管子先焊后彎的程序修正和管子試彎測量

劉聯(lián)紅 盧建兵 江海燕 黃勛

摘 要：應用管子先焊后彎工藝，必須進行下料長度和彎管程序修正，以補償管子彎曲過程中的回彈和延伸。本文提出一個簡單易行的修正計算方法，包括簡易的測量方法和工具

關(guān)鍵詞：先焊后彎;回彈;延伸;測量;管子

中圖分類號：U671.91+3

文獻標識碼：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、芯棒的構(gòu)型及位置、彎管機運行參數(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)學模型計算得出。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，對其精確測量也存在很大難度。因此，只能通過管子試彎測量，對比設(shè)計理論數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)來獲取修正參數(shù);生產(chǎn)前再按修正參數(shù)進行下料長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長一一直段軸線延長線交點至管端距離，見圖1所示。

在多個彎曲的情況下，是由各個管段的管點長、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，不考慮如何測量或計算延伸長度，以簡化問題關(guān)注重點。

（1）決定彎曲角度和管點長的因素，包括：下料長度、彎管機上執(zhí)行的彎曲角度和送進長度。對這幾個數(shù)據(jù)進行適當修正，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）要補償回彈的影響，需要增加執(zhí)行的彎曲角度，彎后得到的實際角度與彎管機執(zhí)行角度的差值，就是對應實際角度（目標角度）的回彈角;

（3）如果僅進行回彈角補償，不修正下料長度和彎管程序的送進長度，由于回彈延伸的影響，管端位置將偏離設(shè)計位置，見圖2所示。圖中：△Ll=彎后實測管點長L1 -設(shè)計管點長1;△L2=彎后實測管點長L2 -設(shè)計管點長2。

3 單個彎曲的送進和下料修正

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

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

（3）下料長度修正理論下料長度一（△L1+△L2）。

傳統(tǒng)先彎后焊T藝中，下料留余量，彎后測量并切割多余長度，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，兩個割去值的合計即為對下料長度的修正。必須注意，這里的下料修正減少的長度，并不等于彎曲部位的延伸，而是為了補償回彈和延伸綜合影響的結(jié)果，即以對首直段的送進調(diào)整保證首端位置正確，以下料長度的調(diào)整保證末端位置正確。

4 多個彎曲的送進和下料修正

（1）第一個送進長度的修正值即第一個彎的△L1，最后一個送進長度因不會執(zhí)行也無需修正;

（2）下料總長度的修正：每個彎對下料長度的影響都是獨立的，因此其修正值為每個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)切線長相等，則中間直段的修正值在理論上等于前后兩個彎的△L1總和。但由于彎曲部位變形復雜，沒有理由認為其彈性、塑性變形是沿軸向均勻分布，回彈后不會是理想的網(wǎng)弧，實際形狀也很難精確測量;

（4）通過在彎管過程中標記起止彎點，經(jīng)大量的實際測量計算也發(fā)現(xiàn)并非如此。實際的止彎點位置，并不在假定彎曲部位為圓弧并按切線長相等推算出的理論止彎點位置，而是有一個偏移（見圖3），這個止彎點偏移量等于彎后實測所得的首末端切線長的差值;

（5）實際止彎點位置，也就是在彎管機上執(zhí)行中間直段送進的起點，每個中間直段的修正應在理論計算基礎(chǔ)上，增加前一個彎的止彎點偏移量，向彎曲部位的偏移為正值，反向為負值;中間直段的送進長度=設(shè)計送進長度一（前彎的△L1+后彎的△L1-前彎止彎點偏移Z）。中間直段修正，見圖4所示。

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

（1）下料長度修正

設(shè)計下料長度一每個彎的（△L1+△L2）合計。

（2）彎管程序修正

第一個送進長度修正：設(shè)計值一首個彎的△L1;

中間送進長度修正：設(shè)計值一（前個彎的△L1+后彎的△L1-前個彎的Z）;

