管子先焊后彎的程序修正和管子試彎測(cè)量

劉聯(lián)紅 盧建兵 江海燕 黃勛

摘 要：應(yīng)用管子先焊后彎工藝，必須進(jìn)行下料長(zhǎng)度和彎管程序修正，以補(bǔ)償管子彎曲過程中的回彈和延伸。本文提出一個(gè)簡(jiǎn)單易行的修正計(jì)算方法，包括簡(jiǎn)易的測(cè)量方法和工具

關(guān)鍵詞：先焊后彎;回彈;延伸;測(cè)量;管子

中圖分類號(hào)：U671.91+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 概述

由于管子彎曲過程中的變形受多種因素影響，包括：管子外徑壁厚、材質(zhì)、模具截面設(shè)計(jì)、芯棒的構(gòu)型及位置、彎管機(jī)運(yùn)行參數(shù)（彎曲速度、助推速度、夾緊力）等，回彈和延伸量不可能通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出。管子彎曲部位的變形，包括彈性變形和塑性變形，且并非均勻分布，彎曲部位也不是理想的網(wǎng)弧，對(duì)其精確測(cè)量也存在很大難度。因此，只能通過管子試彎測(cè)量，對(duì)比設(shè)計(jì)理論數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來獲取修正參數(shù);生產(chǎn)前再按修正參數(shù)進(jìn)行下料長(zhǎng)度修正和彎管程序修正。

2 修正的方法

管子安裝尺寸正確性，主要取決于彎曲角度和管點(diǎn)長(zhǎng)一一直段軸線延長(zhǎng)線交點(diǎn)至管端距離，見圖1所示。

在多個(gè)彎曲的情況下，是由各個(gè)管段的管點(diǎn)長(zhǎng)、彎曲角度決定兩端法蘭的空間位置。本文不研究彎曲部位的具體變形特征，不考慮如何測(cè)量或計(jì)算延伸長(zhǎng)度，以簡(jiǎn)化問題關(guān)注重點(diǎn)。

（1）決定彎曲角度和管點(diǎn)長(zhǎng)的因素，包括：下料長(zhǎng)度、彎管機(jī)上執(zhí)行的彎曲角度和送進(jìn)長(zhǎng)度。對(duì)這幾個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)修正，即可獲得正確的結(jié)果;彎管程序中的空間轉(zhuǎn)角因不受回彈延伸影響，故予以忽略;

（2）要補(bǔ)償回彈的影響，需要增加執(zhí)行的彎曲角度，彎后得到的實(shí)際角度與彎管機(jī)執(zhí)行角度的差值，就是對(duì)應(yīng)實(shí)際角度（目標(biāo)角度）的回彈角;

（3）如果僅進(jìn)行回彈角補(bǔ)償，不修正下料長(zhǎng)度和彎管程序的送進(jìn)長(zhǎng)度，由于回彈延伸的影響，管端位置將偏離設(shè)計(jì)位置，見圖2所示。圖中：△Ll=彎后實(shí)測(cè)管點(diǎn)長(zhǎng)L1 -設(shè)計(jì)管點(diǎn)長(zhǎng)1;△L2=彎后實(shí)測(cè)管點(diǎn)長(zhǎng)L2 -設(shè)計(jì)管點(diǎn)長(zhǎng)2。

3 單個(gè)彎曲的送進(jìn)和下料修正

（1）首直段長(zhǎng)度修正：將首直段送進(jìn)減少△L1，即可令管子首端點(diǎn)在正確位置（見圖2）;

（2）末直段長(zhǎng)度修正：在實(shí)際彎管時(shí)，管子末端的位置取決于下料長(zhǎng)度，末直段送進(jìn)并不需要修正;

（3）下料長(zhǎng)度修正理論下料長(zhǎng)度一（△L1+△L2）。

傳統(tǒng)先彎后焊T藝中，下料留余量，彎后測(cè)量并切割多余長(zhǎng)度，以保證管子兩端位置正確。此處可以將圖2所示的△L1、△L2理解成兩端的割去值，兩個(gè)割去值的合計(jì)即為對(duì)下料長(zhǎng)度的修正。必須注意，這里的下料修正減少的長(zhǎng)度，并不等于彎曲部位的延伸，而是為了補(bǔ)償回彈和延伸綜合影響的結(jié)果，即以對(duì)首直段的送進(jìn)調(diào)整保證首端位置正確，以下料長(zhǎng)度的調(diào)整保證末端位置正確。

