CN106734410B - 直缝焊管三点弯曲柔性冷弯成形辊位确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直缝焊管三点弯曲柔性冷弯成形辊位确定方法，属于冷弯成形技术领域，用于柔性冷弯成形不同材料、不同规格的焊管快速调整，即W预成形后下山法三点弯曲冷弯柔性成形机组成形不同材料、不同规格焊管时以滚花图为依据消除材料回弹的模辊与板材成形接触点坐标和侧辊轴线角度等辊位参数进行快速计算。本发明可快速、准确计算消除材料回弹量后的模辊接触点的坐标和侧辊轴线的角度，避免了由于不同的焊管柔性冷弯的机组结构和模辊的尺寸有差异导致的不适用的问题和材料回弹对成形精度的影响。

Description

直缝焊管三点弯曲柔性冷弯成形辊位确定方法

技术领域

本发明属于金属板材成形、冷弯焊接钢管成形制造设备技术领域，特别是一种直缝焊管三点弯曲柔性冷弯成形辊位确定方法。

背景技术

目前，随着科学技术的向前发展，汽车、建筑、石油开采、化工、核电等行业对各类焊管需求量巨大，国内外通用的焊管成形采用的型面轧辊冷弯成形，这种方式一套轧辊只能成形一种材料一种规格的焊管，也有先进的一套轧辊可成形多个不同规格的柔性成形方式，如排辊成形、FFX成形等，其基本原理为三点弯曲成形，可通过存储在工艺数据库中的轧辊位置参数自动快速调整实现不同材料、不同规格的焊管生产，这类成形方法可节省大量的模具轧辊和调整时间，但不同材料、不同规格的焊管成形获得非常困难。

目前焊管柔性冷弯成形工艺轧辊位置参数的获得往往要有丰富工作经验的工艺人员通过大量对不同材料、不同规格的焊管成形进行反复试验，才能获得各个轧辊较为准确的位置参数，试验工作量大，时间长，成本费用很高；另一种方法就是由专业的工程技术人员通过各管材成形装备成形过程的数值仿真分析来获得辊位参数，然后再进行调试试验，这样可以节省调试时间和费用，但冷弯成形机组结构不同仿真模型的建模工作量大，板材高速移动多工序连续弯曲渐变成形仿真分析、验证难度大。目前仅有专利CN201110318153.7针对某直缝焊管排辊成形机组给出了一种工艺优化的方法，但这种方法针对性强，且确定方法极其繁琐，没有通用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直缝焊管三点弯曲柔性辊弯成形辊位参数确定方法，可较为简单、快速、准确获得W预成形后下山法三点弯曲柔性冷弯成形机组成形不同材料、不同规格焊管所需克服材料成形回弹量的各辊位接触点的坐标和侧辊轴线角度，满足焊管柔性冷弯成形辊位快速调整的需要。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种直缝焊管三点弯曲柔性冷弯成形辊位确定方法，步骤如下：

第一步，以焊管柔性冷弯的机组的机架布局为基础对需成形的特定材料和规格的焊管借助专业软件工具完成滚花图设计，W预成形道次标记为w，末道柔性成形道次标记为0，其余柔性成形道次按顺序分别标记为1、2、3、……、i、……，其中i为正整数，是柔性成形中的道次数；

第二步，以末道柔性成形道次0模辊的上表面中心点为坐标原点建立计算坐标系，焊管移出的水平方向为X方向，各成形道次对应机架与焊管移出垂直面的水平方向为Y方向、垂直方向为Z轴方向，建立的计算坐标系；

第三步，根据成形焊管的材料、壁厚t和管径D计算总下山量h＝0.5～1D和材料辊弯回弹系数H＝σ_s/E，其中σ_s为焊管材料的屈服强度，E为材料弹性模量；

第四步，以滚花图为基础，通过调整辊位减小每道柔性成形机架相应辊弯成形半径来消除成形后的回弹量，第i柔性成形机架辊弯回弹角Δθ_i＝θ_i2-θ_i1＝2R_i1·θ_i1H/t，则减小后的半径为R_i2＝R_i1·θ_i1/(θ_i1+2R_i1·θ_i1H/t)，成形角θ_i2＝2R_i1·θ_i1H/t+θ_i1，柔性成形中两边沿W预成形的圆弧不变，其半径始终为R、圆弧顶角为θ；

