對現(xiàn)有先焊接為圓管后成型為矩形管的孔型設(shè)計方法進行了評述。提出一種新的矩形管孔型設(shè)計方法——圓心角互余法。它以矩形管的直線段長邊、短邊和過渡圓角所對應(yīng)的管坯弧長在變形過程中的比值保持不變?yōu)樵O(shè)計原則，在四分之一圓周上使三部分弧長對應(yīng)的圓心角之和始終互為90°。該方法設(shè)計簡單，變形參數(shù)易于設(shè)定和調(diào)整，且成型精確，有利于提高產(chǎn)品的尺寸精度。
主題詞 焊管 矩形管 孔型設(shè)計
焊管生產(chǎn)依所得斷面形狀不同，通常分為圓管與異形管。圓管與異形管在成型方面的區(qū)別只是在沿帶鋼寬度上曲率的改變。然而異形管卻以它豐富多彩的斷面變化適應(yīng)了更廣泛的綜合性技術(shù)要求。在飛機、汽車、船舶等尤其要求減輕自重的地方，首先提出了對異形管的需要，在建筑、家具、器械等方面也日益普及，其品種與數(shù)量增長之快使之成為軋鋼生產(chǎn)中較活躍的部分。因此，在進行孔型設(shè)計時應(yīng)努力提高異形管的尺寸精度，充分發(fā)揮它的經(jīng)濟性。
1 先成圓后成矩的異形管孔型設(shè)計
由于許多冷彎型鋼成型機組是利用現(xiàn)有直縫焊管機組或用其改裝而成的，因此采用圓管再成型異形管具有很大的實際意義。這種先焊接后成型方法是在焊管生產(chǎn)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。由于采用此法可充分利用已有的成型設(shè)備和工具，因而大大減少了基建投資，而且其焊接質(zhì)量較高，金屬損耗少。在需要生產(chǎn)幾種異形管、所用帶鋼尺寸又允許統(tǒng)一時(如幾種空腹鋼窗管)，僅需一套成型軋輥，然后在整形機架(圓管的定徑機架)上換輥即可獲得不同斷面，從而使更換品種十分簡便，并可大量減少軋輥的加工和儲備。
先焊接后成型的矩形管生產(chǎn)工藝中主要由定徑機架完成成型，定徑機一般為兩輥軋機，其中有水平機架和立輥機架。目前矩形管孔型設(shè)計主要有兩種，一種是水平機架按箱型孔設(shè)計，第一架為橢圓孔，其它各架為近似矩形孔［1］，其孔型斷面由圓弧構(gòu)成，而且圓弧半徑逐架遞增，所有孔型的側(cè)壁與底部相接處之圓角半徑等于成品斷面的圓角半徑。矩形管總延伸系數(shù)為1.05左右，主要分配在平輥上，立輥的變形量很小，其作用是壓下矩形管的短邊。采用這種設(shè)計方法，計算較復(fù)雜，且計算值不夠精確，需不斷修正孔型周長。另一種是采用變形角來設(shè)計［2］，從圓管到矩形管可看成從180°到90°角的彎曲變形，所以變形角θ能準(zhǔn)確地反映角部和邊部的變形程度。設(shè)計過程中，考慮尺寸精度和金屬加工硬化的影響，通常變形角的分配，開始和中間道次大些，然后逐漸減小。在直接用圓弧相交構(gòu)成的孔型中，管坯的圓角部分不可能充滿孔型，因此孔型周長與管坯周長不等。為了保證尺寸精度，需對孔型圓角部分進行修正計算。所以該法比其它方法具有較高的設(shè)計精度。但是，由于疊代計算量較大，這種方法較適于用計算機進行孔型設(shè)計。如果使用水平、垂直方向同時變形的萬能機架，可直接用變形角θ進行孔型設(shè)計。對于目前普遍使用的焊管設(shè)備，管坯在兩個方向交替受力，因此需偏轉(zhuǎn)變形角θ，才能滿足設(shè)計需要。采用偏轉(zhuǎn)系數(shù)K進行偏轉(zhuǎn)計算，K值由實踐中確定，如果偏轉(zhuǎn)系數(shù)設(shè)定和變形角分配不合理，會造成相鄰孔型的壓下和咬入條件不滿足，或圓心角與孔型半徑的變化規(guī)律不符合要求。
2 圓變矩的互余孔型設(shè)計方法
2.1 孔型設(shè)計理論依據(jù)
設(shè)計原則：矩形管的長邊、短邊及過渡圓角所對應(yīng)的管坯弧長在變形過程中基本保持不變。
當(dāng)圓管變形后，對應(yīng)于矩形管長邊、短邊及過渡圓角的各段弧長間的比值保持不變且相切。確定了長邊和短邊對應(yīng)圓弧的圓心角α′1和α′2后，它們的孔型半徑R1和R2、過渡圓角半徑r及其對應(yīng)的圓心角θ′，即有唯一值與α′1和α′2對應(yīng)，可以證明，α′1/2、α′2/2與θ′之間的關(guān)系為互余，即α′1/2+α′2/2+θ′=90°(見圖1(b))。