彎曲角度修正：設(shè)計角度+△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)——彎曲角度和管點長，用理論數(shù)據(jù)和彎后實測數(shù)據(jù)對比獲得修正參數(shù)值，并以此用于之后實際生產(chǎn)的數(shù)據(jù)修正。

5 修正參數(shù)的獲取

5.1 試彎測量

執(zhí)行一個彎管操作，彎管過程中在管子上標記起、止彎點，記錄下料長度、彎模半徑、執(zhí)行的彎曲角度;彎管后進行測量和計算，獲得實測的各直段長、管點長、彎曲角度、止彎點偏移值。

5.2 重建管點長理論值

取彎模半徑、下料長度、實測彎曲角度、實測首直段長，按彎曲部位為網(wǎng)弧，計算重建管件的幾何尺寸，得到兩個管點長的理論值。

5.3 修正參數(shù)計算

對比理論值與實測值，獲得4個修正參數(shù)：

（1）回彈角△A=執(zhí)行彎角一實測彎角。這個實測彎角即目標角度;

（2）首直段送進長度修正值△L1=彎后實測管點長L1 -理論管點長1;

（3）下料長度修正值=△L1+△L2，△L2為彎后實測管點長L2 -理論管點長2;

（4）止彎點偏移值=Z（見圖3）。

6 修正參數(shù)的采集和應用

6.1 采集修正參數(shù)

修正參數(shù)的采集不必單獨安排試彎，可以在生產(chǎn)過程中抽測單個彎的管子，以實際測得的彎角為目標彎角，以實際下料長度、實測首直段長度、理論彎曲半徑，重新計算理論管點長，再對比實測管點長計算修正參數(shù)。

實測的首直段長可能與執(zhí)行的送進長不同，這屬于測量誤差或執(zhí)行的誤差，要將實測首直段長度取代執(zhí)行送進長度用以計算重建理論值，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，這個誤差將顯著影響回彈和延伸量。因此，在測量積累修正參數(shù)的過程中，對外徑、壁厚應進行實測而不是直接使用標稱規(guī)格，并將外徑測量精度提高到0.1 mm，修正參數(shù)數(shù)據(jù)庫中不僅要記錄標稱規(guī)格，還要記錄這個實測的精確規(guī)格。

6.2 彎管程序修正

彎管程序和下料長度修正時，也應根據(jù)待下料管子的到貨實際規(guī)格，調(diào)用更精細的修正參數(shù)進行計算，以提高最終產(chǎn)品的精度。

這意味著修正計算不可能在設(shè)計階段完成，因為設(shè)計階段無法預知到貨管材的實際精確尺寸，同時這也將導致數(shù)據(jù)處理流程和生產(chǎn)管理流程的變化;。如果生產(chǎn)車間有白動化數(shù)控下料裝備，且有外徑壁厚的精確測量功能，就可以在測量獲得管材規(guī)格精確數(shù)據(jù)后，以實測規(guī)格調(diào)用修正參數(shù)進行修正，再根據(jù)修正后的下料長度進行套料、切割;當車間不具備這樣的條件時，就需要備料后人工測量管材規(guī)格，再進行下料修正、套料、切割，這將使流程復雜并損失部分生產(chǎn)效率。

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

按標稱規(guī)格進行修正還是按精確規(guī)格進行修正，實際生產(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)驗估算

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

在無法進行插值計算時，還可以人工根據(jù)既有數(shù)據(jù)按經(jīng)驗估算建立，再對彎管結(jié)果進行測量計算，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)時對應的外徑、壁厚、材質(zhì)的管材，同時與試彎時的彎管機、模具、運行參數(shù)（包括：芯棒的位置、芯棒是否加油潤滑、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)，亦決定了實際生產(chǎn)時應采用的彎管機、模具、運行參數(shù)，如果實際生產(chǎn)中變更了環(huán)境，必然造成額外誤差。

