邵 毅

（天津天管太鋼焊管有限公司，天津 300301）

在鋼管生產(chǎn)過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(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(lái)計(jì)算得到［4］。但修磨時(shí)也不能無(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中矯直輥和鋼管外表面螺旋嚙合的過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)的角度，相當(dāng)于矯直過(guò)程中軋輥旋轉(zhuǎn)過(guò)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(guò)程與實(shí)際矯直過(guò)程可以產(chǎn)生等效的接觸關(guān)系，但不考慮鋼管矯直過(guò)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(guò)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(jiàn)表 2。由此可見(jiàn)，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(guò)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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