專利名稱：直縫焊管排輥成形機組的工藝優(yōu)化方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及的是一種機械成形技術(shù)領域的方法，具體是一種直縫焊管排輥成形機組的工藝優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
直縫焊管生產(chǎn)一般是采用輥彎成形工藝。輥彎成形工藝是通過順序配置的多道次成形軋輥，把金屬板帶從平直狀態(tài)逐漸彎曲成特定截面的一種塑性加工技術(shù)。早期傳統(tǒng)輥彎成形機組的構(gòu)造是平輥和立輥交叉布置，主要用于生產(chǎn)小直徑焊管，后來經(jīng)過不斷改進， 早期的成形機組開始演變成為平、立輥+立輥組的形式，可生產(chǎn)管徑也由小直徑發(fā)展為中直徑，此后為了克服傳統(tǒng)輥彎成形中邊緣變形和回彈過大以及成形立輥共用性差的缺點， 進而發(fā)展為排輥成形。
排輥成形也叫籠式成形(cage roll forming)，是指帶材被兩排若干組被動小輥連續(xù)彎卷成管筒的輥式成形工藝，即在焊管坯的連續(xù)排輥成形過程中，利用三點彎曲原理， 在精成形(封閉孔型)前采用一組或多組位置可調(diào)的被動小輥機架，代替普通輥式成形的若干主動水平機架和被動立輥機架，帶材可按所設計的孔型系統(tǒng)變形成管筒。典型的直縫焊管排輥成形機組模型如

圖1所示。由于排輥成形工藝具有板帶回彈小、邊緣成形質(zhì)量好以及軋輥共用性強三大特點，目前不僅世界上新投產(chǎn)的中等直徑焊管機組大多都采用排輥式成形，而且過去傳統(tǒng)的輥式成形機組也都紛紛改造成排輥式成形。排輥成形工藝被認為是目前焊管生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的趨勢。對于采用排輥成形工藝的直縫焊管成形機組而言，其成形工藝參數(shù)直接決定了軋輥在空間的成形位置姿態(tài)，是影響成形質(zhì)量的最直接因素。合理的成形工藝參數(shù)可以較好地分配不同成形段下板帶的橫向彎曲變形，從而在理論上減少產(chǎn)品成形缺陷發(fā)生的概率，顯著改善變形管坯的成形質(zhì)量。
在焊管傳統(tǒng)輥彎成形機組中各成形道次大都采用平輥或立輥實現(xiàn)板材的橫向彎曲，機組中成形軋輥的自由度調(diào)節(jié)相對簡單，其各道次軋輥的成形工藝參數(shù)只需要依據(jù)所確定的帶鋼成形底線和花型圖進行簡單計算即可獲得，相應地，生產(chǎn)現(xiàn)場機組中各成形軋輥也只需要做上下(平輥)或者左右(立輥)的平移調(diào)整即可到位，所以焊管傳統(tǒng)輥彎成形機組的成形工藝參數(shù)確定相對容易。但是，對于采用排輥成形工藝的焊管機組而言，由于機架上所安裝的小排輥是作為一個整體進行調(diào)整，且其每個排輥段均有將近5個調(diào)整自由度(出、入口寬度和高度的平動以及繞輥梁的旋轉(zhuǎn))，因此要根據(jù)板帶的花型設計圖來計算出相應排輥段的成形工藝參數(shù)也就變得非常困難。目前國內(nèi)外對于直縫焊管排輥成形機組的成形工藝參數(shù)確定的研究基本處于空白，絕大部分的焊管生產(chǎn)企業(yè)大都是采用經(jīng)驗法或試湊法來獲得排輥段的成形工藝參數(shù)，其不僅費時費力，增加生產(chǎn)成本，而且也缺乏科學的理論依據(jù)，很難達到成形工藝參數(shù)的量化和優(yōu)化。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種直縫焊管排輥成形機組的工藝優(yōu)化方法，針對當前焊管生產(chǎn)企業(yè)基本依靠經(jīng)驗和試湊法來獲取焊管排輥成形機組的成形工藝參數(shù)這一現(xiàn)狀，為了使排輥成形工藝參數(shù)具有更好的理論依據(jù)，同時縮短新規(guī)格產(chǎn)品的開發(fā)周期，減少原材料浪費，降低直縫焊管生產(chǎn)成本。通過本方法能夠科學、準確、快速、高效地實現(xiàn)從板帶花型圖到直縫焊管排輥成形機組成形工藝參數(shù)獲取，具有較好地可靠性和實用性，由其確定的成形工藝參數(shù)可直接用于現(xiàn)場直縫焊管的生產(chǎn)和制造。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟
第一步，以排輥輥心為原點，建立第一局部坐標系；
