專利名稱：直縫焊管排輥成形機組的工藝優化方法
技術領域：
本發明涉及的是一種機械成形技術領域的方法，具體是一種直縫焊管排輥成形機組的工藝優化方法。
背景技術：
直縫焊管生產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逐漸彎曲成特定截面的一種塑性加工技術。早期傳統輥彎成形機組的構造是平輥和立輥交叉布置，主要用于生產小直徑焊管，后來經過不斷改進， 早期的成形機組開始演變成為平、立輥+立輥組的形式，可生產管徑也由小直徑發展為中直徑，此后為了克服傳統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彎卷成管筒的輥式成形工藝，即在焊管坯的連續排輥成形過程中，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、邊緣成形質量好以及軋輥共用性強三大特點，目前不僅世界上新投產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技術發展的趨勢。對于采用排輥成形工藝的直縫焊管成形機組而言，其成形工藝參數直接決定了軋輥在空間的成形位置姿態，是影響成形質量的最直接因素。合理的成形工藝參數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品成形缺陷發生的概率，顯著改善變形管坯的成形質量。
在焊管傳統輥彎成形機組中各成形道次大都采用平輥或立輥實現板材的橫向彎曲，機組中成形軋輥的自由度調節相對簡單，其各道次軋輥的成形工藝參數只需要依據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，生產現場機組中各成形軋輥也只需要做上下(平輥)或者左右(立輥)的平移調整即可到位，所以焊管傳統輥彎成形機組的成形工藝參數確定相對容易。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整，且其每個排輥段均有將近5個調整自由度(出、入口寬度和高度的平動以及繞輥梁的旋轉)，因此要根據板帶的花型設計圖來計算出相應排輥段的成形工藝參數也就變得非常困難。目前國內外對于直縫焊管排輥成形機組的成形工藝參數確定的研究基本處于空白，絕大部分的焊管生產企業大都是采用經驗法或試湊法來獲得排輥段的成形工藝參數，其不僅費時費力，增加生產成本，而且也缺乏科學的理論依據，很難達到成形工藝參數的量化和優化。發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種直縫焊管排輥成形機組的工藝優化方法，針對當前焊管生產企業基本依靠經驗和試湊法來獲取焊管排輥成形機組的成形工藝參數這一現狀，為了使排輥成形工藝參數具有更好的理論依據，同時縮短新規格產品的開發周期，減少原材料浪費，降低直縫焊管生產成本。通過本方法能夠科學、準確、快速、高效地實現從板帶花型圖到直縫焊管排輥成形機組成形工藝參數獲取，具有較好地可靠性和實用性，由其確定的成形工藝參數可直接用于現場直縫焊管的生產和制造。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括以下步驟
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，根據排輥的截面輪廓形狀，建立相應的截面輪廓參數方程，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，根據小排輥的輪廓形狀，寫出排輥輪廓線的參數方程
權利要求
1.一種直縫焊管排輥成形機組的工藝優化方法，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造出所有排輥輪廓線的初始靜態排輥曲面；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排輥曲面進行修正后得到成形工藝參數相關排輥曲面；第四步，以排輥機架的參考點為原點，即入口側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，并將成形工藝參數相關排輥曲面以第三局部坐標系為過渡轉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修正，得到成形工藝參數相關曲面； 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、入口側板帶的橫截面形狀，結合幾何約束邊界條件以及第五步得到的成形工藝參數相關曲面，即可算得、s、Xiqs以及Yitis的初始參數；第七步，構造出、入口處板帶邊緣端點沿全局坐標系下的寬度X和高度Y方向到動態排輥曲面的距離泛函Π，然后代入初始參數并經過若干次的迭代后，計算得到距離泛函π滿足特定要求的所有成形工藝參數Swqs、Xiqs, Yiqs, Yoqs以及X,。第八步、根據計算所確定的各成形工藝參數S胃s、Xiqs, Yiqs, Yoqs以及X,的值，直接用于在生產現場調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和制造。
2.根據權利要求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，根據排輥的截面輪廓形狀，建立相應的截面輪廓參數方程，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，根據小排輥的輪廓形狀，寫出排輥輪廓線的參數方程 ^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.根據權利要求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，根據排輥群在空間的排布規律，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)，進而構造出過所有排輥輪廓線的初始靜態排輥曲面@，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的位置則根據排輥群在空間的排布規律確定將式( 寫成齊次形式，則可構造出過所有排輥輪廓線的初始靜態排輥曲面◎的齊次形式G2、
4.根據權利要求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排輥曲面@的基礎上，據旋轉控制參數Swtis計算出排輥傾角的修正值θ z(Swtis)，在第二局部坐標系下，經過一次旋轉變換即可得到修正后的與成形工藝參數Swtis相關排輥曲面 ◎的齊次形式
5.根據權利要求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三個成形工藝參數確定，根據點A與O1間的相對距離關系，利用平移變換，先將排輥曲面O2Pz轉換成在局部坐標系O1下的曲面O1Pz ,再根據點O1與0間的相對距離關系，再次利用平移變換，將曲面轉換成全局坐標系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Swqs、Xiqs以及Yitis相關的曲面。
6.根據權利要求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，根據點O2與仏間的相對距離關系，利用平移變換，將局部坐標系下的排輥曲面O2Pz轉換成局部坐標系石下的排輥曲面O1Pz
7.根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的成形工藝參數相關曲面是指 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θχ，θ ；￡可由根據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θ χ后的曲面石ζ可由坐標的復合變換求得
8.根據權利要求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Swqs、)(i(ls以及Yitis相關排輥曲面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，可根據排輥曲面δξ的方程求得Ad和Yd可根據花型設計方法計算； 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，可根據花型設計方法求得。
9.根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的第七步具體步驟如下9. 1)在求得旋轉控制參數Swtis以及初始平移參數的基礎上，為了進一步求得最終入口和出口側高度和寬度的成形工藝參數)(_、Υ_、Υ-以及X-，構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.根據權利要求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
一種機械成形技術領域的直縫焊管排輥成形機組的工藝優化方法，通過坐標轉換和迭代處理得到成形工藝參數，針對當前焊管生產企業基本依靠經驗和試湊法來獲取焊管排輥成形機組的成形工藝參數這一現狀，為了使排輥成形工藝參數設計方法具有更好的理論依據，同時縮短新規格產品的開發周期，減少原材料浪費，降低直縫焊管生產成本。
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 優先權日2011年10月19日
發明者任強, 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