專利名稱：直縫焊管籠式成型工藝的花型設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于板材輥彎成型技術(shù)領(lǐng)域，具體屬于板材輥彎成型工藝的花型設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
輥彎成型是板材深度加工的一個(gè)重要領(lǐng)域。它是通過由多段具有一定表面形狀成型軋輥所組成的成型機(jī)組對(duì)坯料逐步進(jìn)行彎曲變形，從而得到均一截面產(chǎn)品的一種塑性加工方法。直縫焊管是其主要的產(chǎn)品之一，與無縫管生產(chǎn)相比，由于直縫焊管生產(chǎn)具有生產(chǎn)效率高、能源消耗低、表面成型質(zhì)量好以及產(chǎn)品尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)，直縫焊管在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的用途越來越廣泛，不僅在煤氣輸送管、建筑結(jié)構(gòu)管等低強(qiáng)度的應(yīng)用領(lǐng)域完全取代了無縫管， 而且在高壓鍋爐管、油氣管線管等高強(qiáng)度的應(yīng)用領(lǐng)域正越來越多地替代無縫管。隨著焊管質(zhì)量的提高以及人們對(duì)環(huán)境、能源的重視，直縫焊管將具有更加廣闊的應(yīng)用前景，直縫焊管成型工藝技術(shù)的開發(fā)正受到越來越多的關(guān)注。直縫焊管輥彎成型工藝的發(fā)展歷程大致經(jīng)過了 3個(gè)階段最開始階段是采用平、 立輥交叉布置的形式；后來為了減少回彈和改善成型質(zhì)量，開始在焊管成型機(jī)中引入立輥組，進(jìn)而發(fā)展為平、立輥+立輥組的形式；雖然立輥組的引入可以一定程度上減少回彈和改善成型質(zhì)量，但是由于立輥組的共用性太差，每次進(jìn)行不同規(guī)格焊管生產(chǎn)時(shí)都需要另外更換，為了提高機(jī)組中軋輥的共用性、減少板材回彈以及改善邊緣成形質(zhì)量，通過在成型區(qū)兩側(cè)安裝大量緊湊的小軋輥來替代原有立輥，使板材邊緣得以沿著一條平滑的自然變形路徑進(jìn)行，從而逐漸演變成了籠式成型工藝。如圖1所示，籠式成型工藝是指金屬板材1被兩排若干組被動(dòng)小輥2連續(xù)彎卷成管筒的一種焊管輥式成型技術(shù)。由于籠式成型工藝具有板材回彈小、邊緣成型質(zhì)量好以及軋輥共用性強(qiáng)三大特點(diǎn)，目前世界上新投產(chǎn)的中等直徑焊管機(jī)組大多都采用籠式成型工藝，國(guó)內(nèi)鋼管業(yè)巨頭寶鋼和武鋼分別于2005年和2007年從德國(guó)SMS MEER公司先后引進(jìn)了整套直縫焊管籠式成型機(jī)組。籠式成型工藝被認(rèn)為是目前世界上最主流的先進(jìn)焊管生產(chǎn)技術(shù)之一。直縫焊管籠式成型工藝開發(fā)主要涉及花型設(shè)計(jì)、軋輥設(shè)計(jì)以及成型工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。其中花型設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)就是確定不同成型位置下變形板材在橫向的彎曲方式和彎曲角度，是輥彎成型工藝設(shè)計(jì)的核心基礎(chǔ)工作。不合理的花型設(shè)計(jì)通常會(huì)導(dǎo)致不合理的成型工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)而造成板材邊緣成型質(zhì)量不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)邊浪或者鼓包等成型缺陷，從而影響到管坯邊緣的焊接質(zhì)量。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，目前花型設(shè)計(jì)方法主要有圓周彎曲成型法、邊緣彎曲成型法、中心彎曲成型法和雙半徑彎曲成型法，均是伴隨著直縫焊管傳統(tǒng)輥彎成型工藝的發(fā)展而形成的。