4 多個(gè)彎曲的送進(jìn)和下料修正

（1）第一個(gè)送進(jìn)長(zhǎng)度的修正值即第一個(gè)彎的△L1，最后一個(gè)送進(jìn)長(zhǎng)度因不會(huì)執(zhí)行也無需修正;

（2）下料總長(zhǎng)度的修正：每個(gè)彎對(duì)下料長(zhǎng)度的影響都是獨(dú)立的，因此其修正值為每個(gè)彎的下料修正值的總和，以此保障管子末端的軸線方向位置正確;

（3）中間直段的修正：如果彎曲部位是理想的圓弧，兩側(cè)切線長(zhǎng)相等，則中間直段的修正值在理論上等于前后兩個(gè)彎的△L1總和。但由于彎曲部位變形復(fù)雜，沒有理由認(rèn)為其彈性、塑性變形是沿軸向均勻分布，回彈后不會(huì)是理想的網(wǎng)弧，實(shí)際形狀也很難精確測(cè)量;

（4）通過在彎管過程中標(biāo)記起止彎點(diǎn)，經(jīng)大量的實(shí)際測(cè)量計(jì)算也發(fā)現(xiàn)并非如此。實(shí)際的止彎點(diǎn)位置，并不在假定彎曲部位為圓弧并按切線長(zhǎng)相等推算出的理論止彎點(diǎn)位置，而是有一個(gè)偏移（見圖3），這個(gè)止彎點(diǎn)偏移量等于彎后實(shí)測(cè)所得的首末端切線長(zhǎng)的差值;

（5）實(shí)際止彎點(diǎn)位置，也就是在彎管機(jī)上執(zhí)行中間直段送進(jìn)的起點(diǎn)，每個(gè)中間直段的修正應(yīng)在理論計(jì)算基礎(chǔ)上，增加前一個(gè)彎的止彎點(diǎn)偏移量，向彎曲部位的偏移為正值，反向?yàn)樨?fù)值;中間直段的送進(jìn)長(zhǎng)度=設(shè)計(jì)送進(jìn)長(zhǎng)度一（前彎的△L1+后彎的△L1-前彎止彎點(diǎn)偏移Z）。中間直段修正，見圖4所示。

綜上所述：針對(duì)某目標(biāo)角度，修正參數(shù)由4個(gè)數(shù)據(jù)構(gòu)成：回彈角△A;首直段修正值△L1;下料修正值△L1+△L2;止彎點(diǎn)偏移值Z。

（1）下料長(zhǎng)度修正

設(shè)計(jì)下料長(zhǎng)度一每個(gè)彎的（△L1+△L2）合計(jì)。

（2）彎管程序修正

第一個(gè)送進(jìn)長(zhǎng)度修正：設(shè)計(jì)值一首個(gè)彎的△L1;

中間送進(jìn)長(zhǎng)度修正：設(shè)計(jì)值一（前個(gè)彎的△L1+后彎的△L1-前個(gè)彎的Z）;

彎曲角度修正：設(shè)計(jì)角度+△A。

（3）小結(jié)

忽略彎曲部位的具體變形，也不去分析延伸量，取影響管件最終形狀尺寸的關(guān)鍵數(shù)據(jù)——彎曲角度和管點(diǎn)長(zhǎng)，用理論數(shù)據(jù)和彎后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比獲得修正參數(shù)值，并以此用于之后實(shí)際生產(chǎn)的數(shù)據(jù)修正。

5 修正參數(shù)的獲取

5.1 試彎測(cè)量

執(zhí)行一個(gè)彎管操作，彎管過程中在管子上標(biāo)記起、止彎點(diǎn)，記錄下料長(zhǎng)度、彎模半徑、執(zhí)行的彎曲角度;彎管后進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，獲得實(shí)測(cè)的各直段長(zhǎng)、管點(diǎn)長(zhǎng)、彎曲角度、止彎點(diǎn)偏移值。

5.2 重建管點(diǎn)長(zhǎng)理論值

取彎模半徑、下料長(zhǎng)度、實(shí)測(cè)彎曲角度、實(shí)測(cè)首直段長(zhǎng)，按彎曲部位為網(wǎng)弧，計(jì)算重建管件的幾何尺寸，得到兩個(gè)管點(diǎn)長(zhǎng)的理論值。

5.3 修正參數(shù)計(jì)算

對(duì)比理論值與實(shí)測(cè)值，獲得4個(gè)修正參數(shù)：

（1）回彈角△A=執(zhí)行彎角一實(shí)測(cè)彎角。這個(gè)實(shí)測(cè)彎角即目標(biāo)角度;

