异型钢管成型的计算机辅助设计 - 文章

异型钢管成型的计算机辅助设计

作者：北方工业大学刘继英 Albert Sedlmaier

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摘要：异型钢管广泛应用于汽车工业、建筑业等。成型过程的轧辊设计是异型管生产中的关键技术。采用计算机辅助设计技术，实现了高精度、复杂轮廓的轧辊的优化设计。缩短了轧辊设计周期，降低了制造调试成本，使得异型管的成型设计不再是主要依赖设计者的经验以及依靠调试修正的试错法。作者给出了应用COPRA在异型管设计、制造方面的成功实例。
关键词：异型钢管成型计算机辅助设计

引言

异型钢管广泛应用于汽车工业、建筑业等。通常是以焊接钢管或无缝钢管的圆管为母管，采用辊式连续成型（rollforming）或模具拉拔成型（drawing ring）的方式生产。由于辊式连续成型的方式生产率高，在焊管生产线上可实现无间断的生产，且成材率高、头部损耗小，在大批量生产中得到越来越广泛的应用。异型管辊式连续成型工艺的轧辊设计是生产中的关键技术。采用计算机辅助设计技术，可以实现高精度、复杂轮廓的轧辊的优化设计。缩短轧辊设计周期，降低制造调试成本，使得异型管的成型设计不再是主要依赖设计者的经验以及依靠调试修正的试错法。德国data M公司的COPRA是异型管成型轧辊设计的专业软件。

异型管变形的基本原理

1．线性拓扑的投影关系

最终生产出的异型管，不论其外形多么复杂，轮廓线总可以由直线和圆弧实体组成。圆管变为异型管的成型过程中,　异型管的实体单元和圆管的对应部分保持线性拓扑的投影关系。变形过程的截面是由圆管和异型管截面上的点构成的线框模型组成的。

图1表示的是异型管和圆管实体单元间保持线性拓扑关系。

图1 线性拓扑的投影关系

COPRA给出的最终异型管截面是由直线和圆弧实体组成的，它可以由AutoCAD的多义线轮廓转换生成。设计者按照轧机结构参数给出变形分配量后，由COPRA 自动计算出圆管和最终断面间的变形辊花工艺图。这些变形辊花工艺截面是由最终截面几何确定的曲线构成，不同于由单一半径确定的母管和直线圆弧实体构成的最终异型管。

2．成型中实体的长度

设计中以圆管的中性线的长度作为计算的基准，使其等于无压缩时的最终的异型截面的对应的中性线长度。圆管的直径是由断面轮廓线的基准和总的压缩系数计算给定的。

圆管以及中间变形过程的实体划分数目和各段实体的长度对应于最终的异型截面。一段给定长度为100mm的直线段对应于圆管上给定的100mm的部分（当压缩量为0%时）。圆管上圆弧实体的角度取决于断面实体的长度和圆管的外径。

图2 成型实体的长度计算

3. 成型中的压缩系数和压缩量

压缩系数又称延伸系数，对圆管变形为异型管而言，为母管周长与最终异型管周长之比。当异型管成型过程中，为保证在孔型中有足够的材料充实，以及考虑材料在纵向的延伸，需要确定适当的压缩系数。通常总压缩系数取1%－2%之间，同时考虑圆整的母管直径。如果能接近已有的圆管直径，就可以省去圆管部分的轧辊设计和制造。

4．变形量的分配

用均匀变形的方法，变形过程圆弧实体的角度准确等于相邻两机架变形实体对应的两个角度之间。在实际设计中，变形量的分配需要考虑下列因素：

A. 在圆管变异型管的初始道次，为便于咬入，分配较小的变形量；
B. 在异型管成型的最后道次，为保证产品的尺寸精度，分配较小的变形量；
C. 驱动的平辊道次，分配较多的变形量；
D. 侧立辊道次由于刚性较差，且一般无动力驱动，分配较小的变形量；
E. 由相邻孔型变形的难易程度以及轧辊轮廓包容的形状，调整变形量的分配；
F. 由异型管的复杂程度和轧机可用的总道次，确定变形量。

COPRA可以在选中的道次之间按百分比分配变形量，各道次的总和应为100%。

图3 变形量的分配

5．优化与叠代

确定中间道次的辊花数据是设计的关键。COPRA采用了数学叠代法，计算各道次的实体数据。COPRA还给出了3种优化方法。设计者需要给定允许的闭合间隙和优化叠代的时间。

设计出的结果还可以采用COPRA的变形技术模块，根据线框模型进行应力应变的分析，对设计方案做出评判和修改。

异型管设计实例

作者采用COPRA的异型管设计模块完成了多种规格、多种截面异型钢管的设计，并成功地用于生产实践。采用异型轧辊的CAD/CAM一体化技术，实现了设计基准、制造基准、安装调试基准的统一。

由CAD做出的辊型轮廓数据经专用程序转化为适合CNC加工的数控指令代码，经计算机通讯接口直接送入数控机床。为了消除热处理变形，采用了热处理后的精加工。

由于设计时就考虑了安装调试基准，平辊采用相等的轴向长度、立辊采用相等的高度，使得调整工作简单可靠，且有较高的精度。

图4 异型管变形实例

图5 变形技术模块的仿真

图6 圆管成型为异型管的实例

参考文献
1. Albert Sedlmaier Forming Round Tube to Special Shaped:Software Solutions for Determing and Designing High-Quality Roll Tools and Drawing Rings Tube & Pipe technology March/April 1998
2. Jiying Liu Albert Sedlmaier The Application & Development of a CAD/CAM System for Rollforming TUBETECH 98' Shanghai 1998.11

﹡刘继英博士教授北京北方工业大学中国钢协冷弯型钢协会副理事长
www.rollforming.com.cn Tel. 13501065314

﹡﹡Albert Sedlmaier 硕士德国 data M 软件 + 工程公司总经理国际管件协会（ITA）主席
www.datam.de Valley/Obertaindem(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/30/2005)


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