張家口寧遠(yuǎn)鋼廠的袁祖勛分別在《鋼管》1993年第 3期第34 39頁(yè)和第4期第20 23頁(yè)上發(fā)表了“直縫焊管的橫向成型原理與應(yīng)用I”和 “直縫焊管的橫向成型原理與應(yīng)用II”，這兩篇文獻(xiàn)運(yùn)用數(shù)學(xué)推理，系統(tǒng)歸納了圓周彎曲成型法、邊緣彎曲成型法、中心彎曲成型法以及雙半徑彎曲成型法這4種花型設(shè)計(jì)方法。在圓周彎曲法中，板材在整個(gè)橫斷面內(nèi)的彎曲半徑始終采用單一半徑進(jìn)行彎曲；在邊緣彎曲法
4中，板材的變形先由邊緣部分開始采用單一半徑進(jìn)行彎曲，中心部分不變，隨后逐步向中心過渡；在中心彎曲法中，板材的變形先由中心部分開始采用單一半徑進(jìn)行彎曲，邊緣部分只是被拉起，并不變形，隨后逐步向邊緣過渡；雙半徑彎曲成型法是指邊緣彎曲成型和板材中間部分呈圓周彎曲成型的組合彎曲方法，板材中部的變形遵循圓周彎曲變形的規(guī)律，板材邊部的彎曲變形與邊緣彎曲法類似。本申請(qǐng)的第一發(fā)明人蔣勁茂在《Journal of Materials Processing Technology》 2009 年第 209 卷第 10 期第 4850 4856 頁(yè)上發(fā)表了 “Research on strip deformation in the cageroll-forming process of ERff round pipes”,該文基于彈塑性動(dòng)力顯式有限元法對(duì)直縫焊管籠式成型全流程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，分析了籠式成型工藝中板材的橫向變形規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了板材上的變形盲區(qū)現(xiàn)象，即板材上存在橫向彎曲不充分或變形較小的區(qū)域?？紤]到目前已有的4種直縫焊管傳統(tǒng)花型設(shè)計(jì)方法中的圓周彎曲成型法和雙半徑彎曲成型法雖然能適用于直縫焊管輥彎成型工藝的花型設(shè)計(jì)，但是直縫焊管籠式成型工藝主要是以基于三點(diǎn)彎曲原理的空彎成型為主，如圖2所示，圖中板材1的兩側(cè)為小軋輥2，板材1 的中心為平輥4，這種三點(diǎn)約束對(duì)板材的約束較弱，因此直縫焊管的籠式成型過程中板材上必然會(huì)存在變形盲區(qū)3。而現(xiàn)有的花型設(shè)計(jì)方法通常不能真實(shí)地反映籠式成型工藝中板材的橫向變形特征——變形盲區(qū)現(xiàn)象，因此在指導(dǎo)焊管籠式成型工藝的花型設(shè)計(jì)時(shí)均存在一定的局限性，板材實(shí)際產(chǎn)生的橫截面彎曲形狀與所設(shè)計(jì)出來的花型不能完全吻合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有的花型設(shè)計(jì)方法無法考慮直縫焊管籠式成型工藝中板材上所存在的變形盲區(qū)現(xiàn)象的不足，提出了直縫焊管籠式成型工藝的花型設(shè)計(jì)方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是直縫焊管籠式成型工藝的花型設(shè)計(jì)方法，包括步驟步驟1.基于直縫焊管籠式成型工藝中板材上存在的變形盲區(qū)現(xiàn)象，提出相應(yīng)的板材橫向彎曲模型，所述板材橫向彎曲模型將板材的橫截面以中心對(duì)稱的方式分為中心彎曲段、非充分彎曲段和邊緣彎曲段；步驟2.依據(jù)所提出的板材橫向彎曲模型，由板材橫向彎曲模型中的中心彎曲段、 非充分彎曲段和邊緣彎曲段的幾何連接關(guān)系確定板材的邊緣端點(diǎn)位置方程；步驟3.根據(jù)板材邊緣水平投影在直縫焊管籠式成型機(jī)的機(jī)架入口和精成型入口處均滿足連續(xù)邊界條件，推得板材的邊緣水平投影方程；步驟4.聯(lián)立板材的邊緣端點(diǎn)位置方程和邊緣水平投影方程，確定板材中心彎曲段的彎曲角度和縱向成形位置的非線性方程；步驟5.