（2）首直段送進(jìn)長(zhǎng)度修正值△L1=彎后實(shí)測(cè)管點(diǎn)長(zhǎng)L1 -理論管點(diǎn)長(zhǎng)1;

（3）下料長(zhǎng)度修正值=△L1+△L2，△L2為彎后實(shí)測(cè)管點(diǎn)長(zhǎng)L2 -理論管點(diǎn)長(zhǎng)2;

（4）止彎點(diǎn)偏移值=Z（見圖3）。

6 修正參數(shù)的采集和應(yīng)用

6.1 采集修正參數(shù)

修正參數(shù)的采集不必單獨(dú)安排試彎，可以在生產(chǎn)過程中抽測(cè)單個(gè)彎的管子，以實(shí)際測(cè)得的彎角為目標(biāo)彎角，以實(shí)際下料長(zhǎng)度、實(shí)測(cè)首直段長(zhǎng)度、理論彎曲半徑，重新計(jì)算理論管點(diǎn)長(zhǎng)，再對(duì)比實(shí)測(cè)管點(diǎn)長(zhǎng)計(jì)算修正參數(shù)。

實(shí)測(cè)的首直段長(zhǎng)可能與執(zhí)行的送進(jìn)長(zhǎng)不同，這屬于測(cè)量誤差或執(zhí)行的誤差，要將實(shí)測(cè)首直段長(zhǎng)度取代執(zhí)行送進(jìn)長(zhǎng)度用以計(jì)算重建理論值，以抵消這些誤差。

管材規(guī)格存在制造公差，例如GB/T8163許可的外徑公差為±1D%。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)誤差將顯著影響回彈和延伸量。因此，在測(cè)量積累修正參數(shù)的過程中，對(duì)外徑、壁厚應(yīng)進(jìn)行實(shí)測(cè)而不是直接使用標(biāo)稱規(guī)格，并將外徑測(cè)量精度提高到0.1 mm，修正參數(shù)數(shù)據(jù)庫中不僅要記錄標(biāo)稱規(guī)格，還要記錄這個(gè)實(shí)測(cè)的精確規(guī)格。

6.2 彎管程序修正

彎管程序和下料長(zhǎng)度修正時(shí)，也應(yīng)根據(jù)待下料管子的到貨實(shí)際規(guī)格，調(diào)用更精細(xì)的修正參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以提高最終產(chǎn)品的精度。

這意味著修正計(jì)算不可能在設(shè)計(jì)階段完成，因?yàn)樵O(shè)計(jì)階段無法預(yù)知到貨管材的實(shí)際精確尺寸，同時(shí)這也將導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理流程和生產(chǎn)管理流程的變化;。如果生產(chǎn)車間有白動(dòng)化數(shù)控下料裝備，且有外徑壁厚的精確測(cè)量功能，就可以在測(cè)量獲得管材規(guī)格精確數(shù)據(jù)后，以實(shí)測(cè)規(guī)格調(diào)用修正參數(shù)進(jìn)行修正，再根據(jù)修正后的下料長(zhǎng)度進(jìn)行套料、切割;當(dāng)車間不具備這樣的條件時(shí)，就需要備料后人工測(cè)量管材規(guī)格，再進(jìn)行下料修正、套料、切割，這將使流程復(fù)雜并損失部分生產(chǎn)效率。

另外，依據(jù)精確管材尺寸進(jìn)行修正，也需要積累更多的修正參數(shù)，測(cè)量丁作量、數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)量都會(huì)大量增加。

按標(biāo)稱規(guī)格進(jìn)行修正還是按精確規(guī)格進(jìn)行修正，實(shí)際生產(chǎn)中如何選擇，可根據(jù)車間條件權(quán)衡精度和效率。

6.3 插值與經(jīng)驗(yàn)估算

實(shí)際生產(chǎn)中，修正參數(shù)數(shù)據(jù)庫可能無法覆蓋所有目標(biāo)角度。此時(shí)可以根據(jù)既有角度的修正參數(shù)進(jìn)行線性插值計(jì)算獲得，根據(jù)既往科技人員的研究，線性插值方法是可用的[1]。

在無法進(jìn)行插值計(jì)算時(shí)，還可以人工根據(jù)既有數(shù)據(jù)按經(jīng)驗(yàn)估算建立，再對(duì)彎管結(jié)果進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，以積累更多更精確的修正參數(shù)。

