CN102151724A - 直缝焊管笼式成型工艺的花型设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直缝焊管笼式成型工艺的花型设计方法，包括步骤：步骤1.基于直缝焊管笼式成型工艺中板材上存在的变形盲区现象，提出相应的板材横向弯曲模型，所述板材横向弯曲模型将板材的横截面以中心对称的方式分为中心弯曲段、非充分弯曲段和边缘弯曲段；步骤2.依据所提出的板材横向弯曲模型，由板材横向弯曲模型中的中心弯曲段、非充分弯曲段和边缘弯曲段的几何连接关系确定板材的边缘端点位置方程。本发明的有益效果是：可以较好地弥补现有花型设计方法的不足，能使板材实际成型的横截面弯曲形状与所设计出来的花型更好吻合，在指导直缝焊管笼式成型机组的成型工艺参数设计方面具有很好的应用前景。

Description

直缝焊管笼式成型工艺的花型设计方法

技术领域

本发明属于板材辊弯成型技术领域，具体属于板材辊弯成型工艺的花型设计方法。

背景技术

辊弯成型是板材深度加工的一个重要领域。它是通过由多段具有一定表面形状成型轧辊所组成的成型机组对坯料逐步进行弯曲变形，从而得到均一截面产品的一种塑性加工方法。直缝焊管是其主要的产品之一，与无缝管生产相比，由于直缝焊管生产具有生产效率高、能源消耗低、表面成型质量好以及产品尺寸精度高等优点，直缝焊管在国民经济中的用途越来越广泛，不仅在煤气输送管、建筑结构管等低强度的应用领域完全取代了无缝管，而且在高压锅炉管、油气管线管等高强度的应用领域正越来越多地替代无缝管。随着焊管质量的提高以及人们对环境、能源的重视，直缝焊管将具有更加广阔的应用前景，直缝焊管成型工艺技术的开发正受到越来越多的关注。

直缝焊管辊弯成型工艺的发展历程大致经过了3个阶段：最开始阶段是采用平、立辊交叉布置的形式；后来为了减少回弹和改善成型质量，开始在焊管成型机中引入立辊组，进而发展为平、立辊+立辊组的形式；虽然立辊组的引入可以一定程度上减少回弹和改善成型质量，但是由于立辊组的共用性太差，每次进行不同规格焊管生产时都需要另外更换，为了提高机组中轧辊的共用性、减少板材回弹以及改善边缘成形质量，通过在成型区两侧安装大量紧凑的小轧辊来替代原有立辊，使板材边缘得以沿着一条平滑的自然变形路径进行，从而逐渐演变成了笼式成型工艺。如图1所示，笼式成型工艺是指金属板材1被两排若干组被动小辊2连续弯卷成管筒的一种焊管辊式成型技术。由于笼式成型工艺具有板材回弹小、边缘成型质量好以及轧辊共用性强三大特点，目前世界上新投产的中等直径焊管机组大多都采用笼式成型工艺，国内钢管业巨头宝钢和武钢分别于2005年和2007年从德国SMS MEER公司先后引进了整套直缝焊管笼式成型机组。笼式成型工艺被认为是目前世界上最主流的先进焊管生产技术之一。

直缝焊管笼式成型工艺开发主要涉及花型设计、轧辊设计以及成型工艺参数设计。其中花型设计的实质就是确定不同成型位置下变形板材在横向的弯曲方式和弯曲角度，是辊弯成型工艺设计的核心基础工作。不合理的花型设计通常会导致不合理的成型工艺参数设计，进而造成板材边缘成型质量不稳定，甚至出现边浪或者鼓包等成型缺陷，从而影响到管坯边缘的焊接质量。经对现有技术的文献检索发现，目前花型设计方法主要有：圆周弯曲成型法、边缘弯曲成型法、中心弯曲成型法和双半径弯曲成型法，均是伴随着直缝焊管传统辊弯成型工艺的发展而形成的。张家口宁远钢厂的袁祖勋分别在《钢管》1993年第3期第34～39页和第4期第20～23页上发表了“直缝焊管的横向成型原理与应用I”和“直缝焊管的横向成型原理与应用II”，这两篇文献运用数学推理，***归纳了圆周弯曲成型法、边缘弯曲成型法、中心弯曲成型法以及双半径弯曲成型法这4种花型设计方法。在圆周弯曲法中，板材在整个横断面内的弯曲半径始终采用单一半径进行弯曲；在边缘弯曲法中，板材的变形先由边缘部分开始采用单一半径进行弯曲，中心部分不变，随后逐步向中心过渡；在中心弯曲法中，板材的变形先由中心部分开始采用单一半径进行弯曲，边缘部分只是被拉起，并不变形，随后逐步向边缘过渡；双半径弯曲成型法是指边缘弯曲成型和板材中间部分呈圆周弯曲成型的组合弯曲方法，板材中部的变形遵循圆周弯曲变形的规律，板材边部的弯曲变形与边缘弯曲法类似。

