导向段是根据成型设备所成型的管坏经焊接后得到的管形来设计，在不影响胀块的整体机械性能的前提下，导向段的导向角越大越好，这个导向段主要是为了方便进管到扩径头，方便后续工序进行。
过渡段是对管坏进行预扩段，有限保证扩径机分段扩径时，每一段之间能平滑过渡，有效保证扩径后钢管品质质量，避免因扩径后钢管表面出现明显的波浪而变成不合格品，所以选取适当的过渡段，有可有效保证钢管的成型质量。
有效扩径长度段就是钢管经过有效扩径长度段扩径后所得到的合格产品，有效扩径长度段半径Ｒ是影响成品质量的关键段。
合理设计各段的关系，既是生产效率和钢管成形质量保证的需要，也是决定扩径力大小的关键因素，直接影响扩径头和垫板摩擦副的使用寿命，所以在生产实际中，合理的选择各段的关系，是保证设备的稳定性和生产效率的关键。
2、胀块的使用
在使用过程中，主要影响胀块寿命的是使用过程中胀块外圆表面的磨损，减少胀块的磨损的措施：
(1)在选材上要选用高耐磨的材料；
(2)提高胀块外圆表面的光洁度；
(3)减少钢管内壁的脏物，特别是硬的颗粒，要求扩径前对钢管内壁进行清洗；
(4)在扩径过程中，不断用乳化液冲洗钢管内壁，有效减小胀块外圆与钢管内壁的摩擦；
(5)扩径进管过程中，尽量减少钢管与胀块拖拉现象，调整好扩臂上支撑轮的高度；
（二）、垫板的设计使用及改善方向
1、垫板的设计使用
.png)
上图是我司其中一种模具的垫板(见图5)是整套扩臂模具上，最容易磨损的物件，就是我们平常所说的易损件，基本上它决定一次换模的使用寿命，垫板与扩径头形成一对摩擦副，两者越耐磨，使用寿命越长，在大量和成批生产的条件下，机器和设备的能力不断增长，适合于极端条件的新工艺过程不断涌现。因此，设计经久耐用的扩径头和垫板具有特别重要的意义。在分析了设备模具的损坏原因后可知，损坏中大部分是由摩擦副的磨损引起的。因此，提高机器的耐磨性是延长其寿命的主要潜力。建立工程用的磨损计算方法，才有可能延长相互摩擦的扩径头和垫板的寿命。
垫板在使用过程中常见的磨损失效形式及影响：
（1）垫板后端磨损比前端磨损差异大，这种磨损产生的原因，一般由于胀块的有效扩径段和过渡段过于靠前（或过去靠后），造成垫板受力不均匀，前端（后端）受力比后端（前端）受力大，这样的设计容易造成垫板寿命缩短，而且会对成品有影响，影响外观质量，钢管全长扩径容易出现波浪，出现波浪后，为了保证成品质量，只能缩短步进距离，大大降低扩径效率，而且造成制管成本升高。
(2)垫板左边比右边磨损差异大，造成这种磨损的原因，一般管坏成形质量差（如有直边或椭圆度大），也容易造成垫板出现左右两边磨损差异大，这磨损不仅影响垫板使用寿命，还会影响扩径后钢管的管形，影响钢管成品质量。
由于这些非正常磨损都会导致垫板使用寿命缩短，导致设备稳定性差，扩径效率下降，生产成本升高的重要原因，所以在模具设计方面，需要合理的设计胀块的受力部位，从而提高钢管的成形质量和延长垫板的使用寿命，降低生产成本。
2、垫板的改善方向
1)改善垫板的材料，提高处理工艺,提高耐磨性；
2)改进结构，尽可能加大接触摩擦面积，降低单位压力；
3)在垫上加工润滑油沟，尽可能让接触摩擦面大面积形成润滑摩擦。
(三)扩径头设计与使用
1、扩径头设计
