一种自动生成钢管矫直辊修磨数据的方法

邵 毅

（天津天管太钢焊管有限公司，天津 300301）

在钢管生产过程中，由于各种应力作用会导致一些钢管弯曲，常使用斜辊矫直机进行矫直。一般钢管厂会根据常用且适中的外径规格设计矫直机的初始孔型曲线，但在实际生产过程中往往多个外径规格使用同一矫直辊，这样就存在矫直辊的不均匀磨损，需要适时修磨矫直辊辊面来适应钢管矫直的需求［1-2］。

合理的矫直辊辊型曲线可以使矫直过程中矫直辊的工作段与钢管表面全接触，形成一条空间接触线，称为矫直辊与钢管表面的接触弧［3］。矫直辊在修磨时需要重新计算孔型曲线，通常是依据钢管半径、矫直辊安装角度和矫直辊腰部半径和矫直辊长度来计算得到［4］。但修磨时也不能无限次修磨，必须考虑足够的加工余量和腰部的刚度和强度，矫直辊长度一般不超过腰部直径的2.0~2.5倍［5］。

获得矫直辊辊型曲线的方式主要有作图法、矫直辊专用CAD/CAM系统和公式计算法［6-10］。其中，公式计算法主要有 А.И.Цециков 包络线法、П.Т.Емелъянеико 法、P.F.Lilienthal法、椭圆平移法以及利用啮合原理的坐标变换方法等［11］。

1 CAD软件参数化设计自动生成辊型曲线

本研究采用3D作图法，基于CAD软件参数化设计的原理，利用自带的VBA编程软件，调用API（Application Programming Interface）函数和功能自动生成矫直辊辊型曲线，同时将曲线坐标以“.txt”文件形式自动输出到指定的文件夹。整个过程需要在CAD软件中运行VBA程序，在输入界面窗口中输入矫直辊的工作参数并选择精度级别，点击“生成曲线”按钮自动生成模型，点击“输出曲线”按钮生成曲线文件，此文件数据可以直接输入到数控机床中对矫直辊进行修复加工。

自动生成矫直辊模型的过程是将一个圆柱形实体当成矫直辊坯料，将待矫直的钢管作为切除坯料的模具，再通过软件的周向排布功能，密集的切除旋转微量角度的圆柱体，模拟钢管矫直过程中矫直辊和钢管外表面螺旋啮合的过程。单根钢管和矫直辊坯啮合情况如图1所示；旋转切削后钢管和矫直辊啮合情况如图2所示。

图1 单根钢管和矫直辊坯啮合情况

图2 旋转切削后钢管和矫直辊啮合情况

由于钢管和矫直辊位置的对称性，决定了矫直辊剖面也是对称的，因此只需计算一半辊型曲线点就可以利用镜像生成整个矫直辊的辊型曲线。

为了减少计算时间、提高效率，使用能够完全反映辊型曲线的圆柱体的一角进行建模，通过测量沿旋转轴方向的辊型曲线点高度值，将其转换成以矫直辊剖面为坐标平面，以矫直辊中心为原点，以矫直辊轴线为横坐标，辊型曲线点高度为纵坐标的新坐标系，纵坐标也就是矫直辊横断面的半径。利用VBA编程，密集输出新坐标系下的辊型曲线坐标，横坐标的步长决定取值密集程度，可以根据机床加工精度来选择。由于带修磨矫直辊的有效辊型长为620 mm，所以选用步长1 mm，直到输出310 mm点的横断面断面半径。

2 计算程序框图

生成模型程序框图及输出曲线程序框图如图3~4所示。

图3 生成模型程序框图

3 操作界面和程序代码

程序界面如图5所示，可以在用户界面中输入钢管平均直径（选择需要矫直的中间管径）、矫直辊喉径（矫直辊的最小直径）、矫直调整角度（钢管矫直时啮合最佳的辊管夹角，一般取矫直机设计值的中值）、矫直辊有效宽度（也就是矫直钢管的最大啮合长度对应的矫直辊宽度），点击“生成曲线”按钮，程序将自动生成矫直辊曲线，如图6所示。曲线生成后“生成曲线”按钮隐藏，以避免在模型中重复生成相同曲线。点击“输出曲线”按钮，将矫直辊曲线输出到一个程序中规定的文本文件（本程序中为f.txt文件）中。