本申请的第一发明人蒋劲茂在《Journal of Materials Processing Technology》2009年第209卷第10期第4850～4856页上发表了“Research on strip deformation in the cageroll-forming process of ERW round pipes”，该文基于弹塑性动力显式有限元法对直缝焊管笼式成型全流程进行了动态数值模拟，分析了笼式成型工艺中板材的横向变形规律，发现了板材上的变形盲区现象，即板材上存在横向弯曲不充分或变形较小的区域。考虑到目前已有的4种直缝焊管传统花型设计方法中的圆周弯曲成型法和双半径弯曲成型法虽然能适用于直缝焊管辊弯成型工艺的花型设计，但是直缝焊管笼式成型工艺主要是以基于三点弯曲原理的空弯成型为主，如图2所示，图中板材1的两侧为小轧辊2，板材1的中心为平辊4，这种三点约束对板材的约束较弱，因此直缝焊管的笼式成型过程中板材上必然会存在变形盲区3。而现有的花型设计方法通常不能真实地反映笼式成型工艺中板材的横向变形特征——变形盲区现象，因此在指导焊管笼式成型工艺的花型设计时均存在一定的局限性，板材实际产生的横截面弯曲形状与所设计出来的花型不能完全吻合。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的花型设计方法无法考虑直缝焊管笼式成型工艺中板材上所存在的变形盲区现象的不足，提出了直缝焊管笼式成型工艺的花型设计方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：直缝焊管笼式成型工艺的花型设计方法，包括步骤：

步骤1.基于直缝焊管笼式成型工艺中板材上存在的变形盲区现象，提出相应的板材横向弯曲模型，所述板材横向弯曲模型将板材的横截面以中心对称的方式分为中心弯曲段、非充分弯曲段和边缘弯曲段；

步骤2.依据所提出的板材横向弯曲模型，由板材横向弯曲模型中的中心弯曲段、非充分弯曲段和边缘弯曲段的几何连接关系确定板材的边缘端点位置方程；

步骤3.根据板材边缘水平投影在直缝焊管笼式成型机的机架入口和精成型入口处均满足连续边界条件，推得板材的边缘水平投影方程；

步骤4.联立板材的边缘端点位置方程和边缘水平投影方程，确定板材中心弯曲段的弯曲角度和纵向成形位置的非线性方程；

步骤5.结合板材横向弯曲模型，并根据板材中心弯曲段的弯曲角度和纵向成形位置的非线性方程，实现直缝焊管笼式成型工艺花型设计。

本发明的有益效果是：本发明基于变形盲区现象提出板材横向弯曲模型，将板材的横截面以中心对称的方式分为中心弯曲段、非充分弯曲段和边缘弯曲段，在此基础上提出的直缝焊管笼式成型工艺的花型设计方法，可以较好地弥补现有花型设计方法的不足，能使板材实际成型的横截面弯曲形状与所设计出来的花型更好吻合，在指导直缝焊管笼式成型机组的成型工艺参数设计方面具有很好的应用前景。

附图说明

图1是直缝焊管笼式成型工艺的成型过程示意图。

图2是直缝焊管笼式成型工艺的弯曲原理示意图。

图3是板材横向弯曲模型示意图。

图4本发明的原理示意图。

图5本发明实施例中Φ244.5mm直缝焊管笼式成型工艺的板材花型图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。直缝焊管笼式成型工艺的花型设计方法，包括步骤：

步骤1.基于直缝焊管笼式成型工艺中板材上存在的变形盲区现象，提出相应的板材横向弯曲模型，所述板材横向弯曲模型将板材的横截面以中心对称的方式分为中心弯曲段、非充分弯曲段和边缘弯曲段；