扩径头是直缝埋弧焊管生产线扩径机扩臂上的关键部件，价格昂贵，且不同管径的焊管需要不同的扩径头，要提高设备的耐用性和稳定性，扩径头在其中起着关键性的作用，确保扩径头的使用寿命，在设计扩径头时必须考虑，一、确定扩径头的结构和扩径范围（钢管的规格范围）；二、确定扩径头的润滑方式；三、扩径头的选用材料以及其相应的热处理工艺。
以下是一种常用结构的扩径头（见图6），采用双线润滑，Ｔ形槽导向随动结构的扩径头。
.png)
2、扩径头的日常使用及维护保养：
(1)扩径头各润滑油孔在润滑系统的工作下，经过主分配器向各个双线分配器供油，再经由双线分配器向各个油口均恒出油润滑，以达到扩径处于正常润滑状态工作；
(2)扩径头工作过程时，推与拉之间的行程不能过短，在正常的工作行程中，垫板与扩径头的滑动面最好都能充分接触到扩径油润滑，从而减少垫板与扩径头之间的磨擦，降低扩径拉力，减少易损件（垫板）的磨损，提高易损件的耐用性，延长垫板的使用时间，有效节约资源，节省成本；
(3)扩径机在首试过程中，扩径模具是新装配好，在首试过程中需要好好磨合再投入生产，不然会导致摩擦副过早失效，影响正常使用。
(4)更换模具或扩径头时，对其两者形成的摩擦副进行细致的清洗检查，特别对扩径头表面上的拉伤拉毛或压伤等要进行处理，这些都会导致摩擦副过早失效的可能，也会导致扩臂的非正常使用，影响设备的正常运行，从而引起更严重的问题；
(5)扩径头在正常投入扩管时，每扩完一根钢管都要冲洗模具和扩径头，把扩径后钢管的残留物冲洗干净，避免残留物进入垫板与扩径头的滑动面间，进行滑动磨损，还有就是垫板与扩径头之间的滑动摩擦发热，不仅提高磨损件的磨损率，还会影响扩径油的润滑性能，影响扩径头和垫板的使用寿命，所以及时对扩径头和模具进行冷却降温处理，保证其正常使用。
(6)扩径头在正常使用过程中，由于平时冲洗扩径头未能完全清洗干净掉，掉到扩径头Ｔ形导向槽里的残留物，由于残留物积聚多了，扩径头工作时，来回运动，Ｔ形键就容易把残留物溅出，进入扩径头表面，在工作时，就与垫板和扩径头磨动，就容易摩擦扩径头和垫板，甚至垫板在受力不平衡时，容易造成垫板破损断裂，所以，平常的维护和清理尤其重要，是保证扩径头与垫板正常使用的关键。
五、结语
随着大直径直缝焊管的广泛应用，其材料强度不断提高，然而机械扩径机的扩径工艺也进一步提高，所需的设备能力更高，因此设备需要进一步改善和优化来满足生产实际的需要。而本文从机械扩径机模具设计和使用上出发，提出了一些设计方向以及使用维护改善，并对一些实际使用问题进行总结分析。在生产实际中，需要合理设计扩径头和模具，设法减少扩径头和模具在使用过程中的摩擦磨损，并简述摩擦磨损的原因及改善方向；使设备在保证稳定性的前提下，有效延长摩擦件的使用寿命，并能充分发挥设备的能力，满足生产所需的生产效率，确保生产设备持久稳定流畅的工作。由于笔者水平有限，有些方面未能深入解析，有待更深入的实践和积累。
参考文献
[1]王龙.大口径直缝焊管生产用扩径机的研制[J].钢管，2000,29(2)：37-40.
[2]李宏.钢管扩径工艺改进与提高扩径头寿命的研究[J].焊管,2005 ，28(5)：66-67.
[3]余大典，王啸修.直缝焊管机械扩径工艺技术研究.宝钢技术,2008,3:2-65.
[4]刘世泽，谢仁强.直缝焊管扩径机的应用[J].焊管，2003,26(2)：26-29.
作者简介：吴铭刚，男，助理工程师，从事机械设计和设备维护管理工作。