直縫焊管用軋輥虛擬制造技術

曹國富

（廣東省江門市儉美實業有限公司，廣東 江門529000）

直縫焊管用軋輥虛擬制造技術

曹國富

（廣東省江門市儉美實業有限公司，廣東 江門529000）

為了使焊管生產滿足多元化的市場需求，提高焊管生產效率、降低制造成本，提出了軋輥虛擬制造技術，分析了焊管用軋輥虛擬制造技術的特點、體系結構、關鍵技術以及與軋輥實際制造的關系，指出該技術與實際焊管生產相結合，能以較短的產品開發周期、優質的產品質量、較好的技術支持與售后服務和低廉的制造成本設計出軋輥，從而滿足焊管生產中對不同規格、形狀軋制的需求。軋輥虛擬制造技術的成果轉化將給焊管生產和經營管理注入新的活力，更好地服務于焊管生產。

焊管；軋輥；虛擬制造；孔型設計；關鍵技術

1 軋輥虛擬制造技術

1.1 軋輥虛擬制造技術簡介

軋輥虛擬制造技術是指在計算機網絡及虛擬環境中，利用制造系統各層次和不同側面的數學模型，對包括軋輥孔型設計、制造、使用與管理等各個環節的技術方案和技術策略進行模擬、評估與優化的綜合過程。以高逼真度仿真軋輥形成和軋輥工作過程為特色，來建立與軋輥相關的各種模型。

1.1.1 軋輥虛擬制造技術的四種模型

（1）建立用計算機語言表示的軋輥參數、孔型參數、設備參數、管坯參數等產品模型，實現只需將所要開發的焊管斷面形狀輸入計算機，就能自動生成該焊管用的各道次軋輥孔型。

（2）建立與軋輥有關的孔型設計、工藝規劃、加工制造、裝配拆卸以及性能分析的各種過程模型。

（3）建立與企業生產組織和軋輥銷售有關的活動模型。

（4）建立與軋輥制造如鍛坯、熱處理、精加工企業的人力、物力和財力資源模型。

1.1.2 軋輥虛擬制造技術中的高逼真度仿真

將仿真技術引入軋輥孔型設計模型，提供軋輥與變形管坯成型過程的虛擬環境，并對仿真過程進行優化，使焊管用軋輥孔型更加符合焊管坯變形規律和生產實際的需要。

1.2 軋輥虛擬制造技術的特點

1.2.1 高度集成

將軋輥孔型設計、孔型優化、孔型應用等集成在由計算機網絡構成的一個虛擬環境中，并在這個虛擬環境中利用與軋輥有關的虛擬模型進行虛擬軋輥制造、加工和測試；同時，根據軋輥孔型設計具有理論與經驗并重的特征，甚至可以邀請用戶、售后、焊管操作工以及其他技術人員一起“進入”虛擬制造環境中，對軋輥提出修改和優化建議?？蓪⒋罅俊爱a成品”——軋輥設計方案存儲在計算機網絡中，隨時根據市場需要投入生產，可大幅縮短復雜斷面異型管的開發時間，降低新產品的開發成本，提高新產品的一次成功率。

1.2.2 更改靈活、成本低廉

在尚未形成實物軋輥的虛擬制造環境中，企業可根據客戶要求或市場變化，即時、迅速、低成本地更改軋輥斷面形狀。然而，在傳統制造中，若要實現軋輥孔型形狀的改變，便意味著原有軋輥報廢，前期投入的人力物力瞬間成為徒勞。

1.2.3 跨區域合作

傳統軋輥設計受設計師個人知識與經驗限制，導致所設計的軋輥在使用過程中難免會出現各種問題和缺陷。虛擬制造能夠不受時間、空間制約，匯聚IT專家、材料專家、力學專家、工藝專家、設計師和實踐經驗豐富的操作工在同一虛擬網絡平臺上相互交流、信息共享，集思廣益，為優質、高效、低耗地生產出實物軋輥及其焊管提供保證。

