引言

    隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃(CAPP)技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代加工制造業(yè)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)制定的重要輔助手段。CAPP技術(shù)包含了CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）、CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）、AI（人工智能）等技術(shù)。CAPP系統(tǒng)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用可以顯著節(jié)省企業(yè)進(jìn)行工藝規(guī)程編制的時(shí)間和成本，提高產(chǎn)品加工工藝的標(biāo)準(zhǔn)化和精準(zhǔn)化程度，降低對(duì)工藝編制人員知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的依賴，縮短新產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)周期，并不斷提高企業(yè)對(duì)產(chǎn)品市場(chǎng)需求變化的適應(yīng)能力和產(chǎn)品質(zhì)量的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

    本文基于對(duì)大型直縫焊管JCOE成形工藝各成形過(guò)程的理論研究結(jié)果，和國(guó)內(nèi)某企業(yè)JCOE成形生產(chǎn)線對(duì)大型直縫焊管成形工藝設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)制定的實(shí)際需求，利用VC++6.0軟件編程工具，開發(fā)了大型直縫焊管管坯JCOE成形CAPP系統(tǒng)主要功能模塊，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了JCOE成形主要工藝參數(shù)理論計(jì)算、預(yù)測(cè)等基本功能。并結(jié)合某一規(guī)格型號(hào)大型直縫焊管實(shí)例，驗(yàn)證了該系統(tǒng)主要功能模塊在JCOE成形工藝參數(shù)制定和預(yù)測(cè)中的可行性。

1 系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)

    大型直縫焊管JCOE成形CAPP系統(tǒng)采用Visual C++6.0軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，在系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中，重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)JCOE成形過(guò)程所需要準(zhǔn)確控制的工藝參數(shù)的理論計(jì)算、預(yù)測(cè)和規(guī)劃功能。系統(tǒng)的核心是將JCOE成形工藝各成形過(guò)程理論解析過(guò)程和推導(dǎo)結(jié)果，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件程序?qū)崿F(xiàn)。因此，管坯JCOE成形過(guò)程中的主要成形工藝參數(shù)的理論計(jì)算與預(yù)測(cè)功能是該系統(tǒng)的核心功能，這部分功能的算法程序也是系統(tǒng)主程序部分，CAPP系統(tǒng)功能流程如圖1所示。

圖1 JCOE成形CAPP系統(tǒng)功能流程圖

2 系統(tǒng)功能需求

    2.1 系統(tǒng)基本參數(shù)輸入和設(shè)置模塊

    2.1.1 焊管規(guī)格參數(shù)輸入與設(shè)定

    大型直縫焊管的主要規(guī)格參數(shù)有焊管公稱直徑Do/mm、焊管公稱壁厚t/mm和焊管公稱長(zhǎng)度l/mm。

    2.1.2 材料性能參數(shù)的輸入與設(shè)定

    管線鋼雙線性硬化模型材料性能參數(shù)主要有材料彈性模量E/MPa、材料塑性切線模D/MPa和材料屈服極限應(yīng)力σo/MPa。

    2.1.3 成形模具參數(shù)的輸入與設(shè)定

    系統(tǒng)所用JCOE成形各工藝的成形模具型號(hào)和參數(shù)數(shù)據(jù)，均來(lái)自某大型直縫焊管管坯成形生產(chǎn)實(shí)際。其中預(yù)彎模具共有5套（模具編號(hào)1#～5#），生產(chǎn)實(shí)際中常用的是3#模具。管坯JCO成形模具有3套（模具編號(hào)1#～3#）。機(jī)械擴(kuò)徑模具有3套（模具編號(hào)61#～63#）。

    板邊預(yù)彎成形模具參數(shù)主要有預(yù)彎上模漸開線基圓半徑rp/mm、預(yù)彎下模漸開線基圓半徑rd/mm、模具開始漸開線角度as/°、模具結(jié)束漸開線角度ae/°、板邊最大彎曲角度Ymax/°、模具寬度/mm、模具高度/mm和模具適用焊管管徑范圍/mm。

    管坯JCO成形模具參數(shù)主要有成形上模圓角半徑Rp/mm、成形下模圓角半徑Rd/mm和兩成形下模間距L/mm。下模間距L是指兩個(gè)成形下模圓角圓心之間的1/2距離。

    機(jī)械擴(kuò)徑模具參數(shù)主要有模具擴(kuò)徑頭瓣模數(shù)n、模具擴(kuò)徑頭瓣模縱向長(zhǎng)度B/mm、模具擴(kuò)徑頭表面法線和水平坐標(biāo)的夾角r/°、擴(kuò)徑頭最大外徑Rmax/mm、擴(kuò)徑頭最小外徑Rmin/mm和擴(kuò)徑頭收縮量，即最大擴(kuò)徑行程Smax/mm。

    2.1.4 在JCOE成形CAPP系統(tǒng)運(yùn)行和使用過(guò)程所需的直接和間接參數(shù)設(shè)置

    這些直接參數(shù)主要包括擴(kuò)徑率δ及對(duì)應(yīng)的管坯應(yīng)力eE和應(yīng)變σe，以及摩擦系數(shù)μJCO成形道次N和管坯下料寬度C/mm。