板材在进入笼式成型段之前，板材边缘部分先由弯边辊弯曲变形到一恒定角度，进入笼式成型段之后，板材横向弯曲模型如图3所示：

由于板材的对称性，为简化描述，以板材横截面的中心点A为界，仅取板材横截面的右半部进行描述，将右半部分为中心弯曲段非充分弯曲段和边缘弯曲段中心弯曲段

非充分弯曲段

和边缘弯曲段

对应的圆心分别为O₁、O₂、O₃，中心弯曲段

非充分弯曲段

和边缘弯曲段

对应的半径分别为R₁、R₂、R₃，中心弯曲段非充分弯曲段

和边缘弯曲段

对应的圆心角度分别为θ₁、θ₂、θ₃。其中，中心弯曲段

与非充分弯曲段

相切于B点，圆弧

与圆弧相切与C点，BH、HI、ID分别为过点B、C、D的切线，直线EF、BG与X轴平行。

整个板材的横向弯曲分为3段：中心弯曲段

非充分弯曲段

以及边缘弯曲段

其中非充分弯曲段

用于描述变形盲区；

段的长度由变形盲区起点确定，在笼式成型过程中，中心弯曲段

的变形规律与单半径圆周弯曲法相同，中心弯曲段

的曲率半径由无穷大逐步趋近最终成品管半径，该段的弯曲角度θ₁由边缘水平投影方程计算。

段的长度由变形盲区起点和终点共同决定，

段的弯曲角度θ₂恒定，

段的弯曲半径为板材形成的最终成品管半径的5～10倍。

段的长度由变形盲区的终点确定，

段的弯曲角度θ₃始终保持恒定，在25～45度间取值，取值的原则是保证

段的曲率半径是最终成品管半径的1.0～1.5倍。

步骤2.依据所提出的板材横向弯曲模型，由板材横向弯曲模型中的中心弯曲段、非充分弯曲段和边缘弯曲段的几何连接关系确定板材的边缘端点位置方程；

在图3中，设板材的横向为X轴，厚向为Y轴，点A的平面坐标为(X_a，Y_a)，根据几何关系，可以得到板材边缘端点D(X_d，Y_d)的位置方程：

$X_d=X_a+R_1{\sin \mathrm{\θ}}_1+{2R}_2\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_2}{2}\cos ({\mathrm{\θ}}_1+\frac{{\mathrm{\θ}}_2}{2})+{2R}_3\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_3}{2}\cos ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2+\frac{{\mathrm{\θ}}_3}{2})---\left(1\right)$

$Y_d=Y_a+R_1-R_1{\cos \mathrm{\θ}}_1+{2R}_2\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_2}{2}\sin ({\mathrm{\θ}}_1+\frac{{\mathrm{\θ}}_2}{2})+{2R}_3\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_3}{2}\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2+\frac{{\mathrm{\θ}}_3}{2})---\left(2\right)$

其中R₂、R₃、θ₂、θ₃均为定值；R₁、θ₁可变。

步骤3.根据板材边缘水平投影在直缝焊管笼式成型机的机架入口和精成型入口处均满足连续边界条件，推得板材的边缘水平投影方程；

为了计算中心成形段圆弧

的曲率半径R₁和弯曲角度θ₁，还需要联立板材边缘水平投影方程，如图4所示，设Z轴正向为板材纵向成型方向，板材边缘的水平投影用含待定系数的一元三次曲线来表示：

$X_i=P{\left(\frac{Z_i}{Z_{\mathrm{fp}1}}\right)}^3+Q{\left(\frac{Z_i}{Z_{\mathrm{fp}1}}\right)}^2+M\left(\frac{Z_i}{Z_{\mathrm{fp}1}}\right)+N---\left(3\right)$

其中，P、Q、M、N为待定系数；X_i为板材边缘端点水平投影的横向坐标值；Z_i为板材边缘端点水平投影的纵向坐标值，即纵向成形位置；Z_fp1为精成形第一道次(笼式成型工艺中沿着板材运动反向布置有很多组成型轧辊机架，每组机架在本领域中被称为一个道次)在纵向的位置坐标值。

由于板材边缘的水平投影在机架入口和精成形第一道次入口处，均满足连续边界条件，从而可得最终板材的边缘水平投影方程为：

$X_i=(l-{2W}_{f1}){\left(\frac{Z_i}{Z_{\mathrm{fp}1}}\right)}^3+({3W}_{f1}-\frac{3}{2}l){\left(\frac{Z_i}{Z_{\mathrm{fp}1}}\right)}^2+\frac{l}{2}---\left(4\right)$

其中，l为板材初始横向宽度；

W_f1为板材在精成形第一道次处的开口度，即板材边缘端点的横向宽度。

步骤4.联立板材的边缘端点位置方程和边缘水平投影方程，确定板材中心弯曲段的弯曲角度和纵向成形位置的非线性方程；

由于在本实施例中非充分弯曲段圆弧

和边缘弯曲段圆弧

的R₂、R₃、θ₂、θ₃均为设定值，所以最终只需要计算出在不同成形位置中心成形段圆弧

的曲率半径R₁和弯曲角度θ₁即可实现整个笼式成型工艺的花型设计。

考虑到对于同一成型管坯，显然存在：X_i＝X_d(5)

