焊管轧辊CAD/CAM技术的最新进展

用计算机辅助设计和计算机辅助制造(即CA D/CAM)技术生产焊管轧辊,对于提高钢管的成形精度、增加品种有重要作用。本文介绍了国内外CA D/CAM以及轧辊检测技术的最新进展,特别是计算机技术指导变形技术、CAD/CA M一体化技术、轧辊轮廓的计算机检测技术等,并指出了今后的发展方向。

1概述

随着计算机技术的飞速发展,焊管生产从产品设计到生产管理的各环节都引入了计算机技术。实践证明,采用计算机技术将帮助企业在激烈的市场竞争中获得良好的经济效益。

焊管行业采用计算机技术是从轧辊的孔型设计开始的,轧辊的计算机辅助设计(即CAD)技术在国内应用已有近十年的历史。问题是在多大程度上可“辅助”人们完成设计。一般的CAD代替了人工计算与出图,缩短了轧辊的设计周期,但这种设计依赖的仍然是几何关系和设计者的实践经验。

目前的CAD要向更高的层次发展。一是向自身内涵的深度发展,用计算机技术分析成形过程的应力、应变,为确定成形工艺提供模拟方法,为实际生产提供最优的辊型设计。二是向外延扩展的广度发展,用计算机技术不仅完成轧辊设计,还要实现辅助制造、生产管理、成本核算、质量控制,即实现设计制造一体化(CAD/CAM)甚至是计算机辅助工程(CAE)和计算机集成制造(CIMS)技术。本文从焊管轧辊的参数自动设计、变形模拟技术、轧辊轮廓的计算机检测、CAD/CAM一体化等方面介绍了我们与德国dataM公司合作及自行开发的科研成果的最新进展。

2焊管轧辊的参数化自动设计

一个好的焊管轧辊设计软件应对用户具有良好的界面,能适应不同的轧机参数,能实现双半径、W反弯成型等多种方法的设计。德国data M公司的COPRA是在微机上AutoCAD平台运行的一个优秀软件,用户遍及十多个国家,近百家用户中很多是国际著名公司。

在进行圆管和方管设计之前,要先确定轧机的参数文件。机组平立辊的排列方式、轧辊轴线的位置、驱动直径、各架次的传动比等。这些参数可由人机对话的方式输入,也可写成相应的数据文件作为永久的数据资源。一个生产厂可按不同的机组,确定几个参数文件,设计时只要选择对应的轧机文件即可。轧辊设计的有关参数,例如平辊的内孔结构尺寸、最大轴向长度,轧辊的最大、最小直径,立辊的内孔结构尺寸等都可由参数文件确定。板料的展开长度、焊接参数的算法、定径量的分配等可根据不同情况修改。用户可根据双半径或W成形方法确定成型工艺。对于具体的生产企业,上述参数只需一次确定即可。在实际设计时只要输入圆管的外径、壁厚或方管的外形尺寸,COPRA就能够自动排出各道次的辊花图,随后可利用轧辊的编辑模块设计出轧辊的零件图。

由于设计软件可以根据给定的机组参数,指导设计者确定每一道轧辊的设计和装配关系,因而轧辊的安装、调整就不会出任何问题,一旦超过极限值,就会得到一个错误或警告信息。设计者可预先了解下辊和上辊辊环的间隙,是否会发生碰撞,轧辊的最大直径是否会超过机架的最大开口度,以及是否在轧辊的端面上有足够的位置做标记槽,等等。一般的计算机设计软件中虽然都包括了尺寸标注功能,但逐一标出全部尺寸,仍是费时费力的枯燥工作。COPRA提供给用户一个专门的适用于尺寸标注的软件包,这包括单件轧辊尺寸的自动标注、配辊平面图尺寸的自动标注、自动标注孔型尺寸等功能。尺寸标注是自动执行的,用户可以对标注的尺寸移动和修改。因为这一过程是自动进行,不但可以节省大量的时间,而且可避免尺寸的漏注和错标。

根据不同的用户需求可选择不同的尺寸标注方法。设计者可以选择轧辊轮廓的自动标注、圆管轧辊的自动标注、适用于数控加工要求的自动尺寸标注。需要说明的是,采用计算机数控方法加工要按相交点和切线方式标注悄寸,这样可节省数控编程的时间和避免错误。

有孔键槽和标记槽的生产用轧辊图以装配平面图可自动地画出来。图纸可以按选定的半剖或全视图的方式绘制。

为了方便国内用户应用COPRA软件,我们开发了相应的汉字化环境,提供了中文菜单,中文对话框。用户可以方便地选择图幅和标题栏,能在图上按我国标准注出表面粗糙度和形位公差,用汉字写出技术要求等。