6.4 修正參數(shù)的適用范圍

修正參數(shù)僅適用于采集修正參數(shù)時(shí)對(duì)應(yīng)的外徑、壁厚、材質(zhì)的管材，同時(shí)與試彎時(shí)的彎管機(jī)、模具、運(yùn)行參數(shù)（包括：芯棒的位置、芯棒是否加油潤(rùn)滑、前后軋的夾緊力、彎曲及助推速度等）綁定;選用的修正參數(shù)，亦決定了實(shí)際生產(chǎn)時(shí)應(yīng)采用的彎管機(jī)、模具、運(yùn)行參數(shù)，如果實(shí)際生產(chǎn)中變更了環(huán)境，必然造成額外誤差。

因此，在實(shí)施先焊后彎時(shí)，要對(duì)車間的彎管機(jī)、模具、芯棒進(jìn)行唯一編碼管理，并固化各個(gè)材質(zhì)、規(guī)格的管材對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)環(huán)境——設(shè)備、模具、芯棒、各個(gè)運(yùn)行參數(shù)。

6.5 管材的生產(chǎn)商和爐批號(hào)

同一標(biāo)準(zhǔn)、材質(zhì)、規(guī)格的管材，生產(chǎn)商或爐批號(hào)不同，其規(guī)格和機(jī)械性能也可能有微小差異，對(duì)回彈延伸量造成影響。對(duì)此，理論上應(yīng)予以考慮，在修正參數(shù)數(shù)據(jù)采集時(shí)進(jìn)行記錄，修正參數(shù)選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)備料的管材和爐批號(hào)，選用相應(yīng)爐批號(hào)的修正數(shù)據(jù);但這在實(shí)際生產(chǎn)中有極大的困難：首先，目前國(guó)內(nèi)管材廠商在交付時(shí)，基本沒有逐根管子進(jìn)行爐批號(hào)標(biāo)記，船廠內(nèi)部物流管理也很難做到增加這個(gè)標(biāo)記。在試彎采集修正參數(shù)及實(shí)際下料過程中幾乎無法有效獲得當(dāng)前管材爐批號(hào)數(shù)據(jù)，因此管材的爐批號(hào)問題只好忽略，不納入考量因素。

國(guó)內(nèi)有船廠在實(shí)施先焊后彎工藝時(shí)，采用固定供應(yīng)商，并提出更高的規(guī)格精度和材質(zhì)的要求，以保持獲得的管材在規(guī)格、材質(zhì)方面的穩(wěn)定性，但這也將帶來成本增加的代價(jià)。

7 修正后的工藝性檢查

當(dāng)前設(shè)計(jì)軟件輸出的數(shù)據(jù)都是按先彎后焊模式，彎管程序通常已經(jīng)進(jìn)行了彎管工藝性校核，按先焊后彎修正數(shù)據(jù)后，部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)生變化，需要再次校核計(jì)算以免生產(chǎn)中發(fā)生干涉事故;另外，由于先焊后彎管端附件的存在，還要檢查附件及焊縫與前后軋是否存在干涉。

先焊后彎時(shí)彎管機(jī)上夾持管件端部的附件（法蘭或套管），長(zhǎng)度方向的定位基準(zhǔn)是附件的端面，管件的總長(zhǎng)度大于管材長(zhǎng)度，因此彎管程序的管子總長(zhǎng)、首直段送進(jìn)長(zhǎng)度都要進(jìn)一步修正，增加因端部附件產(chǎn)生的長(zhǎng)度增量。

為避免在修正后才發(fā)現(xiàn)工藝問題，在設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)中，對(duì)彎管工藝性校核的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，以適應(yīng)先焊后彎的需求;在設(shè)計(jì)放樣過程中，也盡量滿足先焊后彎工藝性要求，以提高生產(chǎn)效率。

8 一種簡(jiǎn)易的彎管測(cè)量方法

前述的參數(shù)采集需要大量測(cè)量彎后管子，傳統(tǒng)的手工測(cè)量效率低、精度低。為此，提出一種簡(jiǎn)易快速的測(cè)量方法：采用一個(gè)簡(jiǎn)易裝置，將不易直接測(cè)量的管點(diǎn)長(zhǎng)、彎曲角度等，通過4個(gè)輔助測(cè)量方塊，轉(zhuǎn)換成易于直接測(cè)量的坐標(biāo)值和直線長(zhǎng)度，再經(jīng)計(jì)算得到管點(diǎn)長(zhǎng)、彎曲角度等數(shù)據(jù)。該裝置如圖5所示。

