曹国富

（广东省江门市俭美实业有限公司，广东 江门529000）

直缝焊管用轧辊虚拟制造技术

曹国富

（广东省江门市俭美实业有限公司，广东 江门529000）

为了使焊管生产满足多元化的市场需求，提高焊管生产效率、降低制造成本，提出了轧辊虚拟制造技术，分析了焊管用轧辊虚拟制造技术的特点、体系结构、关键技术以及与轧辊实际制造的关系，指出该技术与实际焊管生产相结合，能以较短的产品开发周期、优质的产品质量、较好的技术支持与售后服务和低廉的制造成本设计出轧辊，从而满足焊管生产中对不同规格、形状轧制的需求。轧辊虚拟制造技术的成果转化将给焊管生产和经营管理注入新的活力，更好地服务于焊管生产。

焊管；轧辊；虚拟制造；孔型设计；关键技术

1 轧辊虚拟制造技术

1.1 轧辊虚拟制造技术简介

轧辊虚拟制造技术是指在计算机网络及虚拟环境中，利用制造系统各层次和不同侧面的数学模型，对包括轧辊孔型设计、制造、使用与管理等各个环节的技术方案和技术策略进行模拟、评估与优化的综合过程。以高逼真度仿真轧辊形成和轧辊工作过程为特色，来建立与轧辊相关的各种模型。

1.1.1 轧辊虚拟制造技术的四种模型

（1）建立用计算机语言表示的轧辊参数、孔型参数、设备参数、管坯参数等产品模型，实现只需将所要开发的焊管断面形状输入计算机，就能自动生成该焊管用的各道次轧辊孔型。

（2）建立与轧辊有关的孔型设计、工艺规划、加工制造、装配拆卸以及性能分析的各种过程模型。

（3）建立与企业生产组织和轧辊销售有关的活动模型。

（4）建立与轧辊制造如锻坯、热处理、精加工企业的人力、物力和财力资源模型。

1.1.2 轧辊虚拟制造技术中的高逼真度仿真

将仿真技术引入轧辊孔型设计模型，提供轧辊与变形管坯成型过程的虚拟环境，并对仿真过程进行优化，使焊管用轧辊孔型更加符合焊管坯变形规律和生产实际的需要。

1.2 轧辊虚拟制造技术的特点

1.2.1 高度集成

将轧辊孔型设计、孔型优化、孔型应用等集成在由计算机网络构成的一个虚拟环境中，并在这个虚拟环境中利用与轧辊有关的虚拟模型进行虚拟轧辊制造、加工和测试；同时，根据轧辊孔型设计具有理论与经验并重的特征，甚至可以邀请用户、售后、焊管操作工以及其他技术人员一起“进入”虚拟制造环境中，对轧辊提出修改和优化建议。可将大量“产成品”——轧辊设计方案存储在计算机网络中，随时根据市场需要投入生产，可大幅缩短复杂断面异型管的开发时间，降低新产品的开发成本，提高新产品的一次成功率。

1.2.2 更改灵活、成本低廉

在尚未形成实物轧辊的虚拟制造环境中，企业可根据客户要求或市场变化，即时、迅速、低成本地更改轧辊断面形状。然而，在传统制造中，若要实现轧辊孔型形状的改变，便意味着原有轧辊报废，前期投入的人力物力瞬间成为徒劳。

1.2.3 跨区域合作

传统轧辊设计受设计师个人知识与经验限制，导致所设计的轧辊在使用过程中难免会出现各种问题和缺陷。虚拟制造能够不受时间、空间制约，汇聚IT专家、材料专家、力学专家、工艺专家、设计师和实践经验丰富的操作工在同一虚拟网络平台上相互交流、信息共享，集思广益，为优质、高效、低耗地生产出实物轧辊及其焊管提供保证。