3焊管的变形模拟技术

过去,要设计出好的轧辊,设计者必须有丰富的实践经验和“技术绝窍”。在确定成形工艺即辊花设计时,主要的决定是由工程技术人员作出的。在完成一套轧辊的的设计之后,设计是否成功,在调过程中是否会出严重的问题等,都是是设计人员十分关注的问题。现有的大多数软件只能够作出几何设计,尚未提供一种可靠的预先检验、评价设计质量的方法,更重要的是实现人工设计的优势,不应仅仅是节省人工、缩短设计周期,更重要的是实现人工设计无法做到的弯曲成形模拟技术,使得设计者能通过计算机预测实际结果。

在过去的几年中,data M与世界上最著名的一些研究部门合作,一直在进行模拟技术的开发研究工作。通过采用不同的有限元分析软件包,以及从辊弯成形的生产实践中获得的经验,确定了模拟的数学模型。使用这一模型验证了一些实际的辊弯成形理论,得到了非常近似的结果。这种有限元法计算的结果与实际经验一致性好,但计算所用的时间很长,难以达到实用的要求。data M公司开发了一种简化了模拟模型。基本的思想是采用一个与实际变形非常相似的几何形状作为模拟的模型。为了优化不同成形区域孔型的数学近似的几何模型,采用了有限元的分析计算。这种新的快速模拟模型在一些生产辊弯成形产品的公司和焊管制造厂得到了验证。

COPRA的变形技术模拟软件能够用最短的时间计算出纵向发生的应变,得到与有限元类似的精确结果。用户根据这些新的模拟方法,不用大型计算机和专业的软件工程师就可以优化自己的轧辊设计。辊弯成形的工艺过程可由COPRA软件模拟给出。产生的彩色图形清楚地显示板料在什么地方产生过度变形,为避免设计失误和优化设计提供了直观可靠的判据。对于特殊的成形方法,例如“FFM成形”、“排辊成形”,也可进行模拟。根据计算机屏幕上显示的模拟结果,设计者就可以修改成形过程及轧辊设计。

下山法成形在焊管的生产中是传统的设计方法。这种方法的目的是为使板坯边缘在焊接区域得到最小的边部应变。为使计算简单,通常采用重心位置不变的方法。最近的研究表明,这种重心不变的方法并不是应变值最小的。1994年,一种新的称之为“最小应变的下山法成形”集成到COPRA软件包中。对于大直径薄壁焊管生产,这种成形方法可得到更好的焊接质量以及减少管件的生产缺陷。

这一新的模拟技术可在个人计算机上应用,这特别适合我国企业的情况,为用户学习、改进轧辊设计技术提供了方法。即使用户无计算机经验,或缺少设计经验也可预先选择视点,根据需要显示出全部轧辊的三维视图,从上部或侧面观察整个成形过程。对于小轧机能否轧出较大规格的管子,也可根据计算机显示的结果判定相邻轧辊是否会产生干涉。

模拟技术可根据不同的材料特性、轧机参数给出相应的结果,除圆管、方管外,异型截面的管件成形都可给出应变分析的结果。此外,这一技术对焊管设备的生产厂改进和优化机组参数提供了很好的方法。

4焊管轧辊的质量检测和管理

目前焊管轧辊的轮廓质量检测,还依赖线切割样板。由于样板的制造误差,实际轮廓偏离理论辊型的数值是难以测出的。对于没有图纸的进口轧辊,要确定辊型的数据是很困难的。

为准确、迅速地检测已有轧辊,data M公司开发和生产了轧辊检测仪。轧辊检测仪测出的数据可送到计算机中的COPRA系统中,以便存储辊型的轮廓数据或与已经设计出的数据进行比较。这样,检测仪可对已有轧辊检测,在计算机中生成相应的图形文件。这种自动的、非接触式的装置提供了一种实用的计算机辅助检测(CA I)方法。使用过程既方便又简单,平均一分钟完成一个轧辊的测量,很容易地生成轧辊的图纸。对于检测过的轧辊,可以进行重新设计、修改或重新加工。用户可以将其变为一套新的图纸或计算机数控车削加工指令。检测仪产生的信息存储在一个数据文件中,这一文件可用来生成图形或产生后置处理加工程序。

另一个用途是列出已存在的轧辊的明细表。经过检测,COPRA或标准的CAD系统能够打印出每一个或每一套轧辊的图型和数据。全部轧辊数据可从检测仪通过网络直接传到数据库管理系统。设计者从存储的大量的轧辊中不需要目录检索就能够确认出每一个轧辊。对种类繁多的轧辊进行分类和管理是费时又费力的工作。COPRA用一种基于付利叶分析的几何分类方法很容易地做到了。