第五步，按减小半径后的花形线计算出考虑回弹后第i柔性成形机架为侧辊柔性成形机架一侧的辊位接触点A_i、B_i坐标和侧辊轴线角度α_i，侧模辊11与辊弯道次预压花形管坯W预成形圆弧的中心为接触点A_i、下模辊与管坯中心点为接触点B_i；另一侧的接触点与A_i关于Z轴对称，且机架的调整机构采取联动同步调节，获得A_i的坐标即可实现辊位调节；

第六步，按减小半径后的花形线计算考虑回弹后第i柔性成形机架为水平辊柔性成形机架一侧的辊位接触点B_i、C_i、D_i坐标，侧模辊与辊弯道次预压花形管坯W预弯圆弧的接触点C_i、下模辊与管坯中心点为接触点B_i，上模辊与辊弯圆弧的接触点为D_i，另一侧的接触点与B_i、C_i、D_i关于Z轴对称，获得B_i、C_i、D_i的坐标即可实现辊位调节；

第七步，按第五、六步计确定方法依此计算从第1道柔性成形机架到末道柔性成形机架各辊位接触点坐标和侧辊倾斜角，从而根据获得的模辊位置可快速调整柔性成形机组加工出不同规格的焊管。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明结合焊管柔性成形机组应用调试，可快速获得焊管柔性成形机组成形不同材料、不同规格焊管的辊位柔性冷弯工艺数据库，实现多规格自动调节柔性生产，缩短新规格产品的开发周期，减少原材料浪费，降低直缝焊管生产成本。(2)由于不同焊管柔性冷弯的机组结构和模辊的尺寸有较大差异，故本发明计算的是模辊与板材成形接触点的坐标和侧辊轴线的角度，不受成形机组调整机构的限制，避免了依靠经验和试凑法进行焊管柔性成形变规格的调整难题。(3)可快速、准确计算消除材料回弹量后的模辊接触点的坐标和侧辊轴线的角度，避免了由于不同的焊管柔性冷弯的机组结构和模辊的尺寸有差异导致的不适用的问题和材料回弹对成形精度的影响，保证了焊管成形精度要求。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明涉及的材料、规格焊管成形滚花图。

图2为计算坐标系。

图3为侧辊柔性成形机架辊位计算图。

图4为水平辊柔性成形机架辊位计算图。

图5为末道柔性成形机架辊位计算图。

图6为焊管三点弯曲柔性冷弯成形辊位确定方法流程图。

具体实施方式

结合图1至图6，本发明直缝焊管三点弯曲柔性冷弯成形辊位确定方法，步骤如下：

第一步，以焊管柔性冷弯的机组的机架布局为基础对需成形的特定材料和规格的焊管借助COPRA等专业软件工具完成滚花图设计，如图1所示，W预成形道次标记为w，末道柔性成形道次标记为0，其余柔性成形道次按顺序分别标记为1、2、3、……、i、……，其中i为正整数，是柔性成形中的道次数，通常柔性成形道次数都在5次以上。

第二步，以末道柔性成形道次0模辊的上表面中心点为坐标原点建立计算坐标系，焊管移出的水平方向为X方向，各成形道次对应机架与焊管移出垂直面的水平方向为Y方向、垂直方向为Z轴方向，建立的计算坐标系如图2所示。

第三步，根据成形焊管的材料、壁厚t和管径D计算总下山量h＝0.5～1D和材料辊弯回弹系数H＝σ_s/E，其中σ_s为焊管材料的屈服强度，E为材料弹性模量。

第四步，以滚花图为基础，通过调整辊位减小每道柔性成形机架相应辊弯成形半径来消除成形后的回弹量，如图3，滚花图要求的花形线1，减小半径后的花形线2，第i柔性成形机架辊弯回弹角Δθ_i＝θ_i2-θ_i1＝2R_i1·θ_i1H/t，则减小后的半径为R_i2＝R_i1·θ_i1/(θ_i1+2R_i1·θ_i1H/t)，成形角θ_i2＝2R_i1·θ_i1H/t+θ_i1，柔性成形中两边沿W预成形的圆弧不变，其半径始终为R、圆弧顶角为θ。

第五步，按减小半径后的花形线2计算出考虑回弹后第i柔性成形机架为侧辊柔性成形机架一侧的辊位接触点A_i、B_i坐标和侧辊轴线角度α_i，侧模辊11与辊弯道次预压花形管坯W预成形圆弧的中心为接触点A_i、下模辊22与管坯中心点为接触点B_i，如图3；另一侧的接触点与A_i关于Z轴对称，且机架的调整机构采取联动同步调节，因此只要获得A_i的坐标即可实现辊位调节，具体计算步骤如下：

