1 设计背景
目前船舶修造厂钢管开坡口的工艺是：先将管子切断，然后用风焊切割开坡口，再用砂轮机打磨、修复。这种采用人工吹割、打磨的工艺方法，工作效率低，既耗时又费力，而且坡口的质量达不到船检要求，影响了管子的焊接质量。为提高工作效率和换管质量，研制无缝钢管坡口切割机是当前急需解决的问题。
2 方案设计的总体思路
常规的切割方式主要有两种，一种是机械刀具切割，一种是火焰切割。机械切割的优点是切割的平齐度好、切割表面光滑，但切割速度慢、效率低、切割长管子时，需要大车床配合，投资成本高。火焰切割的优点是可以切割厚度大、速度较快、经济性好，但其缺点是切割面比较粗糙，热变形大。而现在较为先进的第三种切割方式，等离子切割，其切割优点是：切割速度快、效率高、热变形小、切割精度比火焰切割高，但其缺点是：切割厚板会较为困难。考虑到船厂无缝钢管工程生产的实际情况，综合3种切割方式的优缺点，决定选用等离子切割机作为坡口机的切割源。
再根据船厂常见的管子的型号，选择管子坡口切割机切割管子的尺寸在Φ600*25*7000——Φ89*7*7000mm范围，切割线速度如表1所示。
3 坡口机方案设计
3.1 坡口机机械部分设计
3.1.1 机架组件设计
参照管子的最大重量、直径范围，从机架稳定性、实用性、运转平稳性着手设计效果图如图1所示。
3.1.2 传动齿轮设计
根据电动马达输出转速，结合等离子切割机最快和最慢切割速度，确定齿轮传动比，并确定齿轮的齿数。根据管子放在机架上的受力情况，建立力学图，用正压力、滚动摩擦系数，计算转动钢管所需力矩，以2—3倍力矩，计算齿轮模数，并完成齿轮设计。
3.1.3 喷枪升降机构设计
由最大和最小钢管放在机架上的高度变化，确定升降机构的行程。为满足快捷升降，采用双头丝杠螺母传动和齿轮增速传动，设计效果如图2所示。
3.1.4 喷枪伸臂机构设计
考虑喷枪灵活性，在水平方向和垂直方向都采用了关节旋转，从而使喷枪得到万向转动功能，方便使用。
3.2 坡口机电控方案设计
3.2.1 方案设计思路
因切割钢管驱动速度只有1-2r/min左右，普通交直流马达的转速都在500r/min以上，所以只能采用低速交流马达，加变频控制的方式进行速度调节。搭配速度测量模块，可以实时显示切割线速度。
3.2.2 马达的选型
由驱动钢管转动的转矩、驱动轴滚轮的直径、等离子切割机的切割速度等相关参数选择马达型号。
3.2.3 变频器的选型
考虑到变频耐用性，选用了合资品牌三菱的FR-A740系列变频器。
3.2.4 速度显示模块的选择
因转动机构都是低速运行，要求转速传感器有较高的灵敏度和精度，本方案选用日本小野测器产的MP-981转速传感器。同时选用该传感器同公司的配套仪表TM3110，该表供电电压AC 220V，无需使用变压器，可显示转速、线速度等。
3.2.5 控制线路设计
坡口切割机的切割流程大致是：待切割管子吊放到位——切割机、坡口机供电、空压机供电——切割机点火（延时2-3S）——马达启动，带动管子转动——切割完成——马达、切割机停止运行。为此设计了马达自动和手动启动功能。自动时，启动切割机，2S后马达自动启动。手动时，启动切割机后，人工操作，适时启动马达。
4 实施效果
将加工好的各部分零部件及购买的各种元件、配件等进行组装。装配好后，进行空载运行试验，试验运行良好，无异常声响。选用直径600，壁厚24mm的无逢钢管进行切割坡口试验，完成切割坡口花费时间为10分钟；选用直径200，壁厚9mm的无逢钢管进行切割坡口试验，完成切割坡口花费时间为53秒。分别对钢管坡口的质量进行检验，坡口平整光滑，成型美观，质量达到船检要求。表明管子坡口切割机完全达到了设计的技术要求。坡口切割研制成功后如图3所示。
坡口机切割无缝钢管，成品加工完成后的效果图（如图4）。
5 坡口机投产后经济效益分析
成功设计制造管子坡口切割机后，可为企业创造良好的经济效益和社会效益。
（1）技术含量高，成本费用低。如果请外单位设计制造一台同规格的管子坡口切割机报价要18万元，我们自己设计制造，成本价只需5万多元，节约直接成本接近13万元。
（2）提高工作效率，降低成本消耗。管子坡口切割机投产后，只需要工人将管子放在切割支架上，调整割枪的切割角度，启动切割机，就可以自动割断管子并开好坡口，切割速度比原手工切割快8至10倍。大大提高了工作效率，减轻了工人的劳动强度，同时提高了管子预制过程中的安全和质量。使用坡口机开出的坡口，成型好，对接容易，给下道工序管子焊接打好了基础。为企业带来了良好的经济效益。预计每年节约人工、能源等成本80多万元。
（3）积累了宝贵的经验，为其它设备的技改提供了很好的参考价值。
