對現有先焊接為圓管后成型為矩形管的孔型設計方法進行了評述。提出一種新的矩形管孔型設計方法——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的管坯弧長在變形過程中的比值保持不變為設計原則，在四分之一圓周上使三部分弧長對應的圓心角之和始終互為90°。該方法設計簡單，變形參數易于設定和調整，且成型精確，有利于提高產品的尺寸精度。
主題詞 焊管 矩形管 孔型設計
焊管生產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了更廣泛的綜合性技術要求。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，其品種與數量增長之快使之成為軋鋼生產中較活躍的部分。因此，在進行孔型設計時應努力提高異形管的尺寸精度，充分發揮它的經濟性。
1 先成圓后成矩的異形管孔型設計
由于許多冷彎型鋼成型機組是利用現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基礎上發展起來的。由于采用此法可充分利用已有的成型設備和工具，因而大大減少了基建投資，而且其焊接質量較高，金屬損耗少。在需要生產幾種異形管、所用帶鋼尺寸又允許統一時(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。目前矩形管孔型設計主要有兩種，一種是水平機架按箱型孔設計，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成，而且圓弧半徑逐架遞增，所有孔型的側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。采用這種設計方法，計算較復雜，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能準確地反映角部和邊部的變形程度。設計過程中，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進行孔型設計。對于目前普遍使用的焊管設備，管坯在兩個方向交替受力，因此需偏轉變形角θ，才能滿足設計需要。采用偏轉系數K進行偏轉計算，K值由實踐中確定，如果偏轉系數設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律不符合要求。
2 圓變矩的互余孔型設計方法
2.1 孔型設計理論依據
設計原則：矩形管的長邊、短邊及過渡圓角所對應的管坯弧長在變形過程中基本保持不變。
當圓管變形后，對應于矩形管長邊、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及其對應的圓心角θ′，即有唯一值與α′1和α′2對應，可以證明，α′1/2、α′2/2與θ′之間的關系為互余，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))：對應矩形管長邊的一半，圓心角為α1/2；對應矩形管短邊的一半，圓心角為α2/2；對應矩形管的過渡圓弧，圓心角為θ；變形后(圖1(b))：
對應矩形管長邊的一半，圓心角為α1′/2；
對應矩形管短邊的一半，圓心角為α2′/2；
對應矩形管的過渡圓弧，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計中，變形時是以最終成型后直線長、短邊所對應的圓心角的變化來體現的，要根據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，為了保證產品質量，其變形量應較小；④考慮管子的冷加工硬化程度，各機架變形量總體上應依次減少。
2.4 設計舉例
以KQJ80×60×5為例(單位：mm)，根據方矩形管標準外圓弧彎曲半徑［3］，取r=12mm，總延伸系數μ=1.04。機架數N=7,平—立—平—萬—萬—土—土布置，成型道次n=5。
2.4.1 基本參數計算
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；
i——成型機架序號。
長邊對應弧長為：L1i=［A-2r/L］Li=0.216Li
短邊對應弧長為：L2i=［B-2r/L］Li=0.139Li
過渡圓弧對應弧長為：
L3i=［(πr/2)/L］.Li=0.073Li
變形前長邊對應圓心角為：
α1=0.216L0/R×57.3=78°
變形前短邊對應圓心角為：
α2=0.139L0/R×57.3=50°
變形前過渡圓弧對應圓心角為：
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直線段(長邊、短邊)、圓角過渡段對應弧長的計算結果見表1。
表1 各道次孔型參數計算結果 |
機架
序號
i |
孔型
類型 |
管坯
周長
(mm)
Li |
直線段長
短邊對應
弧長/(mm)
L1i L2i |
過渡圓
角對應
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 孔型設計
圓成矩過程中，長邊直線段對應的圓心角α′1由78°變至0°；短邊直線段對應的圓心角α′2由50°變至0°；過渡圓弧對應的圓心角θ′由26°變至90°。因此只要設定α′1和α′2即可求出該道次的孔型參數。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
設計步驟：
① 根據變形量分配原則，設定α′1i和α′2i；
② 按α′1i/2+α′2i/2+θ′=90°的關系，求出θ′；
③ 計算孔型半徑R1i、R2i
R1i=L1i×57.3/α1i′
R2i=L2i×57.3/a′2i
④ 計算過渡圓弧半徑ri
ri=L3i×57.3/θ′
⑤ 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)
⑦ 計算對稱軸上道次減徑量ΔHi、ΔBi
ΔHi=Hi-1-Hi
ΔBi=Bi-1-Bi
各道次孔型參數計算結果見表1。
2.5 矩形管孔型設計圓心角互余法特點
① 該法計算簡單，圓心角設定和調整容易，成型精確；
② 注意矯直機架的設置，變形量按參加變形的道次分配；
③ 為了便于加工，當最后道次的孔型半徑過大時，可按直線處理，側壁取斜度；
④ 采用了四輥萬能機架，可減少角部應力，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品表面質量。并且容易成角，可保證產品尺寸形狀；
⑤ 如果是采用該法進行圓管變方管的孔型設計，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(昆明理工大學材料工程系 昆明 650093)
張林洪(云南工業大學電力工程學院 昆明 650051)
參考文獻
1，李連詩.異型管制造方法.北京：冶金工業出版社，1994：61～68
2，孫佳.方矩型管孔型設計方法.焊管，1992，15(6)：40～45
3，王先進，涂厚道.冷彎型鋼生產及應用.北京：冶金工業出版社，1994：220～221 |