根据建立的坐标系，∣X_i∣为第i柔性成形机架到末道柔性成形机架的距离，则其对应的下山量为h_i＝h·X_i/X₁；

侧辊轴线角度为α_i＝θ_i2+θ/2；

考虑到焊管壁厚，接触点均在管壁外侧，因此相应接触点的坐标为：

A_i点坐标为X_Ai＝X_i，Y_Ai＝(R_i2-R)sinθ_i2+(R+t/2)sinα_i，Z_Ai＝h_i-t/2+R_i2-(R_i2-R)cosθ_i2-(R+t/2)cosα_i；

B_i点坐标为X_Bi＝X_i，Y_Bi＝0，Z_Bi＝h_i-t/2。

第六步，按减小半径后的花形线2计算考虑回弹后第i柔性成形机架为水平辊柔性成形机架一侧的辊位接触点B_i、C_i、D_i坐标，侧模辊11与辊弯道次预压花形管坯W预弯圆弧的接触点C_i、下模辊22与管坯中心点为接触点B_i，上模辊33与辊弯圆弧的接触点为D_i，另一侧的接触点与B_i、C_i、D_i关于Z轴对称，如图4，因此只要获得B_i、C_i、D_i的坐标即可实现辊位调节，具体步骤如下：

由于同一水平辊柔性成形机架的模辊是确定不变的，第i平辊柔性成形机架的模辊斜角ω_i不变，实际模辊接触点C_i在预成形R圆弧上的位置角为β_i＝ω_i-θ_i2，在成形不同管径时要求θ/2≥β_i≥θ/4；

上模辊接触点D_i的位置角为ψ_i，其范围为3θ_i2/4≥ψ_i≥θ_i2/2，成形偏大直径管时接触角ψ_i取较大值而不会出现干涉，相反成形较小直径管时易出现干涉，接触角ψ_i取较小；

考虑到焊管壁厚，上模辊的接触点D_i在管壁内侧，下模辊及侧模辊的接触点B_i、C_i均在管壁外侧，因此相应接触点的坐标为：

B_i点坐标为X_Bi＝X_i，Y_Bi＝0，Z_Bi＝h_i-t/2；

C_i点坐标为X_Ci＝X_i，Y_Ci＝(R_i2-R)sinθ_i2+(R+t/2)sinω_i，Z_Ci＝h_i-t/2+R_i2-(R_i2-R)cosθ_i2-(R+t/2)cosω_i；

D_i点坐标为X_Di＝X_i，Y_Di＝(R_i2-t/2)sinψ_i，Z_Di＝h_i+R_i2-(R_i2-t/2)cosψ_i。

第七步，按第五、六步计确定方法依此计算从第1道柔性成形机架到末道柔性成形机架各辊位接触点坐标和侧辊倾斜角，从而根据获得的模辊位置可快速调整柔性成形机组加工出不同规格的焊管。

实施例

本发明以某柔性成形机组W预成形后有9个柔性机架，在该成形机架上成形Φ80×2mm的低碳钢管，首先按机架辊弯道次和碳钢成形要求设计滚花图，如图1，W预成形的两侧圆弧半径R＝42.82mm，顶角θ＝65°，低碳钢屈服强度σ_s＝240MPa，弹性模量E＝210000MPa，辊弯回弹系数H＝σ_s/E＝0.00114；9个机架第一、二为水平辊柔性成形机架，其成形侧模辊斜角ω₁＝32°、ω₂＝48°，该生产线最小成形管径为40mm，实际上模辊过渡圆弧半径较小，成形80mm管时接触角可以取较大值而不会出现干涉，其余为侧辊柔性成形机架，总下山量h＝40mm，各柔性成形机架中心间距相等，均为410mm，计算的该柔性成形机组各机架成形辊位下山量h_i、侧辊轴线角度α_i、X_Ai、Y_Ai、Z_Ai如表1所列。

表1各机柔性架辊位参数

注：侧辊柔性成形机架，简称侧辊，水平辊柔性成形机架，简称平辊。

在实际调试中依据上述接触点辊位参数和侧辊轴角度完成了机组成形调整，少数机架经微调后即顺利成形出管坯，解决了靠经验需要几天的调试工作。

Claims (1)

1.一种直缝焊管三点弯曲柔性冷弯成形辊位确定方法，其特征在于步骤如下：

第一步，以焊管柔性冷弯的机组的机架布局为基础对需成形的特定材料和规格的焊管借助专业软件工具完成滚花图设计，W预成形道次标记为w，末道柔性成形道次标记为0，其余柔性成形道次按顺序分别标记为1、2、3、……、i、……，其中i为正整数，是柔性成形中的道次数；