因此，在實施先焊后彎時，要對車間的彎管機、模具、芯棒進行唯一編碼管理，并固化各個材質(zhì)、規(guī)格的管材對應的生產(chǎn)環(huán)境——設(shè)備、模具、芯棒、各個運行參數(shù)。

6.5 管材的生產(chǎn)商和爐批號

同一標準、材質(zhì)、規(guī)格的管材，生產(chǎn)商或爐批號不同，其規(guī)格和機械性能也可能有微小差異，對回彈延伸量造成影響。對此，理論上應予以考慮，在修正參數(shù)數(shù)據(jù)采集時進行記錄，修正參數(shù)選擇時應根據(jù)備料的管材和爐批號，選用相應爐批號的修正數(shù)據(jù);但這在實際生產(chǎn)中有極大的困難：首先，目前國內(nèi)管材廠商在交付時，基本沒有逐根管子進行爐批號標記，船廠內(nèi)部物流管理也很難做到增加這個標記。在試彎采集修正參數(shù)及實際下料過程中幾乎無法有效獲得當前管材爐批號數(shù)據(jù)，因此管材的爐批號問題只好忽略，不納入考量因素。

國內(nèi)有船廠在實施先焊后彎工藝時，采用固定供應商，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。

7 修正后的工藝性檢查

當前設(shè)計軟件輸出的數(shù)據(jù)都是按先彎后焊模式，彎管程序通常已經(jīng)進行了彎管工藝性校核，按先焊后彎修正數(shù)據(jù)后，部分數(shù)據(jù)發(fā)生變化，需要再次校核計算以免生產(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。

先焊后彎時彎管機上夾持管件端部的附件（法蘭或套管），長度方向的定位基準是附件的端面，管件的總長度大于管材長度，因此彎管程序的管子總長、首直段送進長度都要進一步修正，增加因端部附件產(chǎn)生的長度增量。

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

8 一種簡易的彎管測量方法

前述的參數(shù)采集需要大量測量彎后管子，傳統(tǒng)的手工測量效率低、精度低。為此，提出一種簡易快速的測量方法：采用一個簡易裝置，將不易直接測量的管點長、彎曲角度等，通過4個輔助測量方塊，轉(zhuǎn)換成易于直接測量的坐標值和直線長度，再經(jīng)計算得到管點長、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個平臺安裝于平臺左、下兩個側(cè)邊的相互垂直的基準板和4個頂部標記中心點的輔助測量方塊構(gòu)成。

（2）測量步驟

將彎管的末直段貼緊下邊的基準板B，4個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量基線長，2#、3#的內(nèi)側(cè)邊分別對齊彎管時標記的起止彎點。

（3）測量計算

使用丁字尺及直尺測量4個輔助方塊中心點在基準板AB構(gòu)成的坐標系的XY坐標，管子直徑D;S1、S2長度，經(jīng)計算求得兩個直段長、兩個管點長、彎曲角度、止彎點偏移。

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

9 起止彎點標記工具

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

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

彎模緊固墊片應予更換，內(nèi)徑應盡量貼合緊固螺栓，以保證定位精度。多臺彎管機可以統(tǒng)一墊片外徑，適宜的尺寸設(shè)計可實現(xiàn)一套工具適用于多臺彎管機。

10 小結(jié)

先焊后彎是一種高效生產(chǎn)模式，其有效實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)計放樣的軟件需輸出完整的彎管程序等所需數(shù)據(jù);測量計算采集大量的修正參數(shù);生產(chǎn)前對彎管程序、下料長度進行修正，并驗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，并在下料前獲取實際材料的精確規(guī)格。依此進行修正，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，都必須有相應的信息化手段支持，靠人工進行這種規(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，能有效保證精度和效率;若配套直管白動化裝焊生產(chǎn)線，并在一個車間制造執(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

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

[2]鄒雙桂管子彎曲成形的機理分析[J]廣東造船，2013，32（05）.