2 軋輥虛擬制造技術的體系結構

2.1 軋輥虛擬開發平臺

2.1.1 虛擬軋輥孔型設計

運用軟件與模型對包括焊管成型、焊接、定徑過程進行有限元分析、運動學分析、動力學分析和金屬彈塑性變形分析等，并在此基礎上利用CAD與相關軟件，如德國data M公司的COPRA軟件，只需輸入最終焊管斷面輪廓，就可自動計算出母管尺寸、用料寬度并繪制出各道軋輥孔型的中間尺寸。圖1為異邊矩形管線性拓撲成圓變異圖。 圖1中， 點 A→A′、B→B′……H→H′等一一呈現線性拓撲關系，虛擬制造成圖路徑為9→1，實際制造路徑則是1→9。

圖1 18 mm×22 mm×44 mm異邊矩形管線性拓撲成圓變異圖

2.1.2 虛擬軋輥加工

軋輥虛擬加工由單個軋輥孔型工藝優化、軋輥加工工藝過程優化、輔助成型工具設計優化及軋輥加工過程優化等構成。目的是通過此過程，為現實的工藝計劃和生產計劃生成、工藝資源落實與評價等提供一個載體，以便能夠及時發現實際制造中可能發生的問題并加以解決。

2.1.3 虛擬軋輥安裝

軋輥虛擬加工包括虛擬換輥工藝規劃、虛擬換輥路徑和虛擬換輥質量檢驗等，排除實際換輥時可能發生的機組與軋輥、軋輥與管坯相互干涉因素，為順利調試出成品焊管做好準備工作。

2.2 軋輥虛擬生產平臺

2.2.1 虛擬布局

虛擬布局包括虛擬軋輥生產環境、虛擬軋輥生產動態過程與優化軋輥生產環境及實現時間資源和物流資源在現實區域內合理分配，確保軋輥實際生產過程能夠順利進行。

2.2.2 虛擬設備

虛擬設備主要包括虛擬數控機床（CNC）等集成支承環境和優化集成方案，虛擬對經過淬火與低溫回火后的軋輥及其孔型進行精加工，并對虛擬軋輥進行檢驗。

2.2.3 虛擬調度

模擬從軋輥開坯到成品軋輥生產全過程，并對該過程進行調度、糾偏與優化。

2.3 虛擬軋輥生產企業平臺

2.3.1 虛擬各企業協同工作環境

虛擬各企業協同工作環境包括支持異地設計、異地開坯鍛打、異地熱處理、異地粗精加工、組合和品質檢測環境等。

2.3.2 虛擬企業動態組合

將不同性質、不同類型、不同地域的關聯企業集成在一個虛擬“公司”環境下，對軋輥生產實行統一組織、統一指揮、統一調度，達到最大限度地整合及利用各種資源的目的。如協調異地熱處理廠與異地粗精加工廠間的工作安排，縮短制品時間，確保準時交貨。

2.4 三個虛擬平臺之間的關系

虛擬軋輥開發平臺、虛擬軋輥生產平臺和虛擬企業平臺雖然三者各自側重點不同，但是它們聯系緊密、信息共享，在同一個產品數據平臺上被整合成有機整體，形成一個完整的軋輥虛擬制造體系架構（如圖2所示）。

圖2 軋輥虛擬制造體系與結構

3 軋輥虛擬制造與實際制造的區別與聯系

實際制造系統是物質流及信息流在控制流的協調和控制下，在各個層次上進行相應的決策，實現從軋輥坯投入到成品軋輥產出的有效轉變，其中物質流和信息流是協調工作的主體。

虛擬制造系統是在分布式協同工作等多學科技術支持的虛擬環境下實際制造系統的映射，是實際制造系統的抽象，實際制造系統是虛擬制造系統的實例。如將經過虛擬、仿真和優化的軋輥輪廓CAD設計與CAM相結合，轉換為數控加工代碼，通過計算機通訊接口導入數控機床（CNC），直接加工出成品軋輥。這樣，不但減少編程時間和輸入時間，還可保證數據傳輸及傳輸的準確性，實現軋輥從虛擬到現實的CAD/CAM/CNC一體化技術（如圖3所示）。

軋輥虛擬制造與實際制造的區別與聯系表現在4個方面：

圖3 軋輥虛擬制造與實際制造的區別與聯系

（1）虛擬是信息流加控制流；實際制造是信息流、控制流加物流，完成從輥坯到實物軋輥的轉換。

（2）虛擬制造是圖上作業，通過CAD視窗模擬仿真看到軋輥形成過程和工作過程，并加以優化，預先為實際制造順利進行，清除盡可能多的障礙；實際制造是運用實物形態的機床真實地生產軋輥，并利用軋輥生產焊管，是虛擬制造的物化形態。

