焊管辊成形过程的计算机仿真花江，木内，学（南昌大学）（东京大学）摘要利用文献［１］提出的 仿真方法，对碳钢和不锈钢直缝焊管的辊成形加工过程进行了系统的描述。分析了辊轮间距离，辊 轮数及管壁的厚度与直径比对成形方向膜应变最大值（εｘｏ）ｍａｘ的影响，探讨了在给定的最 大膜应变平均值（Ｅｘｏ）ｍａｘ情况下管径与带料厚度在成形中的关系。所得结果与实际生产中 的变形特征吻合良好。关键词焊管，辊成形，仿真１前言辊轮型槽设计、变形量分配、辊轮数、辊 架间距的确定及防止边缘部产生“缘波”等，都是焊管成形过程和成形设备设计中最重要的问题。 对此，找出一个从理论上能进行处理的方法或可作为参考的数据库，不仅对新成形线的设计，而且 对于在现有设备上预测可能成形的管径范围，预测新材料成形时可能产生的问题等也是很重要的。 本文利用本研究所开发的带料辊形仿真系统对各种尺寸的碳钢和不锈钢焊管进行了仿真和分析。主 要研究了辊轮数、辊架间距离、弯曲角度分布、管径及壁厚对带料边缘部产生“缘波”的主要因素 ──边缘部伸长量的影响。２分析模型及方法简述计算方法及分析模型的详细论述请参阅文献［１ ］。这里仅叙述其基本思路。２．１分析模型用形状函数Ｓ（Ｘ）来表示成形过程中辊轮之间带料 板厚方向中央层所构成的三维变形曲面。分析所用坐标系和符号见图１（ａ）。形状函数Ｓ（Ｘ） 是描述带料上某点从辊轮ｉ号（Ｘ＝Ｘｉ＝Ｘ１）的型槽上的点Ｐｉ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）流向辊 轮ｉ＋１号（Ｘ＝Ｘｉ＋１＝Ｘ２）的型槽上的点Ｐｉ＋１（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）时的空间轨迹的 函数。利用这个函数，在Ｘ１～Ｘ２之间带料的变形曲面形状可由式（１）决定国家教委留学回国 人员资助费支持项目联系人：花江，副教授，南昌（３３００２９）南昌大学机械电子研究所ＣＯ ＭＰＵＴＥＲＡＩＤＥＤＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮＯＦＲＯＬＬ－ＦＯＲＭＩＮＧＰＲＯＣＥＳＳＦ ＯＲＷＥＬＤＥＤＰＩＰＥＳＨＵＡＪｉａｎｇＭＡＮＡＢＵＫＩＵＣＨＩ（ＮａｎｃｈａｎｇＵ ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）（ＴＯＫＹＯＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）ＡＢＳＴＲＡＣＴＵｓｉｎｇｔｈｅ ｍｕｔｉ－ｐｕｒｐｏｓｅｓｉｍｕｌａｔｏｒｏｆｒｏｌｌ－ｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｄ ｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙｔｈｅａｕｔｈｏｒｏｆｔｈｉｓｓｔｕｄｙ，ｔｈｅｆｏｒｍｉｎｇｐｒ ｏｃｅｓｓｏｆｃａｒｂｏｎａｎｄｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｗｅｌｄｅｄｐｉｐｅｓ，ｗ ａｓｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｉｎｔｅｒｓｔａｎ ｄｄｉｓｔａｎｃｅ，ｓｔａｎｄｎｕｍｂｅｒａｎｄｔｈｉｃｋｎｅｓｓ／ｄｉａｍｅｔｅｒｒ ａｔｉｏｏｆｔｈｅｐｉｐｅｏｎｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｍｅｍｂｒａ ｎｅｓｔｒａｉｎｏｃｃｕｒｅｄｉｎｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，ａｎｄｔｈｅｒｅｌ ａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｈｅｅｔｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄｐｉｐｅｄｉａｍｅｔ ｅｒｕｎｄｅｒｇｉｖｅｎ（Ｅｘ０）ｍａｘｉｓａｎａｌｙｓｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈ ｏｗｇｏｏｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅｔｏｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｅａｔｕｒｅ ｓｏｂｓｅｒｖｅｄｉｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．ＫＥＹＷＯＲＤＳｗｅｌｄｅｄｐｉｐｅ，ｒｏ ｌｌ－ｆｏｒｍｉｎｇ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎＺ）为带料变形曲面上某点的坐标。形状函数中所 含参数ｎ大时，带料在靠近辊轮处产生剧烈变形，ｎ较小时变形较缓和。ｎ值可由总变形功率最小 原理来确定。在分析中，带料满足稳态流动条件。将带料在成形前划分为沿成形方向具有长度△Ｘ ０的宽向带状单元。对这个单元在满足成形方向各阶段的约速条件，并在给定的ｎ值下沿变形曲面 使之分阶段成形，对其进行求解。这时将带状单元沿宽向划分为子单元，子单元内成形方向的应变 与宽向应变增量的比值为一定值。对各子单元内分别求出其本阶段的应力应变增量并逐段累加，这 样就可求出两辊轮之间带料在成形过程中各部位的应力和应变。２．２计算条件与截面尺寸本文主 要目的是系统了解碳钢及不锈钢焊管成形时边缘部伸长量的发生规律。图１（ｂ）给出了计算对象 的截面尺寸。作为讨论对象的４种辊轮安排法均采用圆弧弯曲法（参阅图２（ｂ））。在各种方法 中，弯曲角度的分配量是不同的。辊轮数的安排为：１）、２）、３）为８，４）为６。其中１） 和４）的弯曲角度是均匀分配的。２）中的弯曲角度分配开始小，然后渐增。３）则正好相反。在 这四种情况下辊轮型槽均处于同一水平线。表１为计算条件。２．３计算流程图２（ａ）给出计算 框图。对所给定的辊轮型槽，首先给定初始优化参数ｎ０，构成一变形曲面。接着求解辊轮之间成 形各阶段中所产生的应力应变分量，它们必须满足子单元宽向平衡条件和带状单元成形方向力的约 束条件。当变形阶段从ｉ号辊轮一直算到ｉ＋１号辊轮时，则根据所求出的应力应变算出两辊架间 带料的总变形功率Ｗ，利用Ｓｌｍｐｌｅｘ法优化参数ｎ，直至求出Ｗｍｉｎ时的ｎｏｐｔ。这时 的变形曲面形状、应力应变即可用来表示实际的成形情况。３仿真结果及讨论为讨论问题方便，由 某一具体变形过程中各辊架之间的膜应变εｘ０的最大值（εｘ０）ｍａｘ，求出所有辊架之间（ εｘ０）ｍａｘ的平均值（Ｅｘ０）ｍａｘ，并以此进行讨论。３．１辊架间距离及ｔ／Ｄ对（Ｅ ｘ０）ｍａｘ的影响图３给出了不锈钢焊管辊成形时，辊架间距与（Ｅｘ０）ｍａｘ的关系。由图 可知：①不论什么场合，辊架间距ＳＬ增大时，（Ｅｘ０）ｍａｘ将减小，即发生“缘波”（边缘 部起皱）的可能性减小；②对同一尺寸而言，ｔ／Ｄ越大，（Ｅｘ０）ｍａｘ越大。即板厚增大时 ，带料边缘部在接近辊轮处所产生的变形越剧烈。这与实际结果相吻合。图４同时给出了不锈钢及 碳钢焊管的分析结果。由图可知，碳钢管辊成形时辊架间距ＳＬ对。（Ｅｘ０）ｍａｘ的影响与不 锈钢焊管相同。二者比较可知：①板厚ｔ的变化对碳钢焊管的（Ｅｘ０）ｍａｘ影响很小，而对不 锈钢焊管则有明显影响；②ｔ／Ｄ对（Ｅｘ０）ｍａｘ的影响，对碳钢管而言很小，而对不锈钢管 而言，ｔ／Ｄ越大，（Ｅｘ０）ｍａｘ越大。