    2.2 JCOE成形工藝參數(shù)理論計(jì)算模塊

    2.2.1 管坯板料下料寬度C計(jì)算

    根據(jù)最終成形焊管的規(guī)格尺寸參數(shù)要求，考慮管坯在機(jī)械擴(kuò)徑過(guò)程中的回彈因素，需選擇合適的機(jī)械擴(kuò)徑率δ，繼而根據(jù)材料性能參數(shù)、應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，得到管坯在機(jī)械擴(kuò)徑過(guò)程中所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變，就可以計(jì)算出在選定擴(kuò)徑率δ條件下的管坯板料下料寬度C/mm。

    2.2.2 板邊預(yù)彎成形工藝參數(shù)理論計(jì)算

    該子模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能有預(yù)彎邊長(zhǎng)度Bo/mm計(jì)算、預(yù)彎邊彈復(fù)后角度/°計(jì)算、板邊最終預(yù)彎成形力P1/mm計(jì)算和管坯板邊預(yù)彎成形過(guò)程示意圖顯示。其中，輸入?yún)��?shù)“板邊端部直邊長(zhǎng)度”等于板料（管坯）厚度t/mm。

    2.2.3 管坯JCO成形工藝參數(shù)理論計(jì)算

    該子模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能有成形上模壓下行程h/mm計(jì)算、成形上模壓力P2/mm計(jì)算、管坯JCO成形步長(zhǎng)Lo/mm計(jì)算和管坯JCO成形過(guò)程示意圖形顯示。

    2.2.4 機(jī)械擴(kuò)徑成形工藝參數(shù)理論計(jì)算

    該子模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能有不同擴(kuò)徑率下擴(kuò)徑模具徑向位移，即擴(kuò)徑行程Se/mm的計(jì)算、對(duì)通過(guò)任一成形方式成形而成的管坯擴(kuò)徑后管坯截面形狀參數(shù)的預(yù)測(cè)計(jì)算，即長(zhǎng)半軸a、短半軸b、橢圓度β（擴(kuò)徑前管坯初始形狀參數(shù)已知）的預(yù)測(cè)計(jì)算、管坯擴(kuò)徑最終擴(kuò)徑力P3/N的計(jì)算和管坯機(jī)械擴(kuò)徑成形過(guò)程示意圖形顯示。

    2.2.5 JCO成形最少道次理論計(jì)算

    該子模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能是，在JCO成形、擴(kuò)徑模具參數(shù)和擴(kuò)徑率已定的條件下，計(jì)算出管坯JCO成形最少道次Nmin，為后續(xù)結(jié)合模擬仿真軟件和管坯最終成形質(zhì)量要求，規(guī)劃出管坯JCO成形的最佳道次范圍提供依據(jù)。

    2.3 JCOE成形工藝參數(shù)計(jì)算結(jié)果輸出

    此模塊是將上述功能模塊計(jì)算出的JCOE成形工藝參數(shù)結(jié)果統(tǒng)一的顯示和輸出，如管坯下料寬度C/mm、板邊預(yù)彎長(zhǎng)度Bo/mm等參數(shù)，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)管坯JCOE成形工藝參數(shù)理論計(jì)算和預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行保存（txt、word或者excel文件等文件格式）、導(dǎo)出和打印等輸出功能需求。

3 JCOE成形CAPP系統(tǒng)功能

    3.1 系統(tǒng)基本參數(shù)輸入與設(shè)定

    本系統(tǒng)所需輸入的JCOE成形的基本參數(shù)數(shù)據(jù)包括4部分。

    1)管坯材料類型基本參數(shù)（鋼級(jí)種類、材料硬化模型、性能參數(shù)）；

    2)所要成形焊管公稱規(guī)格幾何尺寸參數(shù)（直徑、壁厚、長(zhǎng)度）；

    3)JCOE成形工藝各成形工序（板邊預(yù)彎、JCO成形、機(jī)械擴(kuò)徑）模具基本參數(shù)；

    4)相關(guān)直接或間接參數(shù)。系統(tǒng)基本參數(shù)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)基本參數(shù)列表界面

    3.2 成形工藝規(guī)劃

    3.2.1 預(yù)彎成形工藝參數(shù)計(jì)算

    根據(jù)對(duì)管坯板邊預(yù)彎成形工藝過(guò)程的理論解析結(jié)果，在管坯規(guī)格尺寸、板邊預(yù)彎成形模具參數(shù)和預(yù)彎?rùn)C(jī)設(shè)備成形能力已定的情況下，板邊預(yù)彎邊長(zhǎng)度是影響和制約板邊預(yù)彎成形質(zhì)量的關(guān)鍵工藝參數(shù)。預(yù)彎邊長(zhǎng)度的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)可以保證預(yù)彎邊長(zhǎng)度成形后所對(duì)應(yīng)的曲率半徑與最終生產(chǎn)的合格大口徑直縫焊管規(guī)格要求的曲率半徑保持基本一致。預(yù)彎工藝參數(shù)計(jì)算界面如圖3所示。

圖3 預(yù)彎工藝參數(shù)計(jì)算界面

    3.2.2 JCO成形工藝參數(shù)計(jì)算

    JCO成形工藝是整個(gè)管坯成形過(guò)程中最關(guān)鍵的成形工序，該工序成形工藝參數(shù)的準(zhǔn)確制定直接制約著管坯的成形質(zhì)量。管坯JCO成形單道次三點(diǎn)彎曲成形工藝參數(shù)的理論計(jì)算預(yù)測(cè)界面如圖4所示。

圖4 JCO成形工藝參數(shù)計(jì)算界面

    3.2.3 機(jī)械擴(kuò)徑成形工藝參數(shù)計(jì)算

    對(duì)于通過(guò)任意成形方式（包括JCO、UOE、CFE、RBE、PFE等）成形的管坯，只要已知管坯橫截面初始形狀（例如管坯橫截面中性層橢圓度、周長(zhǎng)、長(zhǎng)半軸a、短半軸b等）參數(shù)、材料性能參數(shù)、擴(kuò)徑模具幾何參數(shù)、擴(kuò)徑模具與管坯內(nèi)壁之間摩擦系數(shù)和擴(kuò)徑率等條件，就可以利用理論分析結(jié)果計(jì)算預(yù)測(cè)擴(kuò)徑后管坯的橫截面形狀尺寸參數(shù)（橢圓法）和模具擴(kuò)徑行程、最終擴(kuò)徑力等工藝參數(shù)。管坯機(jī)械擴(kuò)徑成形工藝參數(shù)理論計(jì)算程序界面如圖5所示。

圖5 擴(kuò)徑工藝參數(shù)計(jì)算界面

    3.2.4 管坯JCO成形最少道次計(jì)算

    根據(jù)關(guān)于管坯JCO成形最少道次的理論解析結(jié)果，在所要成形管坯規(guī)格、擴(kuò)徑模具參數(shù)已知和擴(kuò)徑率已選定的條件下，可計(jì)算出JCO成形最少道次Nmin，其計(jì)算界面如圖6所示。

圖6 Nmin和δmax計(jì)算界面

    3.2.5 成形工藝參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果輸出

    通過(guò)以上計(jì)算，可以對(duì)大型直縫焊管JCOE成形各主要工藝參數(shù)的理論預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一顯示和輸出，以方便工廠實(shí)際生產(chǎn)中工藝設(shè)計(jì)人員制定整個(gè)生產(chǎn)工藝流程和參數(shù)表。管坯JCOE成形CAPP系統(tǒng)工藝參數(shù)理論計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果顯示和輸出界面如圖7所示。

圖7 成形工藝參數(shù)計(jì)算結(jié)果輸出界面

4 CAPP系統(tǒng)理論預(yù)測(cè)成形工藝參數(shù)

    通過(guò)本文開發(fā)出的CAPP系統(tǒng)，對(duì)X70鋼級(jí)規(guī)格為φ1067mm×19.1mm×12200mm大型直縫焊管，分別用不同JCO成形道次進(jìn)行預(yù)測(cè)，各主要成形工藝參數(shù)理論計(jì)算預(yù)測(cè)值如表1所示。隨著成形道次的減少，板坯預(yù)彎邊長(zhǎng)度逐漸增大，在道次大于17以上的道次成形中，預(yù)彎邊長(zhǎng)度基本相同，說(shuō)明隨著道次越來(lái)越多，板坯預(yù)彎邊長(zhǎng)度對(duì)成形道次數(shù)已經(jīng)不敏感。根據(jù)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)JCO最少成形道次計(jì)算模塊可以算出，當(dāng)成形模具參數(shù)已定的條件下，該管坯的最少成形道次是9。在成形道次少于19時(shí)，壓下量理論預(yù)測(cè)和仿真結(jié)果誤差小于2%。

表1 通過(guò)CAPP系統(tǒng)理論預(yù)測(cè)的成形工藝參數(shù)

5 結(jié)論

    現(xiàn)有JCOE成形方案的制定基本依靠已知系列規(guī)格的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且多年不變，很大程度上制約了工藝的改進(jìn)和新產(chǎn)品的開發(fā)。通過(guò)搭建CAPP系統(tǒng)平臺(tái)，使經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明的理論付諸于工程應(yīng)用，對(duì)具體理論只需更改后臺(tái)計(jì)算程序，而對(duì)于工藝制定人員參數(shù)界面沒(méi)有變化。

    該平臺(tái)包含了多種工藝的參數(shù)傳遞，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)彎、JCO成形壓下量、成形道次、擴(kuò)徑等工藝間的數(shù)據(jù)共享，工藝流程中工藝參數(shù)的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)可以提高設(shè)計(jì)效率。

    直觀的界面設(shè)計(jì)和參數(shù)化計(jì)算，可以在較短時(shí)間內(nèi)提供多種方案，該系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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