所述的第一局部坐標系，即X3Y3Z3是指排輥軸線為)(3軸，第一局部坐標系的&軸與全局坐標系下的Z軸方向一致，根據(jù)排輥的截面輪廓形狀，建立相應的截面輪廓參數(shù)方程，設P為排輥輪廓線上的一點(X3，y3，Z3)，在第一局部坐標系的原點03，即排輥輥心下，根據(jù)小排輥的輪廓形狀，寫出排輥輪廓線的參數(shù)方程
權(quán)利要求
1.一種直縫焊管排輥成形機組的工藝優(yōu)化方法，包括以下步驟 第一步，以排輥輥心為原點，建立第一局部坐標系；第二步，以過排輥軸線的輥梁橫截面圓心為原點，建立第二局部坐標系并構(gòu)造出所有排輥輪廓線的初始靜態(tài)排輥曲面；第三步，在第二局部坐標系下采用傾角修正的方式對初始靜態(tài)排輥曲面進行修正后得到成形工藝參數(shù)相關(guān)排輥曲面；第四步，以排輥機架的參考點為原點，即入口側(cè)滑塊的圓柱凸臺軸線與圓孔軸線的交點，建立第三局部坐標系，并將成形工藝參數(shù)相關(guān)排輥曲面以第三局部坐標系為過渡轉(zhuǎn)換至全局坐標系下的排輥曲面；第五步，將全局坐標系下的排輥曲面進行旋轉(zhuǎn)修正，得到成形工藝參數(shù)相關(guān)曲面； 第六步，利用花型設計方法計算出排輥段不同成形位置下板帶的花型圖，從而獲得排輥段出、入口側(cè)板帶的橫截面形狀，結(jié)合幾何約束邊界條件以及第五步得到的成形工藝參數(shù)相關(guān)曲面，即可算得、s、Xiqs以及Yitis的初始參數(shù)；第七步，構(gòu)造出、入口處板帶邊緣端點沿全局坐標系下的寬度X和高度Y方向到動態(tài)排輥曲面的距離泛函Π，然后代入初始參數(shù)并經(jīng)過若干次的迭代后，計算得到距離泛函π滿足特定要求的所有成形工藝參數(shù)Swqs、Xiqs, Yiqs, Yoqs以及X,。第八步、根據(jù)計算所確定的各成形工藝參數(shù)S胃s、Xiqs, Yiqs, Yoqs以及X,的值，直接用于在生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)整排輥段成形機組上小排輥在空間的成形位置，進行直縫焊管的生產(chǎn)和制造。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的第一局部坐標系，即X3YJ3是指排輥軸線為)(3軸，第一局部坐標系的A軸與全局坐標系下的ζ軸方向一致，根據(jù)排輥的截面輪廓形狀，建立相應的截面輪廓參數(shù)方程，設P為排輥輪廓線上的一點(X3，y3，4)，在第一局部坐標系的原點03，即排輥輥心下，根據(jù)小排輥的輪廓形狀，寫出排輥輪廓線的參數(shù)方程 ^Ρ、3、'RpSinO 、O3P ==^(l-cos^ + i ⑴lZ3,0 ,其中RP為小排輥的輪廓半徑，R為小排輥的底徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的第二局部坐標系，即中的軸與全局坐標系下的X軸方向一致，Z2軸與全局坐標系下的Z軸方向一致，根據(jù)排輥群在空間的排布規(guī)律，獲得沿縱向成形方向各排輥軸線在空間的初始傾角(Swtis = 0時)，進而構(gòu)造出過所有排輥輪廓線的初始靜態(tài)排輥曲面@，則O1P = y2(2)vz2y其中P在局部坐標系O2下的坐標為(X2，y2，Z2),排輥的輥心O3在局部坐標系1 下的坐標位置為、=(x32，y32，z32)T，當Swtis = 0，輥梁軸線平行于成形方向時，2O3的位置則根據(jù)排輥群在空間的排布規(guī)律確定將式( 寫成齊次形式，則可構(gòu)造出過所有排輥輪廓線的初始靜態(tài)排輥曲面◎的齊次形式G2、
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的傾角修正是指在得到初始靜態(tài)排輥曲面@的基礎上，據(jù)旋轉(zhuǎn)控制參數(shù)Swtis計算出排輥傾角的修正值θ z(Swtis)，在第二局部坐標系下，經(jīng)過一次旋轉(zhuǎn)變換即可得到修正后的與成形工藝參數(shù)Swtis相關(guān)排輥曲面 ◎的齊次形式