（1）窗口程序部分主要代码如下。

变量定义部分代码省略。

Private Sub TextBox1_Chang（）

average_guanjing=TextBox1.Text/2000′输入目标管径

End Sub

图4 输出曲线程序框图

图5 程序界面

图6 矫直辊辊型曲线模型

′输入矫直辊喉径、输入矫直角度、矫直辊宽度，3项精度选择项，最高精度为在35°范围内进行300次平均切除操作（代码雷同，在此省略）

Private Sub CommandButton1_Click（）

创建矫直辊average_guanjing,min_gunjing,jiaodu,jingdu′引用“生成曲线”子程序

CommandButton1.Visible=False

CommandButton2.Visible=True

End Sub

Private Sub CommandButton2_Click（）

输出曲线gunkuan′引用“输出曲线”子程序

CommandButton2.Visible=False

CommandButton1.Visible=True

Set Part=Nothing

swApp.CloseDo“c矫直辊曲线计算.SLDPRT”

End Sub

（2）生成模型曲线部分主要代码如下。

Sub创建矫直辊（average_guanjin,min_gunjin,jiaodu,jingdu）

变量定义部分代码省略。

定义基准代码省略。

Set myFeature=Part.FeatureManager.FeatureCircularPattern4（jingdu，baoluojiao，True，“NULL”，True,True,False）′创建多个接触面，0.610 884=35°为旋转过的角度，相当于矫直过程中轧辊旋转过的角度

boolstatus=Part.Extension.SelectByID2（"右视基准面","PLANE",0,0,0,True,0,Nothing,0）

jieju=0.1′设置截距初始值为100

Set myRefPlane=Part.FeatureManager.InsertRef-Plane（264,jieju,0,0,0,0）′创建截面草图，0.1 为截面的截距，是一个后续变量，代表曲线坐标的横坐标

Part.Sketch3DIntersections

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

boolstatus=Part.Extension.SelectByID2（"基准面2"，"PLANE",jieju,0,0,True,0,Nothing,0）′此处0.1与截面出截距相同

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）输出曲线代码如下。

Sub 输出曲线（gunkuan）

变量定义部分代码省略。

s="C:UsersyySkyDrive绘图矫直辊f.txt"

Open s For Output As#1

输出表头代码省略。

i=0

Do Whilei ∧20′由于坐标点数据大约320个，故将20个作为一组

d1="D1@基准面2"

g=（j*10+）i

Part.Paramete（rd1）.Value=g

boolstatus=Part.EditRebuild3（）

d2="D1@3D草图1"

t=Part.Paramete（rd2）.Value′辊子半径

r=In（tt*1000）/1000

Print#1,r,

i=i+1

Loop

Print#1,′输出数值

j=j+2

′Print#1,′选用此行代码，可以在每段数据之间插入一空行

Loop

Close#1

End Sub

模拟过程与实际矫直过程可以产生等效的接触关系，但不考虑钢管矫直过程中被压扁的状态。如果产品长期需要采用压扁椭圆矫直法［12］进行矫直作业时，同样的可以使用此方法生成新的矫直辊曲线，不过用作切除坯料的模具截面就变成椭圆形状。这种作业状态所需要的矫直辊辊型曲线若利用数学计算的方法就会显得尤为复杂。

4 输出文件实例与数学计算方法对比

表1为利用CAD软件参数化设计自动生成的辊型曲线，是输出文件的部分数据，表头为矫直辊辊型曲线的计算条件，由于表格数据在310个以上，所以只选取曲线头部、中部和尾部部分内容与公式计算方法进行对比。

表1 利用CAD软件参数化设计自动生成的辊型曲线mm

选用一种利用共轭旋转曲面啮合原理计算的曲线与表1数据进行比较，此方法的计算曲线公式（1）~（2）［13］为：

式中Z——矫直辊辊型曲线取值点到矫直辊的距离，mm；

z——矫直辊辊型曲线取值点到矫直辊中心的水平距离，mm；

α——两个矫直辊与钢管轴线的交叉角度，（°）；

r0——钢管的半径，mm；

C0——钢管轴线与矫直辊轴线的最短距离，mm；

R——矫直辊辊型曲线取值点的截面半径，mm。

为了进行比较，在Exeal软件中使用公式（1）~（2）计算出（Z，R）辊型曲线坐标点，见表 2。由此可见，此计算方法所得的数据在接近矫直辊边缘时还是有较大偏差。

表2 利用共轭旋转曲面啮合原理计算的矫直辊辊型曲线mm

5 结 论

利用CAD软件的实体模型切除方法，可以直观、准确地设计矫直辊辊型，利用CAD软件的API函数和功能自动生成矫直辊修磨时所需要的辊型曲线坐标文件。此方法可以取代专业矫直辊辊型曲线设计软件，技术人员只需进行简单地数学推理，通过参数的输入可以应用到新矫直辊的设计和矫直辊的修磨中。

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