一種自動(dòng)生成鋼管矯直輥修磨數(shù)據(jù)的方法

邵 毅

（天津天管太鋼焊管有限公司，天津 300301）

在鋼管生產(chǎn)過程中，由于各種應(yīng)力作用會(huì)導(dǎo)致一些鋼管彎曲，常使用斜輥矯直機(jī)進(jìn)行矯直。一般鋼管廠會(huì)根據(jù)常用且適中的外徑規(guī)格設(shè)計(jì)矯直機(jī)的初始孔型曲線，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中往往多個(gè)外徑規(guī)格使用同一矯直輥，這樣就存在矯直輥的不均勻磨損，需要適時(shí)修磨矯直輥輥面來適應(yīng)鋼管矯直的需求［1-2］。

合理的矯直輥輥型曲線可以使矯直過程中矯直輥的工作段與鋼管表面全接觸，形成一條空間接觸線，稱為矯直輥與鋼管表面的接觸?。?］。矯直輥在修磨時(shí)需要重新計(jì)算孔型曲線，通常是依據(jù)鋼管半徑、矯直輥安裝角度和矯直輥腰部半徑和矯直輥長(zhǎng)度來計(jì)算得到［4］。但修磨時(shí)也不能無限次修磨，必須考慮足夠的加工余量和腰部的剛度和強(qiáng)度，矯直輥長(zhǎng)度一般不超過腰部直徑的2.0~2.5倍［5］。

獲得矯直輥輥型曲線的方式主要有作圖法、矯直輥專用CAD/CAM系統(tǒng)和公式計(jì)算法［6-10］。其中，公式計(jì)算法主要有 А.И.Цециков 包絡(luò)線法、П.Т.Емелъянеико 法、P.F.Lilienthal法、橢圓平移法以及利用嚙合原理的坐標(biāo)變換方法等［11］。

1 CAD軟件參數(shù)化設(shè)計(jì)自動(dòng)生成輥型曲線

本研究采用3D作圖法，基于CAD軟件參數(shù)化設(shè)計(jì)的原理，利用自帶的VBA編程軟件，調(diào)用API（Application Programming Interface）函數(shù)和功能自動(dòng)生成矯直輥輥型曲線，同時(shí)將曲線坐標(biāo)以“.txt”文件形式自動(dòng)輸出到指定的文件夾。整個(gè)過程需要在CAD軟件中運(yùn)行VBA程序，在輸入界面窗口中輸入矯直輥的工作參數(shù)并選擇精度級(jí)別，點(diǎn)擊“生成曲線”按鈕自動(dòng)生成模型，點(diǎn)擊“輸出曲線”按鈕生成曲線文件，此文件數(shù)據(jù)可以直接輸入到數(shù)控機(jī)床中對(duì)矯直輥進(jìn)行修復(fù)加工。

自動(dòng)生成矯直輥模型的過程是將一個(gè)圓柱形實(shí)體當(dāng)成矯直輥坯料，將待矯直的鋼管作為切除坯料的模具，再通過軟件的周向排布功能，密集的切除旋轉(zhuǎn)微量角度的圓柱體，模擬鋼管矯直過程中矯直輥和鋼管外表面螺旋嚙合的過程。單根鋼管和矯直輥坯嚙合情況如圖1所示；旋轉(zhuǎn)切削后鋼管和矯直輥嚙合情況如圖2所示。

圖1 單根鋼管和矯直輥坯嚙合情況

圖2 旋轉(zhuǎn)切削后鋼管和矯直輥嚙合情況

由于鋼管和矯直輥位置的對(duì)稱性，決定了矯直輥剖面也是對(duì)稱的，因此只需計(jì)算一半輥型曲線點(diǎn)就可以利用鏡像生成整個(gè)矯直輥的輥型曲線。