３．２边缘部移动量△Ｌｅ对（Ｅｘ０）ｍａｘ的影 响图５分别给出了碳钢和不锈钢焊管辊形加工时△Ｌｅ对（Ｅｘ０）ｍａｘ之间的关系。可用于辊 轮安排设计。例如，管径给定时，要求缘部变形量限制在一定范围剧增大；②ＳＬ增大时，对相同 的△ｌｅ，（Ｅｘ０）ｍａｘ减小；③对不锈钢焊管而言，在相同的△ｌｅ下，ｔ／Ｄ增加时，（ Ｅｘ０）ｍａｘ明显增加。３．３在给定。（Ｅｘ０）ｍａｘ时，管径Ｄ、辊架间距ＳＬ及带料厚 度ｔ之间的关系图６（ａ）给出了（Ｅｘ０）ｍａｘ在０．２％～０．５％范围内，辊轮数分别为 ６、８和１０时，管径与辊架间距的关系。图中给出了四种实际生产中成形设备的设计实例。例如 ，在２号设备中，如果假定发生“缘波”的临界值为（Ｅｘ０）ｍａｘ＝０．３％，则在该设备中 可轧最大管径为１２０ｍｍ（对碳钢管）。图６（ｂ）给出了不锈钢焊管的结果。由图可知，（Ｅ ｘ０）ｍａｘ给定时，不锈钢焊管的Ｄ与ＳＬ的关系与碳钢焊管大致相同。不同之处在于，对不锈 钢焊管，ｔ／Ｄ增加时，对同一管径而言，ＳＬ必须增加。图６（ｃ）给出了ＳＬ＝５００ｍｍ、 １０００ｍｍ时，若限定（Ｅｘ０）ｍａｘ＝０．２％和０．１５％，管径Ｄ和板厚ｔ所必须满足 的关系。由图可知，对同一ＳＬ和给定的（Ｅｘ０）ｍａｘ，Ｄ增大时，ｔ必须减小。反之，ｔ增 大时，Ｄ应减小。图中斜线部分为，要把边缘伸长限制在一定范围内时所允许的产品尺寸关系，即 Ｄ与ｔ的组合关系。４结论本文利用自己开发的仿真系统对碳钢及不锈钢焊管成形过程进行了工艺 分析。对成形方向膜应变的最大值、辊轮数，辊架间距、弯曲角分配、管径及壁厚等各种因素的影 响进行了系统探讨。获得了对生产线及辊轮设计十分有用的数据资料，可供实际生产中参考应用。 本研究部分工作是作者于日本东京大学生产技术研究所木内研究室完成的，并得到木内研究室各位 同僚的大力支持与协作，在此表示衷心感谢。参考文献｜｜１花江，木内学。带材辊型的计算机仿 真模型研究。钢铁，１９９６，３１（３）：４０～４５。２木内学，花江。铜电缝管成形平成５ 年度塑性加工春季讲演会讲演文集。东京：日本塑性加工学会、日本机械学分，１９９３．８３１ ～８３４。焊管辊成形过程的计算机仿真@花江，木内，学$南昌大学，东京大学焊管，辊成形， 仿真利用文献［１］提出的仿真方法，对碳钢和不锈钢直缝焊管的辊成形加工过程进行了系统的描 述。分析了辊轮间距离，辊轮数及管壁的厚度与直径比对成形方向膜应变最大值（εｘｏ）ｍａｘ 的影响，探讨了在给定的最大膜应变平均值（Ｅｘｏ）ｍａｘ情况下管径与带料厚度在成形中的关 系。所得结果与实际生产中的变形特征吻合良好。１花江，木内学。带材辊型的计算机仿真模型研 究。钢铁，１９９６，３１（３）：４０～４５。２木内学，花江。铜电缝管成形平成５年度塑性 加工春季讲演会讲演文集。东京：日本塑性加工学会、日本机械学分，１９９３．８３１～８３４ 。国家教委留学回国人员资助费支持项目化参数ｎ，直至求出Ｗｍｉｎ时的ｎｏｐｔ。这时的变形 曲面形状、应力应变即可用来表示实际的成形情况。３仿真结果及讨论为讨论问题方便，由某一具 体变形过程中各辊架之间的膜应变εｘ０的最大值（εｘ０）ｍａｘ，求出所有辊架之间（εｘ０ ）ｍａｘ的平均值（Ｅｘ０）ｍａｘ，并以此进行讨论。３．１辊架间距离及ｔ／Ｄ对（Ｅｘ０） ｍａｘ的影响图３给出了不锈钢焊管辊成形时，辊架间距与（Ｅｘ０）ｍａｘ的关系。由图可知：①不论什么场合，辊架间距ＳＬ增大时，（Ｅｘ０）ｍａｘ将减小，即发生“缘波”（边缘部起皱）的可能性减小；②对同一尺寸而言，ｔ／Ｄ越大，（Ｅｘ０）ｍａｘ越大。即板厚增大时，带料边缘部在接近辊轮处所产生的变形越剧烈。这与实际结果相吻合。图４同时给出了不锈钢及碳钢焊
More abstracts about the 焊管辊成形过程的计算机仿真