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的第三局部坐標系，即中&軸與全局坐標系下的X軸方向一致，Z1軸與全局坐標系下的Z軸方向一致，輥梁的軸線平行于板帶縱向的成形方向，即)(ias = Xoas, Yias = Y。as，即此時的排輥曲面僅由Swas、)(ias以及Yias三個成形工藝參數(shù)確定，根據(jù)點A與O1間的相對距離關(guān)系，利用平移變換，先將排輥曲面O2Pz轉(zhuǎn)換成在局部坐標系O1下的曲面O1Pz ,再根據(jù)點O1與0間的相對距離關(guān)系，再次利用平移變換，將曲面轉(zhuǎn)換成全局坐標系0下的曲面δζ,曲面δζ即為全局坐標系下，過排輥輪廓線且與3個成形工藝參數(shù)Swqs、Xiqs以及Yitis相關(guān)的曲面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的以第三局部坐標系為過渡轉(zhuǎn)換是指 設局部坐標系W2的原點A在局部坐標系^C1Y1Z1下的坐標為(X21，y21, ，考慮到此時輥梁的軸線平行于板帶縱向的成形方向，根據(jù)點O2與仏間的相對距離關(guān)系，利用平移變換，將局部坐標系下的排輥曲面O2Pz轉(zhuǎn)換成局部坐標系石下的排輥曲面O1Pz
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的成形工藝參數(shù)相關(guān)曲面是指 7. 1)在全局坐標系0下，若Yitis Φ Yoqs, Xiqs = Xoqs,即意味著曲面石ζ會過排輥機架的參考點Od^X軸旋轉(zhuǎn)θχ，θ ；￡可由根據(jù)γ_、γ,的差值以及滑槽的間距算出，因此排輥曲面石ζ過排輥機架的參考點O1繞X軸旋轉(zhuǎn)θ χ后的曲面石ζ可由坐標的復合變換求得
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的幾何約束邊界條件是指(a)排輥段入口處板帶邊緣端點Di與排輥輪廓線上某一點Pi重合，以及(b)小排輥輪廓線上接觸點Pi與成形管坯邊緣接觸端點的切線方向保持一致，具體如下考察在全局坐標系下，過排輥輪廓線且與3個成形工藝參數(shù)Swqs、)(i(ls以及Yitis相關(guān)排輥曲面⑨的方程，由幾何約束邊界條件(a)可以得到 Xz(xiqs' yiqs' Swqs, θ J, Zi) = Xd( θ i, Zi) (9) Yz(xiQS' yiQS' swqs, θ j, Zi) = Yd( θ i, Zi) ( ο)其中忒和Yz均為排輥輪廓線上接觸點的XY向坐標值，可根據(jù)排輥曲面δξ的方程求得Ad和Yd可根據(jù)花型設計方法計算； 由幾何約束邊界條件(b)可以得到Tpi (Swqs' Xiqs' Yiqs' ^ i' Zi) 一 Tdi ( θ j , Zj)(11)其中Tpi為排輥輪廓線上接觸點處的切線矢量方向，可根據(jù)排輥曲面δξ的方程求得； Tdi為板帶花型在接觸端點處的切線矢量方向，可根據(jù)花型設計方法求得。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的第七步具體步驟如下9. 1)在求得旋轉(zhuǎn)控制參數(shù)Swtis以及初始平移參數(shù)的基礎上，為了進一步求得最終入口和出口側(cè)高度和寬度的成形工藝參數(shù))(_、Υ_、Υ-以及X-，構(gòu)造出口和入口處板帶邊緣端點Dt^PDi沿寬度⑴和高度⑴方向到排輥曲面的距離泛函
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征是，所述的迭代的求解過程中，出口和入口處各成形工藝參數(shù)的修正計算式為:xiqs = xiqs-dXi, yiqs = Yi^-dy^ xoqs = xoqs-dx0, yoqs = y0(ls-dy0°
全文摘要
一種機械成形技術(shù)領域的直縫焊管排輥成形機組的工藝優(yōu)化方法，通過坐標轉(zhuǎn)換和迭代處理得到成形工藝參數(shù)，針對當前焊管生產(chǎn)企業(yè)基本依靠經(jīng)驗和試湊法來獲取焊管排輥成形機組的成形工藝參數(shù)這一現(xiàn)狀，為了使排輥成形工藝參數(shù)設計方法具有更好的理論依據(jù)，同時縮短新規(guī)格產(chǎn)品的開發(fā)周期，減少原材料浪費，降低直縫焊管生產(chǎn)成本。
文檔編號B21C37/08GK102500640SQ20111031815
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者任強, 唐鼎, 李大永, 蔣勁茂 申請人:上海交通大學, 無錫凱博易機電科技有限公司