為了減少計(jì)算時(shí)間、提高效率，使用能夠完全反映輥型曲線的圓柱體的一角進(jìn)行建模，通過測(cè)量沿旋轉(zhuǎn)軸方向的輥型曲線點(diǎn)高度值，將其轉(zhuǎn)換成以矯直輥剖面為坐標(biāo)平面，以矯直輥中心為原點(diǎn)，以矯直輥軸線為橫坐標(biāo)，輥型曲線點(diǎn)高度為縱坐標(biāo)的新坐標(biāo)系，縱坐標(biāo)也就是矯直輥橫斷面的半徑。利用VBA編程，密集輸出新坐標(biāo)系下的輥型曲線坐標(biāo)，橫坐標(biāo)的步長(zhǎng)決定取值密集程度，可以根據(jù)機(jī)床加工精度來選擇。由于帶修磨矯直輥的有效輥型長(zhǎng)為620 mm，所以選用步長(zhǎng)1 mm，直到輸出310 mm點(diǎn)的橫斷面斷面半徑。

2 計(jì)算程序框圖

生成模型程序框圖及輸出曲線程序框圖如圖3~4所示。

圖3 生成模型程序框圖

3 操作界面和程序代碼

程序界面如圖5所示，可以在用戶界面中輸入鋼管平均直徑（選擇需要矯直的中間管徑）、矯直輥喉徑（矯直輥的最小直徑）、矯直調(diào)整角度（鋼管矯直時(shí)嚙合最佳的輥管夾角，一般取矯直機(jī)設(shè)計(jì)值的中值）、矯直輥有效寬度（也就是矯直鋼管的最大嚙合長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的矯直輥寬度），點(diǎn)擊“生成曲線”按鈕，程序?qū)⒆詣?dòng)生成矯直輥曲線，如圖6所示。曲線生成后“生成曲線”按鈕隱藏，以避免在模型中重復(fù)生成相同曲線。點(diǎn)擊“輸出曲線”按鈕，將矯直輥曲線輸出到一個(gè)程序中規(guī)定的文本文件（本程序中為f.txt文件）中。

（1）窗口程序部分主要代碼如下。

變量定義部分代碼省略。

Private Sub TextBox1_Chang（）

average_guanjing=TextBox1.Text/2000′輸入目標(biāo)管徑

End Sub

圖4 輸出曲線程序框圖

圖5 程序界面

圖6 矯直輥輥型曲線模型

′輸入矯直輥喉徑、輸入矯直角度、矯直輥寬度，3項(xiàng)精度選擇項(xiàng)，最高精度為在35°范圍內(nèi)進(jìn)行300次平均切除操作（代碼雷同，在此省略）

Private Sub CommandButton1_Click（）

創(chuàng)建矯直輥average_guanjing,min_gunjing,jiaodu,jingdu′引用“生成曲線”子程序

CommandButton1.Visible=False

CommandButton2.Visible=True

End Sub

Private Sub CommandButton2_Click（）

輸出曲線gunkuan′引用“輸出曲線”子程序

CommandButton2.Visible=False

CommandButton1.Visible=True

Set Part=Nothing

swApp.CloseDo“c矯直輥曲線計(jì)算.SLDPRT”

End Sub

（2）生成模型曲線部分主要代碼如下。

Sub創(chuàng)建矯直輥（average_guanjin,min_gunjin,jiaodu,jingdu）

變量定義部分代碼省略。

定義基準(zhǔn)代碼省略。

Set myFeature=Part.FeatureManager.FeatureCircularPattern4（jingdu，baoluojiao，True，“NULL”，True,True,False）′創(chuàng)建多個(gè)接觸面，0.610 884=35°為旋轉(zhuǎn)過的角度，相當(dāng)于矯直過程中軋輥旋轉(zhuǎn)過的角度

boolstatus=Part.Extension.SelectByID2（"右視基準(zhǔn)面","PLANE",0,0,0,True,0,Nothing,0）

jieju=0.1′設(shè)置截距初始值為100

Set myRefPlane=Part.FeatureManager.InsertRef-Plane（264,jieju,0,0,0,0）′創(chuàng)建截面草圖，0.1 為截面的截距，是一個(gè)后續(xù)變量，代表曲線坐標(biāo)的橫坐標(biāo)

Part.Sketch3DIntersections

boolstatus=Part.Extension.SelectByID2（"","FACE",-0.02,0.01,0,True,0,Nothing,0）

boolstatus=Part.Extension.SelectByID2（"基準(zhǔn)面2"，"PLANE",jieju,0,0,True,0,Nothing,0）′此處0.1與截面出截距相同