（1）裝置構(gòu)成

由1個(gè)平臺(tái)安裝于平臺(tái)左、下兩個(gè)側(cè)邊的相互垂直的基準(zhǔn)板和4個(gè)頂部標(biāo)記中心點(diǎn)的輔助測(cè)量方塊構(gòu)成。

（2）測(cè)量步驟

將彎管的末直段貼緊下邊的基準(zhǔn)板B，4個(gè)輔助方塊貼緊管子擺放，如圖5所示：1#、4#盡量靠近管端以獲得更大的測(cè)量基線長(zhǎng)，2#、3#的內(nèi)側(cè)邊分別對(duì)齊彎管時(shí)標(biāo)記的起止彎點(diǎn)。

（3）測(cè)量計(jì)算

使用丁字尺及直尺測(cè)量4個(gè)輔助方塊中心點(diǎn)在基準(zhǔn)板AB構(gòu)成的坐標(biāo)系的XY坐標(biāo)，管子直徑D;S1、S2長(zhǎng)度，經(jīng)計(jì)算求得兩個(gè)直段長(zhǎng)、兩個(gè)管點(diǎn)長(zhǎng)、彎曲角度、止彎點(diǎn)偏移。

直尺測(cè)量精度低、易出錯(cuò)，本裝置中可以使用拉繩測(cè)量裝置或關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)代替直尺，可顯著降低成本;亦可使用3D掃描測(cè)量裝置，不過成本更高。

9 起止彎點(diǎn)標(biāo)記工具

前述的測(cè)量需要在彎管過程中標(biāo)記起止彎點(diǎn)：標(biāo)記工具用薄板制作，帶有標(biāo)記樣沖，借助彎模緊固螺母墊片外網(wǎng)及后軋導(dǎo)板，通過合適的尺寸設(shè)計(jì)令樣沖尖位于起止彎點(diǎn)——垂直投影面上，通過彎模中心且垂直于導(dǎo)板的垂線，與管子軸線交點(diǎn)。

彎管過程中，模具夾緊起彎前和彎曲終了后軋松開前，貼靠后軋導(dǎo)板和彎模緊固螺栓的墊片外網(wǎng)，即可快速獲得起止彎點(diǎn)，敲擊樣沖打下標(biāo)記點(diǎn)，如圖6所示。

彎模緊固墊片應(yīng)予更換，內(nèi)徑應(yīng)盡量貼合緊固螺栓，以保證定位精度。多臺(tái)彎管機(jī)可以統(tǒng)一墊片外徑，適宜的尺寸設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)一套工具適用于多臺(tái)彎管機(jī)。

10 小結(jié)

先焊后彎是一種高效生產(chǎn)模式，其有效實(shí)施需要很多先決條件，以保證最終產(chǎn)品精度及效益的發(fā)揮：首先，管子設(shè)計(jì)放樣的軟件需輸出完整的彎管程序等所需數(shù)據(jù);測(cè)量計(jì)算采集大量的修正參數(shù);生產(chǎn)前對(duì)彎管程序、下料長(zhǎng)度進(jìn)行修正，并驗(yàn)證先焊后彎的可行性。

修正參數(shù)盡量按更高的管子規(guī)格精度提供，并在下料前獲取實(shí)際材料的精確規(guī)格。依此進(jìn)行修正，可以獲得更高的產(chǎn)品精度，這需要裝備及生產(chǎn)流程、MES系統(tǒng)的適配改造，是否這樣做要權(quán)衡效率和精度。這些數(shù)據(jù)處理及生產(chǎn)流程控制，都必須有相應(yīng)的信息化手段支持，靠人工進(jìn)行這種規(guī)模的數(shù)據(jù)處理是不可行的。

另外，先焊后彎還需要生產(chǎn)裝備的支持，如：可夾持端部附件定位法蘭孔的三軸數(shù)控彎管機(jī)，能有效保證精度和效率;若配套直管白動(dòng)化裝焊生產(chǎn)線，并在一個(gè)車間制造執(zhí)行系統(tǒng)支撐下，將能更好發(fā)揮該模式的效率。

參考文獻(xiàn)

[1]劉光武，胡勇，王呈方.彎管回彈的理論分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（ 02）.

[2]鄒雙桂管子彎曲成形的機(jī)理分析[J]廣東造船，2013，32（05）.