由于轧辊的长期使用,会影响最终产品的质量。要确定焊管机组的每一套轧辊的几何状态是很困难的。如果每一套轧辊经过检测仪的测试,那么就可以确定出孔型的间隙变化。经检测后,设计者能够画出每一成形道次的孔型。通过显示实际的几何轮廓,就可以确认每一孔型的间隙是否正常。

有了这样的计算机管理系统,每一个轧辊均可归档在数据库管理系统中。在存放轧辊之前,检测每一个轧辊的实际几何形状,根据磨损情况决定是否修复,为下一次的生产做好准备。地于大批量生产的企业,采用CO-PRA的数据库管理,对成千上万个辊片的状况可“了如指掌”。

5 CAD/CAM一体化技术

采用CAD/CAM一体化技术,极大地缩短了设计制造周期,有利于提高焊管的质量。我们是通过计算编程的方法实现加工刀具的轨迹及编程轨迹的计算,并根据工艺条件自动产生数控程序的。

人工检查数控程序是费时、枯燥而繁锁的工作,且亦不能确保程序无误。一般在正式加工前仍需试切检验。由于焊管轧辊精度要求高,成本高,且轧辊为单件生产,用试切法检验程序是绝对不行的。一旦程序出现严重的错误,还有可能危及数控系统以及操作者的人身安全,显然传统的“人工检查+试切”的模式已不能适应轧辊制造的要求。在这种情况下,我们还根据焊管轧辊的特点,编制了数控程序的加工模拟软件提供了快速、可靠的检查手段,真实、清晰地模拟了整个加工过程,可有效地保证数控系统及操作人员的安全,有利于提高生产率,降低成本。过去,数控程序的输入是靠手工方式一个码一个码地键入,一个较长的程序要十分钟左右,与完成一个零件的精加工的时间相差不多。人工输入很难避免错误,而任何错误都会造成工件的报废或机床事故。采用计算机与数控机床的通讯接口技术,可将编好的程序快速准确地送到数控机床,提高了机床的利用率。

由于实现了计算机与数控机床之间的通讯,几秒种之内可实现上千条语句的传输输入。一片普通的磁盘可存储二、三千片轧辊的加工数据。这样做可提高数控机床的利用率,对复杂型面轧辊的精加工,大约可提高利用率40～50%,消除了人为输入错误,减少了废品,有力地避免了由于程序错误造成的事故。便于辊片数据的保存。重复生产及辊片的修复是十分方便的。

6焊管轧辊CAD/CA M技术今后的发展

焊管轧辊CAD/CA M与任何一种新技术一样,它的生命力在于不断的创新和前进。一个原有的问题解决了,另一个更新更难的问题又摆在我们面前。我们的目标就是不断开发新技术,将成熟的技术应用于生产实践,为国家为企业创造经济效益,同时也将获得自身的发展,以追赶世界先进水平为奋斗目标。为了将上述理想变为现实,北方工业大学组织起了以三名博士为骨干的研究队伍,共同的兴趣和目标将大家团结在一起,以推动我国的焊管技术的发展为己任。在较短的时间内,实现了管件三维空间曲面的数学描述,辊弯变形区域板材的弹塑性应力—应变分析,焊管轧辊CAD/CAM的一体化技术等,取得了一些理论与应用成果,两项成果已通过部级鉴定和获部级科技进步奖。

我们认为焊管轧辊CAD/CAM技术的发展应将人工智能(A I)和专家系统(ES)作为方向之一。由于焊管成形,特别是不锈钢、有色金属板、异型截面管以及高精度管件的成形,仍是一门较新的技术,还未从“艺术”转变为科学。因其牵涉到复杂的塑性三维变形,材料特性,轧机及辅助设备,轧制的操作工艺参数,冷却润滑等诸多方面因素。单纯用一个数学模型是无法描述的,人工智能和专家系统技术是解决这一问题的方向。作为应用的第一步,需建立焊管产品设计的专家知识系统,使其依赖于一定的数学模型和推理规则,能确定成形的道次、变形的工艺过程,即能够实现辊花图的自动生成与优化设计。建立一个完整的系统,目前的困难在于专家知识的积累和获取,希望生产厂家要注意做好实践经验记载,我们愿将这些转化为经计算机推理可供实际应用的计算机软件。将专家经验变为共同经验,避免重复的探索和弯路,促进全行业的发展和繁荣。

北方工业大学机电工程研究所将辊式弯曲成型作为主要的研究方向之一,我们已和很多企业建立了合作关系,先后成功地为五个企业转让了部分CAD/CAM成果,并获得良好效益。我们愿意和更多的生产厂家共同合作,发挥各自优势,共同开发研究、共同受益。