（3）虛擬制造可以集成材料學專家、孔型設計師、機械工程師、電氣工程師和設備工程師等專家的智慧，事前盡可能為實際制造過程排除一切不利因素；實際制造則是充分利用虛擬制造的成果，同時收集、整理、反饋實際操作過程中遇到的問題，不斷修正、充實、完善虛擬制造系統，為下一次更優化的實際制造打好基礎。

（4）虛擬制造的參與者多為工程技術人員和客戶，從理論的角度盡量滿足客戶提出的要求，但反映的問題有時過于理想化，缺乏實踐經驗和缺乏實踐積累；而實際制造的參與者多為技術工人，素質參差不齊，必須要有詳細的操作指引與規范，但是他們實踐經驗豐富，可彌補前者的不足，不過也會在實際制造過程中出現錯誤的情況。為此，對兩個系統都必須要有清醒認識，相互取長補短，強化信息反饋與偏差糾正。

4 軋輥虛擬制造的關鍵技術

軋輥虛擬制造的關鍵技術包括軋輥虛擬設計與安裝技術、虛擬軋輥實現技術、虛擬軋輥檢測與評價技術、虛擬軋輥分析技術、虛擬軋輥試驗技術和虛擬軋輥生產技術（如圖4所示）。

圖4 軋輥虛擬制造的關鍵技術

5 結 語

焊管用軋輥虛擬制造技術作為一門新興技術，匯聚多門學科于一身，為焊管行業高效率、低成本地實現焊管新品種的研發與銷售開拓了新途徑。其與軋輥孔型設計、焊管生產結合后，必將給焊管生產技術和經營管理注入新的活力。焊管生產單位尤其要注重軋輥虛擬制造成果的轉化，使之更好地服務于現實焊管生產。

[1]侯榮濤.AutoCAD2007計算機鋪助設計教程（中文版）[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2]朱明栓，章樹生.虛擬制造系統與現實[M].西安：西北工業大學出版社，2001.

[3]LIU Jiying,SEDLMAIRE A.Computer aided design for rollforming shaped tube⑴[C]//Proeedings of the 5th Tube tech China 2002 Shaanghai.Shaanghai:[s.n.],2002:87-92.

[4]劉繼英，艾正青.冷彎成型的CAD/CAM/CAE技術[J].焊管，2006，29（2）：38-42.

[5]楊仙,張文灼，楊超，等.虛擬制造技術應用于焊管生產的探索[J].焊管,2006,29（5）：52-54.

[6]楊仙,祁翠琴,馮之權,等.虛擬制造技術在冷彎型鋼生產領域的應用探索[J].機械設計與制造，2009（4）：102-104.

[7]蔡自新，徐光佑.人工智能及其應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[8]曹國富.異型管孔型設計的CAD組裝法[J].鋼管,2012，26（6）：33-38.

[9]班納吉.虛擬制造[M].北京:清華大學出版社，2005.

[10]姚涵珍，周桂英，楚大慶,等.AutoCAD2004交互工程繪圖及二次開發[M].北京：機械工業出版社，2004.

Virtual Manufacturing Technology Used for SAWL Pipe Roller

CAO Guofu
（Guangdong Jiangmen Jianmei Industry Co.,Ltd.,Jiangmen 529000,Guangdong,China）

In order to make the welded pipe manufacture meet the diversified market requirements,improve the production efficiency of welded pipe,reduce manufacturing cost,it put forward roller virtual manufacturing technology,analyzed the characteristics,system structure,key technology of the above virtual manufacturing technology,as well as the relationship with actual manufacturing.It pointed that only combine the technology with practical production,it will develop the roller in the shorter product development cycle,the high-quality product quality,the better technical support and after-sales service,and the cheap manufacturing cost,so as to meet the rolled demand for welded pipe with different specification and shape.The achievements transformation of virtual manufacturing technology will inject new vatility to welded pipe production and management,better service to welded pipe production.

welded pipe;roller;virtual manufacturing;pass design;key technology

TG332

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.06.008

曹國富（1957—），男，長期從事焊管生產工藝、孔型設計及生產管理工作，發表論文40余篇。

2016-01-26

羅 剛