Part.Sketch3DIntersections

boolstatus=Part.Extension.SelectByID2（"Line2","SKETCHSEGMENT"，0,0.02,0,False,0,Nothing,0）

Set myDisplayDim=Part.AddDimension2（jieju,0.14,0）

Part.SketchManager.InsertSketch True

Part.ClearSelection2 True

End Sub

（3）輸出曲線代碼如下。

Sub 輸出曲線（gunkuan）

變量定義部分代碼省略。

s="C:UsersyySkyDrive繪圖矯直輥f.txt"

Open s For Output As#1

輸出表頭代碼省略。

i=0

Do Whilei ∧20′由于坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)大約320個(gè)，故將20個(gè)作為一組

d1="D1@基準(zhǔn)面2"

g=（j*10+）i

Part.Paramete（rd1）.Value=g

boolstatus=Part.EditRebuild3（）

d2="D1@3D草圖1"

t=Part.Paramete（rd2）.Value′輥?zhàn)影霃?/p>

r=In（tt*1000）/1000

Print#1,r,

i=i+1

Loop

Print#1,′輸出數(shù)值

j=j+2

′Print#1,′選用此行代碼，可以在每段數(shù)據(jù)之間插入一空行

Loop

Close#1

End Sub

模擬過程與實(shí)際矯直過程可以產(chǎn)生等效的接觸關(guān)系，但不考慮鋼管矯直過程中被壓扁的狀態(tài)。如果產(chǎn)品長(zhǎng)期需要采用壓扁橢圓矯直法［12］進(jìn)行矯直作業(yè)時(shí)，同樣的可以使用此方法生成新的矯直輥曲線，不過用作切除坯料的模具截面就變成橢圓形狀。這種作業(yè)狀態(tài)所需要的矯直輥輥型曲線若利用數(shù)學(xué)計(jì)算的方法就會(huì)顯得尤為復(fù)雜。

4 輸出文件實(shí)例與數(shù)學(xué)計(jì)算方法對(duì)比

表1為利用CAD軟件參數(shù)化設(shè)計(jì)自動(dòng)生成的輥型曲線，是輸出文件的部分?jǐn)?shù)據(jù)，表頭為矯直輥輥型曲線的計(jì)算條件，由于表格數(shù)據(jù)在310個(gè)以上，所以只選取曲線頭部、中部和尾部部分內(nèi)容與公式計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比。

表1 利用CAD軟件參數(shù)化設(shè)計(jì)自動(dòng)生成的輥型曲線mm

選用一種利用共軛旋轉(zhuǎn)曲面嚙合原理計(jì)算的曲線與表1數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，此方法的計(jì)算曲線公式（1）~（2）［13］為：

式中Z——矯直輥輥型曲線取值點(diǎn)到矯直輥的距離，mm；

z——矯直輥輥型曲線取值點(diǎn)到矯直輥中心的水平距離，mm；

α——兩個(gè)矯直輥與鋼管軸線的交叉角度，（°）；

r0——鋼管的半徑，mm；

C0——鋼管軸線與矯直輥軸線的最短距離，mm；

R——矯直輥輥型曲線取值點(diǎn)的截面半徑，mm。

為了進(jìn)行比較，在Exeal軟件中使用公式（1）~（2）計(jì)算出（Z，R）輥型曲線坐標(biāo)點(diǎn)，見表 2。由此可見，此計(jì)算方法所得的數(shù)據(jù)在接近矯直輥邊緣時(shí)還是有較大偏差。

表2 利用共軛旋轉(zhuǎn)曲面嚙合原理計(jì)算的矯直輥輥型曲線mm

5 結(jié) 論

利用CAD軟件的實(shí)體模型切除方法，可以直觀、準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)矯直輥輥型，利用CAD軟件的API函數(shù)和功能自動(dòng)生成矯直輥修磨時(shí)所需要的輥型曲線坐標(biāo)文件。此方法可以取代專業(yè)矯直輥輥型曲線設(shè)計(jì)軟件，技術(shù)人員只需進(jìn)行簡(jiǎn)單地?cái)?shù)學(xué)推理，通過參數(shù)的輸入可以應(yīng)用到新矯直輥的設(shè)計(jì)和矯直輥的修磨中。

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