圖1 圓管到矩形管的變形過程
圖1是圓管到矩形管的變形過程。
+
+
共占圓管周長的四分之一，變形前(圖1(a))：對應(yīng)矩形管長邊的一半，圓心角為α1/2；對應(yīng)矩形管短邊的一半，圓心角為α2/2；對應(yīng)矩形管的過渡圓弧，圓心角為θ；變形后(圖1(b))：
對應(yīng)矩形管長邊的一半，圓心角為α1′/2；
對應(yīng)矩形管短邊的一半，圓心角為α2′/2；
對應(yīng)矩形管的過渡圓弧，圓心角為θ′；存在=，=，=，且矩形管長邊的一半，短邊的一半及過渡圓弧對應(yīng)的圓心角之和恒為90°。
|
2.2 機架布置
機架布置依次為平輥→立輥→平輥→萬能機架→萬能機架→土耳其頭→土耳其頭，其中只有前5架參與變形，后兩架土耳其頭只起矯正作用(因為在成型矩形管時，可能會出現(xiàn)長邊凸出或短邊凹陷)，與其前一架孔型一致。
2.3 初步分配各機架變形量
由于各機架情況不同，變形量不能平均分配。在圓心角互余法孔型設(shè)計中，變形時是以最終成型后直線長、短邊所對應(yīng)的圓心角的變化來體現(xiàn)的，要根據(jù)具體情況來合理分配。其分配原則：①平輥為傳動輥，變形量可大些；②立輥為非傳動輥，變形量可小些；③萬能機架是精成型架，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，其變形量應(yīng)較��；④考慮管子的冷加工硬化程度，各機架變形量總體上應(yīng)依次減少。
2.4 設(shè)計舉例
以KQJ80×60×5為例(單位：mm)，根據(jù)方矩形管標(biāo)準(zhǔn)外圓弧彎曲半徑［3］，取r=12mm，總延伸系數(shù)μ=1.04。機架數(shù)N=7,平—立—平—萬—萬—土—土布置，成型道次n=5。
2.4.1 基本參數(shù)計算
如圖1(c)所示，矩形管外周長為：L=2(A-2r)+2(B-2r)+2πr=259.36(mm)
圓管外徑為：
Dc=L/π=82.60(mm)
圓管成矩形管時應(yīng)考慮一定的定徑量，則實際焊接的圓管外徑為：
D=μL/π=85.90(mm)
圓管周長為：
L0=πD=269.73(mm)
所以定徑量為：
ΔR=(D-Dc)/2=1.65(mm)
各機架的孔型外周長及各段弧長在變形過程中基本不變，以保證精確成型。雖然各機架均有一定的定徑量，但因定徑量很小，可假設(shè)其在各機架均勻分布，則孔型外周長為：
Li=2π［R-(ΔR/n)i］
式中 n——成型機架數(shù)；
i——成型機架序號。
長邊對應(yīng)弧長為：L1i=［A-2r/L］Li=0.216Li
短邊對應(yīng)弧長為：L2i=［B-2r/L］Li=0.139Li
過渡圓弧對應(yīng)弧長為：
L3i=［(πr/2)/L］.Li=0.073Li
變形前長邊對應(yīng)圓心角為：
α1=0.216L0/R×57.3=78°
變形前短邊對應(yīng)圓心角為：
α2=0.139L0/R×57.3=50°
變形前過渡圓弧對應(yīng)圓心角為：
θ=0.073L0/R×57.3=26°
由此可知，在整個變形過程中，θ由26°變至90°，α1由78°變至0°，α2由50°變至0°。
對稱軸上高度方向總減徑量為：
ΔH=D-B=25.9(mm)
對稱軸上寬度方向總減徑量為：
ΔB=D-A=5.90(mm)
各道次管坯周長及相應(yīng)直線段(長邊、短邊)、圓角過渡段對應(yīng)弧長的計算結(jié)果見表1。
表1 各道次孔型參數(shù)計算結(jié)果 |
機架
序號
i |
孔型
類型 |
管坯
周長
(mm)
Li |
直線段長
短邊對應(yīng)
弧長/(mm)
L1i L2i |
過渡圓
角對應(yīng)
弧長/(mm)
L3i |
圓心角
(°)
α1i' α2i' θi' |
孔型半徑
長邊 短邊
(mm)
R1i R2i |
過渡圓
弧半徑
(mm)
ri |
孔型半徑圓
心偏心位置
(mm)
e1i e2i |
孔型尺寸
高度 寬度
(mm)
Hi Bi |
對稱軸上
道次減徑量
(mm)
ΔHi ΔBi |
| 0 |
焊接圓管 |
269.73 |
58.26 37.49 |
19.69 |
78 50 26 |
42.95 42.95 |
42.95 |
0 0 |
85.90 85.90 |
0 0 |