联立式(1)、(4)、(5)，可求得关于板材中心弯曲段的弯曲角θ₁和纵向成形位置Z_i的非线性方程：

为了讨论和计算的方便，对板材横向任一位置到板材中心的距离进行归一化处理，则板材的中心位置(如图3中A点位置)为0，边缘端点位置(如图3中D点位置)为1，设作归一化处理后板材上变形盲区的起点位置(如图3中B点位置)为a，作归一化处理后板材上变形盲区的终点位置(如图3中C点位置)为b，板材初始横向宽度用l表示，经过归一化处理后，各点的位置值如a、b成为无量纲的数值，便于进行统一处理，则有：

$R_1=\frac{\mathrm{al}}{{2\mathrm{\θ}}_1};R_2=\frac{(b-a)l}{{2\mathrm{\θ}}_2};R_3=\frac{(b-a)l}{{2\mathrm{\θ}}_3}$

将R₁、R₂、R₃的表达式代入式(6)，整理可得：

代入相应a、b、Z_i、l、θ₂、θ₃的值，则可以算得不同纵向成形位置Z_i下板材中心弯曲段的弯曲角度θ₁，进而可得R₁。另外，在进行花型设计时板材成型底线采用下山法，其形式可用一元二次曲线描述，下山高度Δh＝K·d。这里K为下山系数，通常K在[0，1.5]之间取值；d为最终成品焊管的直径。

步骤5.结合板材横向弯曲模型，并根据板材中心弯曲段的弯曲角度θ₁和纵向成形位置Z_i的非线性方程，实现直缝焊管笼式成型工艺花型设计。

按照上述实施例中的步骤1到步骤4对Φ244.5mm直缝焊管笼式成型机组的花型设计。Φ244.5mm排辊成型机组的花型设计的输入参数如表1所列，其中d为最终成形焊管的直径；K为下山系数；a为变形盲区的起点；b为变形盲区的终点；θ₃为边缘弯曲段的弯曲角度；R_c2为变形盲区的相对曲率，即最终成品焊管的半径d/2除以变形盲区的实际弯曲半径R₂；Z_fpt1为精成形第一道次的纵向位置坐标值；W_f1为板材在精成形第一道次处的开口度。

表1花型设计的输入参数

输入上述设计参数，采用本发明所提出的花型设计方法，计算出来的Φ244.5mm笼式成形段的板材花型如图5所示，其中Prf、Lf1、Lf2、Lf3分别表示预成形段、线成形第一段、线成形第二段以及线成形第三段的花型设计图。

根据上述花型设计方法最终计算出来的花型设计参数如表2所列，其中Prf_i表示预成型入口，Prf_o表示预成型出口，Lf1_i表示线成型第一段入口，Lf1_o表示线成型第一段出口，Lf2_i表示线成型第二段入口，Lf2_o表示线成型第二段出口，Lf3_i表示线成型第三段入口，Lf3_o表示线成型第三段出口。

表2不同成形位置的花型设计参数

	Prf_i	Prf_o	Lf1_i	Lf1_o	Lf2_i	Lf2_o	Lf3_i	Lf3_o
									R1/mm	1554.1	240.2	225.8	177.2	172.8	144.9	142.2	125.2
θ1/度	8.1	52.2	55.5	70.8	72.6	86.5	88.2	100.2
									R2/mm	1222.5	1222.5	1222.5	1222.5	1222.5	1222.5	1222.5	1222.5
θ2/度	2.3	2.3	2.3	2.3	2.3	2.3	2.3	2.3

R3/mm	227.6	227.6	227.6	227.6	227.6	227.6	227.6	227.6
									θ3/度	29.0	29.0	29.0	29.0	29.0	29.0	29.0	29.0

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.直缝焊管笼式成型工艺的花型设计方法，包括步骤：

步骤1.基于直缝焊管笼式成型工艺中板材上存在的变形盲区现象，提出相应的板材横向弯曲模型，所述板材横向弯曲模型将板材的横截面以中心对称的方式分为中心弯曲段、非充分弯曲段和边缘弯曲段；