結(jié)合板材橫向彎曲模型，并根據(jù)板材中心彎曲段的彎曲角度和縱向成形位置的非線性方程，實(shí)現(xiàn)直縫焊管籠式成型工藝花型設(shè)計(jì)。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明基于變形盲區(qū)現(xiàn)象提出板材橫向彎曲模型，將板材的橫截面以中心對(duì)稱的方式分為中心彎曲段、非充分彎曲段和邊緣彎曲段，在此基礎(chǔ)上提出的直縫焊管籠式成型工藝的花型設(shè)計(jì)方法，可以較好地彌補(bǔ)現(xiàn)有花型設(shè)計(jì)方法的不足， 能使板材實(shí)際成型的橫截面彎曲形狀與所設(shè)計(jì)出來的花型更好吻合，在指導(dǎo)直縫焊管籠式成型機(jī)組的成型工藝參數(shù)設(shè)計(jì)方面具有很好的應(yīng)用前景。


圖1是直縫焊管籠式成型工藝的成型過程示意圖。圖2是直縫焊管籠式成型工藝的彎曲原理示意圖。圖3是板材橫向彎曲模型示意圖。圖4本發(fā)明的原理示意圖。圖5本發(fā)明實(shí)施例中ΦΜ4. 5mm直縫焊管籠式成型工藝的板材花型圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。直縫焊管籠式成型工藝的花型設(shè)計(jì)方法，包括步驟步驟1.基于直縫焊管籠式成型工藝中板材上存在的變形盲區(qū)現(xiàn)象，提出相應(yīng)的板材橫向彎曲模型，所述板材橫向彎曲模型將板材的橫截面以中心對(duì)稱的方式分為中心彎曲段、非充分彎曲段和邊緣彎曲段；板材在進(jìn)入籠式成型段之前，板材邊緣部分先由彎邊輥彎曲變形到一恒定角度， 進(jìn)入籠式成型段之后，板材橫向彎曲模型如圖3所示由于板材的對(duì)稱性，為簡(jiǎn)化描述，以板材橫截面的中心點(diǎn)A為界，僅取板材橫截面的右半部進(jìn)行描述，將右半部分為中心彎曲段龍8、非充分彎曲段和邊緣彎曲段，中心彎曲段浙、非充分彎曲段和邊緣彎曲段傷對(duì)應(yīng)的圓心分別為OpOyO3,中心彎曲段浙、 非充分彎曲段和邊緣彎曲段對(duì)應(yīng)的半徑分別為禮、1 2、1 3，中心彎曲段浙、非充分彎曲段和邊緣彎曲段對(duì)應(yīng)的圓心角度分別為θρθρθρ其中，中心彎曲段浙與非充分彎曲段t相切于B點(diǎn)，圓弧t與圓弧相切與C點(diǎn)，BH、HI、ID分別為過點(diǎn)B、C、D的切線， 直線EF、BG與X軸平行。整個(gè)板材的橫向彎曲分為3段中心彎曲段浙、非充分彎曲段t以及邊緣彎曲段 )，其中非充分彎曲段用于描述變形盲區(qū)；浙段的長(zhǎng)度由變形盲區(qū)起點(diǎn)確定，在籠式成型過程中，中心彎曲段浙的變形規(guī)律與單半徑圓周彎曲法相同，中心彎曲段浙的曲率半徑由無窮大逐步趨近最終成品管半徑，該段的彎曲角度Q1由邊緣水平投影方程計(jì)算。t段的長(zhǎng)度由變形盲區(qū)起點(diǎn)和終點(diǎn)共同決定，段的彎曲角度θ 2恒定，t段的彎曲半徑為板材形成的最終成品管半徑的5 10倍。段的長(zhǎng)度由變形盲區(qū)的終點(diǎn)確定，段的彎曲角度θ 3始終保持恒定，在25 45度間取值，取值的原則是保證ft)段的曲率半徑是最終成品管半徑的1.0 1.5倍。步驟2.依據(jù)所提出的板材橫向彎曲模型，由板材橫向彎曲模型中的中心彎曲段、 非充分彎曲段和邊緣彎曲段的幾何連接關(guān)系確定板材的邊緣端點(diǎn)位置方程；在圖3中，設(shè)板材的橫向?yàn)閄軸，厚向?yàn)閅軸，點(diǎn)A的平面坐標(biāo)為(Xa，Ya)，根據(jù)幾何關(guān)系，可以得到板材邊緣端點(diǎn)D(Xd，Yd)的位置方程
權(quán)利要求
