等壁异型管冷弯孔型计算机辅助设计

收稿日期:2003-05-07
作者简介:柳谋渊(1955-),男,副教授.
文章编号:1671-7333(2003)03-0157-03
等壁异型管冷弯孔型计算机辅助设计
柳谋渊
(上海应用技术学院材料工程系,上海,200235)
摘要:　提出一种等壁异型管冷弯成型的简易计算方法,同时可利用计算机对孔型系统进行辅
助设计。

该方法适用于任意复杂断面等壁冷弯异型材成型的孔型设计过程。

关键词:　孔型设计;冷弯型材;CAD
中图分类号:　TG 332+.4;TP 391.72 文献标识码:　A
CAD for Cold Bending of Arbitrary Complex Tube
L IU Mou 2yuan
(Department of Material Engineering ,Shanghai Institute of Technology ,Shanghai 200235,China )
Abstract :A simplified design method for formation of arbitrary complex tube is introduced here ,and it can be further aided by computer to design the shape of grooves and rolls.The method can be used for roll design of any arbitrary complex tube and shape 2forming process.
Key words :groove design ;cold bent shape ;CAD
通常的等壁异型管成型多采用辊式或排辊成型后焊接成圆管,然后由定径机组对圆管进行压弯,成为所需的异型管。

这种由圆管成型为异型管的过程普遍采用经验法或近似法来完成,实践证明这类方法存在某些不足,比如以弦代弧所引起的中间道次压缩过量,使得整形道次失效[1],不得不采用过量调整的方法来确保成型精度等。

传统设计方法的合理性和可靠性不足,对于复杂断面孔型设计更是如此。

因此,针对大多数采用辊式定径机进行冷弯异型管的现场条件,本文从道次均匀变形的角度出发,探讨适当的成型规律和孔型设计方法,对成型过程的道次变形、辊型采用计算机辅助设计,从而使得整个孔型设计过程更为合理、精确、有效,同时该方法还适用于任意复杂断面异型材冷弯成型过程。

1　基本方法
方管和矩形管,由于形状较简单,其成型过程的设计方法在许多资料中均有介绍和设计实例,但鲜见复杂断面的设计方法具体介绍。

有的只给出诸如辅助矩形法、变形角法[2]等概念,应用说明极少。

以下是作者给出的设计思想。

1.1　管坯尺寸
按成品边长,根据钢种和壁厚选择压缩系数,从而确定来料尺寸。

来料可以是空心圆管,也可以是带钢,视机组用于焊管或冷弯而定。

第3卷　第3期
2003年9月 上海应用技术学院学报JOURNAL OF SHAN GHAI INSTITU TE OF TECHNOLO GY Vol.3No.3　Sep.2003
1.2　初始顶角位置
按成品管各边长和压缩率,确定圆管坯或带坯的相应顶角位置(坐标值)。

1.3　道次局部曲率
异型管成形过程中的各条边(j )各道次(i )的曲率按均匀变形原则[3]分配,即
ρi ,j =ρi -1,j -Δρi ,j
(1)Δρi ,j =|ρ0,j -ρn ,j |/n
(2)式中:ρi ,j 为第i 道次的j 条弧边的曲率,arc -1;Δρi ,j 为第i 道次第j 条弧边的曲率增量,arc -1;ρ0,j 为来料第j 条弧边的曲率,arc -1;ρn ,j 为成品第j 条弧边的曲率,arc
-1;n 为成形道次数。

1.4　各道次各条边的弧长
l i ,j =l 0,j /μi cp
(3)μi cp =μ1/n i =1～n (4)
式中:l i ,j 为第i 道次第j 条边的弧长,mm ;l 0,j 为来料对应边的弧长,mm ;μcp 为道次平均压缩率;μ为总压缩率。

1.5　各道次各顶角位置
如图1所示,将底径中点O ′点作为基准点,按顺时针方向依次求出各顶角位置。

其原则是:初始顶点位置与成品顶点位置之间各道次的顶点位移量取决于位移半径R 和弧(弦)长l ij 。

第i 道次的顶点坐标X (i ,j ),Y (i ,j )取决于以下条件:
(1)同一道次的前一个顶点坐标:X (i ,j -1),Y (i ,j -1
)
图2　采用6个道次(第6道为整形)的阶梯管成型过程
图1　顶角计算过程示意 (2)以X (i ,j -1),Y (i ,j -1)
为圆心、a 为半径的圆:[X -X (i ,j
-1)]2+[Y -Y (i ,j -1)]2=a 2
(3)以i -1道次第j 个顶点坐
标X (i -1,j ),Y (i -1,j )为圆心、
R 为半径的参考圆:[X -X (i -1,
j )]2+[Y -Y (i -1,j )]2=R
2结合(1)式和(3)式中所求得的
ρi ,j 和l i ,j ,采用解析法求取各段弧的
交点,如图1所示。

由计算机完成整
个计算过程。

2　辅助计算程序框图
计算机辅助设计程序框图如图3所示。

图中,l nj 为成品道次n 第j 条边的边长,mm ;m 为顶角数;j 为各条边或顶角的编号,j =3～m ;r nj 为成品道次第j 个顶角的圆角半径,mm ;s 为壁厚,mm ;η为轧机形式识别参数;c 为材质系数;ε为参考圆分割精度,mm ,ε=0.01～0.2;D j 为各顶角总位移,mm ;
ΔD j 为道次各顶角位移半径增量,mm ,
ΔR j =D j /n ;R 为参考圆半径,mm ,R =ΔR j i ;X (i ,j ),Y (i ,j )为第i 道次第j 个顶角的位移坐标值,mm 。

3　结 语
冷弯成型作为板带或焊管深加工的重要领域,其设计和加工技术正朝着高效化、高精度方向发展。

采用传统设计方法进行复杂断面异型管以及冷弯型材成型及其孔型设计,存在设计效率低、设计精度不高的缺点,使产品质量和品种的快速更新受到一定限制。

针对这一问题,本文提出一种等曲率方法,可
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图3　计算机辅助设计程序框图
对复杂断面等壁异型管或异型材进行冷弯成型。

由于采用计算机辅助设计计算,该方法设计效率和设计精度高,必要时,设计人员可对设计程序中的有关数学模型进行少量的、针对现场条件的修正即可获得较为理想的设计结果。

同时,辅助设计的输出结果可自动汇编成数控加工指令,从而形成设计加工一体化的CAD/CAM 系统。

参考文献:
[1]　Albert Sedlmaier ,J uergen Tann.Process simulation and quality control in the roll forming industry[J ].Sheet Metal Inter 2
national ,1999,1(3):66-72.
[2]　王先进,涂厚道.冷弯型钢生产及应用[M ].北京:冶金工业出版社,1994:253-257,345-355.
[3]　林时宪编译.国外冷弯型钢[M ].北京:冶金工业出版社,1984:249-254.
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