步骤2.依据所提出的板材横向弯曲模型，由板材横向弯曲模型中的中心弯曲段、非充分弯曲段和边缘弯曲段的几何连接关系确定板材的边缘端点位置方程；

步骤3.根据板材边缘水平投影在直缝焊管笼式成型机的机架入口和精成型入口处均满足连续边界条件，推得板材的边缘水平投影方程；

步骤4.联立板材的边缘端点位置方程和边缘水平投影方程，确定板材中心弯曲段的弯曲角度和纵向成形位置的非线性方程；

步骤5.结合板材横向弯曲模型，并根据确定板材中心弯曲段的弯曲角度和纵向成形位置的非线性方程，实现直缝焊管笼式成型工艺花型设计。

2.根据权利要求1所述的直缝焊管笼式成型工艺的花型设计方法，其特征在于，步骤1中，中心弯曲段的长度由变形盲区起点确定，且其变形规律与单半径圆周弯曲法相同；非充分弯曲段的长度由变形盲区起点和终点共同决定，其弯曲半径保持恒定；边缘弯曲段的长度由变形盲区的终点确定，其弯曲角度保持恒定。

3.根据权利要求2所述的直缝焊管笼式成型工艺的花型设计方法，其特征在于，非充分弯曲段的弯曲半径为板材形成的最终成品管半径的5～10倍。

4.根据权利要求2所述的直缝焊管笼式成型工艺的花型设计方法，其特征在于，边缘弯曲段的弯曲角度在25～45度间取值。

5.根据权利要求1所述的直缝焊管笼式成型工艺的花型设计方法，其特征在于，步骤2中，板材的边缘端点位置方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_d=X_a+R_1\sin {\mathrm{\θ}}_1+{2R}_2\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_2}{2}\cos ({\mathrm{\θ}}_1+\frac{{\mathrm{\θ}}_2}{2}){+2R}_3\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_3}{2}\cos ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2+\frac{{\mathrm{\θ}}_3}{2})\\ Y_d=Y_a+R_1-R_1{\cos \mathrm{\θ}}_1+{2R}_2\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_2}{2}\sin ({\mathrm{\θ}}_1+\frac{{\mathrm{\θ}}_2}{2})+{2R}_3\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_3}{2}\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2+\frac{{\mathrm{\θ}}_3}{2})\end{array}\right.$

式中，X_a和Y_a分别为板材横截面中心点的横向和厚向坐标值；R₁、R₂和R₃分别为中心弯曲段、非充分弯曲段和边缘弯曲段的弯曲半径；θ₁、θ₂和θ₃分别表示圆心角度分别为中心弯曲段、非充分弯曲段和边缘弯曲段的弯曲角度。

6.根据权利要求1所述的直缝焊管笼式成型工艺的花型设计方法，其特征在于，步骤3中，板材边缘水平投影方程为：

$X_i=(l-{2W}_{f1}){\left(\frac{Z_i}{Z_{\mathrm{fp}1}}\right)}^3+({3W}_{f1}-\frac{3}{2}l){\left(\frac{Z_i}{Z_{\mathrm{fp}1}}\right)}^2+\frac{l}{2}$

式中，X_i为板材边缘端点水平投影的横向坐标值；Z_i为板材边缘端点水平投影的纵向坐标值，即纵向成形位置；l为板材初始横向宽度；W_f1为板材在精成形第一道次处的开口度；Z_fp1为精成形第一道次在纵向的位置坐标值。

7.根据权利要求1所述的直缝焊管笼式成型工艺的花型设计方法，其特征在于，步骤4中，板材中心弯曲段的弯曲角度θ₁和纵向成形位置Z_i的非线性方程为：

$[(l-{2W}_{f1}){\left(\frac{Z_i}{Z_{\mathrm{fp}1}}\right)}^3+({3W}_{f1}-\frac{3}{2}l){\left(\frac{Z_i}{Z_{\mathrm{fp}1}}\right)}^2+\frac{l}{2}]-[\mathrm{al}\frac{{\sin \mathrm{\θ}}_1}{{2\mathrm{\θ}}_1}+\frac{(b-a)l\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_2}{2}}{{\mathrm{\θ}}_2}\cos ({\mathrm{\θ}}_1+\frac{{\mathrm{\θ}}_2}{2})+\frac{(b-a)l\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_3}{2}}{{\mathrm{\θ}}_2}\cos ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2+\frac{{\mathrm{\θ}}_3}{2})]=0$

式中，l为板材初始横向宽度；W_f1为板材在精成形第一道次处的开口度；Z_fp1为精成形第一道次在纵向的位置坐标值；θ₁、θ₂和θ₃分别表示圆心角度分别为中心弯曲段、非充分弯曲段和边缘弯曲段的弯曲角度；a为变形盲区的起点；b为变形盲区的终点。

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