| 1 |
平輥 |
267.65 |
57.81 37.20 |
19.54 |
49 25 53 |
67.60 85.26 |
21.13 |
28.41 43.34 |
78.38 83.84 |
7.52 2.05 |
| 2 |
立輥 |
265.58 |
57.36 36.92 |
19.39 |
39 18 61.5 |
84.28 117.58 |
18.07 |
46.85 76.14 |
74.86 82.78 |
3.52 1.06 |
| 3 |
平輥 |
263.51 |
56.92 36.63 |
19.24 |
22 8 75 |
148.25 200.00 |
14.70 |
113.97 219.23 |
68.56 81.54 |
6.30 1.24 |
| 4 |
萬能機架 |
261.44 |
56.47 36.34 |
19.08 |
10.8 3.2 83 |
299.60 650.71 |
13.17 |
267.38 610.40 |
64.44 80.62 |
4.12 0.92 |
| 5 |
萬能機架 |
259.36 |
56.02 36.05 |
18.93 |
0 0 90 |
∝ ∝ |
12.05 |
∝ ∝ |
60.00 80.00 |
4.44 0.62 |
| 6 |
土耳其頭 |
259.36 |
56.02 36.05 |
18.93 |
0 0 90 |
∝ ∝ |
12.05 |
∝ ∝ |
60.00 80.00 |
0 0 |
| 7 |
土耳其頭 |
259.36 |
56.02 36.05 |
18.93 |
0 0 90 |
∝ ∝ |
12.05 |
∝ ∝ |
60.00 80.00 |
0 0 |
2.4.2 孔型設(shè)計
圓成矩過程中，長邊直線段對應(yīng)的圓心角α′1由78°變至0°；短邊直線段對應(yīng)的圓心角α′2由50°變至0°；過渡圓弧對應(yīng)的圓心角θ′由26°變至90°。因此只要設(shè)定α′1和α′2即可求出該道次的孔型參數(shù)。圖2是平輥機架和萬能機架孔型示意圖。 |
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圖2 平輥機架和萬能機架孔型示意圖
設(shè)計步驟：
�、� 根據(jù)變形量分配原則，設(shè)定α′1i和α′2i；
② 按α′1i/2+α′2i/2+θ′=90°的關(guān)系，求出θ′；
③ 計算孔型半徑R1i、R2i
R1i=L1i×57.3/α1i′
R2i=L2i×57.3/a′2i
�、� 計算過渡圓弧半徑ri
ri=L3i×57.3/θ′
�、� 計算孔型半徑圓心至孔型中心距離e1i、e2i
由圖1(b)可得：
長邊偏心距：e1i=(R1i-ri)cos(α1i′/2)-(R2i-ri)sin(a2i′/2)
短邊偏心距：e2i=(R2i-ri)cos(α2i′/2)-(R1i-ri)sin(α1i′/2)
⑥ 計算孔型高度Hi、孔型寬度Bi
Hi=2(R1i-e1i)
Bi=2(R2i-e2i)
�、� 計算對稱軸上道次減徑量ΔHi、ΔBi
ΔHi=Hi-1-Hi
ΔBi=Bi-1-Bi
各道次孔型參數(shù)計算結(jié)果見表1。
2.5 矩形管孔型設(shè)計圓心角互余法特點
① 該法計算簡單，圓心角設(shè)定和調(diào)整容易，成型精確；
�、� 注意矯直機架的設(shè)置，變形量按參加變形的道次分配；
�、� 為了便于加工，當(dāng)最后道次的孔型半徑過大時，可按直線處理，側(cè)壁取斜度；
�、� 采用了四輥萬能機架，可減少角部應(yīng)力，使軋輥表面與管坯表面的運動速度均衡，減少了滑移，從而可降低工具磨損和改善產(chǎn)品表面質(zhì)量。并且容易成角，可保證產(chǎn)品尺寸形狀；
�、� 如果是采用該法進行圓管變方管的孔型設(shè)計，因方管的邊長相等就簡便多了，只需將a1′=a2′即可。
作者：
劉榮佩(昆明理工大學(xué)材料工程系 昆明 650093)
張林洪(云南工業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院 昆明 650051)
參考文獻
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