一種自動生成鋼管矯直輥修磨數據的方法

邵 毅

（天津天管太鋼焊管有限公司，天津 300301）

在鋼管生產過程中，由于各種應力作用會導致一些鋼管彎曲，常使用斜輥矯直機進行矯直。一般鋼管廠會根據常用且適中的外徑規格設計矯直機的初始孔型曲線，但在實際生產過程中往往多個外徑規格使用同一矯直輥，這樣就存在矯直輥的不均勻磨損，需要適時修磨矯直輥輥面來適應鋼管矯直的需求［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弧［3］。矯直輥在修磨時需要重新計算孔型曲線，通常是依據鋼管半徑、矯直輥安裝角度和矯直輥腰部半徑和矯直輥長度來計算得到［4］。但修磨時也不能無限次修磨，必須考慮足夠的加工余量和腰部的剛度和強度，矯直輥長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系統和公式計算法［6-10］。其中，公式計算法主要有 А.И.Цециков 包絡線法、П.Т.Емелъянеико 法、P.F.Lilienthal法、橢圓平移法以及利用嚙合原理的坐標變換方法等［11］。

1 CAD軟件參數化設計自動生成輥型曲線

本研究采用3D作圖法，基于CAD軟件參數化設計的原理，利用自帶的VBA編程軟件，調用API（Application Programming Interface）函數和功能自動生成矯直輥輥型曲線，同時將曲線坐標以“.txt”文件形式自動輸出到指定的文件夾。整個過程需要在CAD軟件中運行VBA程序，在輸入界面窗口中輸入矯直輥的工作參數并選擇精度級別，點擊“生成曲線”按鈕自動生成模型，點擊“輸出曲線”按鈕生成曲線文件，此文件數據可以直接輸入到數控機床中對矯直輥進行修復加工。

自動生成矯直輥模型的過程是將一個圓柱形實體當成矯直輥坯料，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稱性，決定了矯直輥剖面也是對稱的，因此只需計算一半輥型曲線點就可以利用鏡像生成整個矯直輥的輥型曲線。

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

2 計算程序框圖

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）、矯直調整角度（鋼管矯直時嚙合最佳的輥管夾角，一般取矯直機設計值的中值）、矯直輥有效寬度（也就是矯直鋼管的最大嚙合長度對應的矯直輥寬度），點擊“生成曲線”按鈕，程序將自動生成矯直輥曲線，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生成相同曲線。點擊“輸出曲線”按鈕，將矯直輥曲線輸出到一個程序中規定的文本文件（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項精度選擇項，最高精度為在35°范圍內進行300次平均切除操作（代碼雷同，在此省略）

Private Sub CommandButton1_Click（）

創建矯直輥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矯直輥曲線計算.SLDPRT”

End Sub

（2）生成模型曲線部分主要代碼如下。

Sub創建矯直輥（average_guanjin,min_gunjin,jiaodu,jingdu）

變量定義部分代碼省略。

定義基準代碼省略。

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

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

jieju=0.1′設置截距初始值為100

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

Part.Sketch3DIntersections

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

boolstatus=Part.Extension.SelectByID2（"基準面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′由于坐標點數據大約320個，故將20個作為一組

d1="D1@基準面2"

g=（j*10+）i

Part.Paramete（rd1）.Value=g

boolstatus=Part.EditRebuild3（）

d2="D1@3D草圖1"

t=Part.Paramete（rd2）.Value′輥子半徑

r=In（tt*1000）/1000

Print#1,r,

i=i+1

Loop

Print#1,′輸出數值

j=j+2

′Print#1,′選用此行代碼，可以在每段數據之間插入一空行

Loop

Close#1

End Sub

模擬過程與實際矯直過程可以產生等效的接觸關系，但不考慮鋼管矯直過程中被壓扁的狀態。如果產品長期需要采用壓扁橢圓矯直法［12］進行矯直作業時，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。這種作業狀態所需要的矯直輥輥型曲線若利用數學計算的方法就會顯得尤為復雜。

4 輸出文件實例與數學計算方法對比

表1為利用CAD軟件參數化設計自動生成的輥型曲線，是輸出文件的部分數據，表頭為矯直輥輥型曲線的計算條件，由于表格數據在310個以上，所以只選取曲線頭部、中部和尾部部分內容與公式計算方法進行對比。

表1 利用CAD軟件參數化設計自動生成的輥型曲線mm

選用一種利用共軛旋轉曲面嚙合原理計算的曲線與表1數據進行比較，此方法的計算曲線公式（1）~（2）［13］為：

式中Z——矯直輥輥型曲線取值點到矯直輥的距離，mm；

z——矯直輥輥型曲線取值點到矯直輥中心的水平距離，mm；

α——兩個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的截面半徑，mm。

為了進行比較，在Exeal軟件中使用公式（1）~（2）計算出（Z，R）輥型曲線坐標點，見表 2。由此可見，此計算方法所得的數據在接近矯直輥邊緣時還是有較大偏差。

表2 利用共軛旋轉曲面嚙合原理計算的矯直輥輥型曲線mm

5 結 論

利用CAD軟件的實體模型切除方法，可以直觀、準確地設計矯直輥輥型，利用CAD軟件的API函數和功能自動生成矯直輥修磨時所需要的輥型曲線坐標文件。此方法可以取代專業矯直輥輥型曲線設計軟件，技術人員只需進行簡單地數學推理，通過參數的輸入可以應用到新矯直輥的設計和矯直輥的修磨中。

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