1.直縫焊管籠式成型工藝的花型設(shè)計(jì)方法，包括步驟步驟1.基于直縫焊管籠式成型工藝中板材上存在的變形盲區(qū)現(xiàn)象，提出相應(yīng)的板材橫向彎曲模型，所述板材橫向彎曲模型將板材的橫截面以中心對(duì)稱的方式分為中心彎曲段、非充分彎曲段和邊緣彎曲段；步驟2.依據(jù)所提出的板材橫向彎曲模型，由板材橫向彎曲模型中的中心彎曲段、非充分彎曲段和邊緣彎曲段的幾何連接關(guān)系確定板材的邊緣端點(diǎn)位置方程；步驟3.根據(jù)板材邊緣水平投影在直縫焊管籠式成型機(jī)的機(jī)架入口和精成型入口處均滿足連續(xù)邊界條件，推得板材的邊緣水平投影方程；步驟4.聯(lián)立板材的邊緣端點(diǎn)位置方程和邊緣水平投影方程，確定板材中心彎曲段的彎曲角度和縱向成形位置的非線性方程；步驟5.結(jié)合板材橫向彎曲模型，并根據(jù)確定板材中心彎曲段的彎曲角度和縱向成形位置的非線性方程，實(shí)現(xiàn)直縫焊管籠式成型工藝花型設(shè)計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直縫焊管籠式成型工藝的花型設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟1 中，中心彎曲段的長(zhǎng)度由變形盲區(qū)起點(diǎn)確定，且其變形規(guī)律與單半徑圓周彎曲法相同；非充分彎曲段的長(zhǎng)度由變形盲區(qū)起點(diǎn)和終點(diǎn)共同決定，其彎曲半徑保持恒定；邊緣彎曲段的長(zhǎng)度由變形盲區(qū)的終點(diǎn)確定，其彎曲角度保持恒定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直縫焊管籠式成型工藝的花型設(shè)計(jì)方法，其特征在于，非充分彎曲段的彎曲半徑為板材形成的最終成品管半徑的5 10倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直縫焊管籠式成型工藝的花型設(shè)計(jì)方法，其特征在于，邊緣彎曲段的彎曲角度在25 45度間取值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直縫焊管籠式成型工藝的花型設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟2 中，板材的邊緣端點(diǎn)位置方程為
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直縫焊管籠式成型工藝的花型設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟3 中，板材邊緣水平投影方程為
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直縫焊管籠式成型工藝的花型設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟4 中，板材中心彎曲段的彎曲角度Q1和縱向成形位置&的非線性方程為
全文摘要
本發(fā)明涉及直縫焊管籠式成型工藝的花型設(shè)計(jì)方法，包括步驟步驟1.基于直縫焊管籠式成型工藝中板材上存在的變形盲區(qū)現(xiàn)象，提出相應(yīng)的板材橫向彎曲模型，所述板材橫向彎曲模型將板材的橫截面以中心對(duì)稱的方式分為中心彎曲段、非充分彎曲段和邊緣彎曲段；步驟2.依據(jù)所提出的板材橫向彎曲模型，由板材橫向彎曲模型中的中心彎曲段、非充分彎曲段和邊緣彎曲段的幾何連接關(guān)系確定板材的邊緣端點(diǎn)位置方程。本發(fā)明的有益效果是可以較好地彌補(bǔ)現(xiàn)有花型設(shè)計(jì)方法的不足，能使板材實(shí)際成型的橫截面彎曲形狀與所設(shè)計(jì)出來的花型更好吻合，在指導(dǎo)直縫焊管籠式成型機(jī)組的成型工藝參數(shù)設(shè)計(jì)方面具有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B21D5/10GK102151724SQ20101055913
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者彭穎紅, 李大永, 杜平安, 楊建平, 蔣勁茂 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)