第二步，以末道柔性成形道次下模辊的上表面中心点为坐标原点建立计算坐标系，焊管移出的水平方向为X方向，焊管移出垂直面的水平方向为Y方向、垂直方向为Z轴方向；

第三步，根据成形焊管的材料、壁厚t和管径D计算总下山量h＝(0.5～1)D和材料辊弯回弹系数H＝σ_s/E，其中σ_s为焊管材料的屈服强度，E为材料弹性模量；

第四步，以滚花图为基础，通过调整辊位，减小每道柔性成形机架相应的辊弯成形半径来消除成形后的回弹量，第i柔性成形机架辊弯回弹角为Δθ_i＝θ_i2-θ_i1＝2R_i1·θ_i1H/t，则所述的辊弯成形半径减小后的半径为R_i2＝R_i1·θ_i1/(θ_i1+2R_i1·θ_i1H/t)，所述的辊弯成形半径减小后的成形角为θ_i2＝2R_i1·θ_i1H/t+θ_i1，柔性成形中两边沿W预成形圆弧不变，其半径始终为R、圆弧顶角为θ；

第五步，按减小半径后的花形线(2)计算出考虑回弹后第i柔性成形机架一侧的辊位接触点A_i、B_i坐标和侧模辊轴线角度α_i，其中第i柔性成形机架为侧辊柔性成形机架；侧模辊与辊弯道次预压花形管坯W预成形圆弧的中心的接触点为A_i，下模辊与管坯中心点的接触点为B_i；另一侧的接触点与A_i关于Z轴对称，且机架的调整机构采取联动同步调节，获得A_i的坐标即可实现辊位调节；

第六步，按减小半径后的花形线(2)计算考虑回弹后第i柔性成形机架一侧的辊位接触点B_i、C_i、D_i坐标，其中第i柔性成形机架为水平辊柔性成形机架；下模辊与管坯中心点的接触点为B_i，侧模辊与辊弯道次预压花形管坯W预成形圆弧的接触点为C_i，上模辊(33)与W预成形圆弧的接触点为D_i，另一侧的接触点与B_i、C_i、D_i关于Z轴对称，获得B_i、C_i、D_i的坐标即可实现辊位调节；

第七步，按第五、六步计算方法依次计算从相应的第l道柔性成形机架到末道柔性成形机架各辊位接触点坐标和相应的侧模辊倾斜角，从而根据获得的相应的模辊位置可快速调整柔性成形机组加工出不同规格的焊管；

第五步的具体计算步骤如下：

根据建立的坐标系，∣X_i∣为相应的第i柔性成形机架到末道柔性成形机架的距离，则其对应的下山量为h_i＝h·X_i/X₁；

第i侧辊柔性成形机架的侧模辊轴线角度为α_i＝θ_i2+θ/2；

考虑到焊管壁厚，相应的接触点均在管壁外侧，相应接触点的坐标为：

A_i点坐标为X_Ai＝X_i，

Y_Ai＝(R_i2-R)sinθ_i2+(R+t/2)sinα_i，

Z_Ai＝h_i-t/2+R_i2-(R_i2-R)cosθ_i2-(R+t/2)cosα_i；

B_i点坐标为X_Bi＝X_i，Y_Bi＝0，Z_Bi＝h_i-t/2；

第六步的具体步骤如下：

第i水平辊柔性成形机架的侧模辊斜角为ω_i，

C_i在W预成形圆弧上的位置角为β_i＝ω_i-θ_i2，在成形不同管径时要求θ/2≥β_i≥θ/4；

D_i的位置角为ψ_i，其范围为3θ_i2/4≥ψ_i≥θ_i2/2；

考虑到焊管壁厚，D_i在管壁内侧，B_i、C_i均在管壁外侧，相应接触点的坐标为：

B_i点坐标为X_Bi＝X_i，Y_Bi＝0，Z_Bi＝h_i-t/2；

C_i点坐标为X_Ci＝X_i，

Y_Ci＝(R_i2-R)sinθ_i2+(R+t/2)sinω_i，

Z_Ci＝h_i-t/2+R_i2-(R_i2-R)cosθ_i2-(R+t/2)cosω_i；

D_i点坐标为X_Di＝X_i，Y_Di＝(R_i2-t/2)sinψ_i，Z_Di＝h_i+R_i2-(R_i2-t/2)cosψ_i。