2 轧辊虚拟制造技术的体系结构

2.1 轧辊虚拟开发平台

2.1.1 虚拟轧辊孔型设计

运用软件与模型对包括焊管成型、焊接、定径过程进行有限元分析、运动学分析、动力学分析和金属弹塑性变形分析等，并在此基础上利用CAD与相关软件，如德国data M公司的COPRA软件，只需输入最终焊管断面轮廓，就可自动计算出母管尺寸、用料宽度并绘制出各道轧辊孔型的中间尺寸。图1为异边矩形管线性拓扑成圆变异图。 图1中， 点 A→A′、B→B′……H→H′等一一呈现线性拓扑关系，虚拟制造成图路径为9→1，实际制造路径则是1→9。

图1 18 mm×22 mm×44 mm异边矩形管线性拓扑成圆变异图

2.1.2 虚拟轧辊加工

轧辊虚拟加工由单个轧辊孔型工艺优化、轧辊加工工艺过程优化、辅助成型工具设计优化及轧辊加工过程优化等构成。目的是通过此过程，为现实的工艺计划和生产计划生成、工艺资源落实与评价等提供一个载体，以便能够及时发现实际制造中可能发生的问题并加以解决。

2.1.3 虚拟轧辊安装

轧辊虚拟加工包括虚拟换辊工艺规划、虚拟换辊路径和虚拟换辊质量检验等，排除实际换辊时可能发生的机组与轧辊、轧辊与管坯相互干涉因素，为顺利调试出成品焊管做好准备工作。

2.2 轧辊虚拟生产平台

2.2.1 虚拟布局

虚拟布局包括虚拟轧辊生产环境、虚拟轧辊生产动态过程与优化轧辊生产环境及实现时间资源和物流资源在现实区域内合理分配，确保轧辊实际生产过程能够顺利进行。

2.2.2 虚拟设备

虚拟设备主要包括虚拟数控机床（CNC）等集成支承环境和优化集成方案，虚拟对经过淬火与低温回火后的轧辊及其孔型进行精加工，并对虚拟轧辊进行检验。

2.2.3 虚拟调度

模拟从轧辊开坯到成品轧辊生产全过程，并对该过程进行调度、纠偏与优化。

2.3 虚拟轧辊生产企业平台

2.3.1 虚拟各企业协同工作环境

虚拟各企业协同工作环境包括支持异地设计、异地开坯锻打、异地热处理、异地粗精加工、组合和品质检测环境等。

2.3.2 虚拟企业动态组合

将不同性质、不同类型、不同地域的关联企业集成在一个虚拟“公司”环境下，对轧辊生产实行统一组织、统一指挥、统一调度，达到最大限度地整合及利用各种资源的目的。如协调异地热处理厂与异地粗精加工厂间的工作安排，缩短制品时间，确保准时交货。

2.4 三个虚拟平台之间的关系

虚拟轧辊开发平台、虚拟轧辊生产平台和虚拟企业平台虽然三者各自侧重点不同，但是它们联系紧密、信息共享，在同一个产品数据平台上被整合成有机整体，形成一个完整的轧辊虚拟制造体系架构（如图2所示）。

图2 轧辊虚拟制造体系与结构

3 轧辊虚拟制造与实际制造的区别与联系

实际制造系统是物质流及信息流在控制流的协调和控制下，在各个层次上进行相应的决策，实现从轧辊坯投入到成品轧辊产出的有效转变，其中物质流和信息流是协调工作的主体。

虚拟制造系统是在分布式协同工作等多学科技术支持的虚拟环境下实际制造系统的映射，是实际制造系统的抽象，实际制造系统是虚拟制造系统的实例。如将经过虚拟、仿真和优化的轧辊轮廓CAD设计与CAM相结合，转换为数控加工代码，通过计算机通讯接口导入数控机床（CNC），直接加工出成品轧辊。这样，不但减少编程时间和输入时间，还可保证数据传输及传输的准确性，实现轧辊从虚拟到现实的CAD/CAM/CNC一体化技术（如图3所示）。

轧辊虚拟制造与实际制造的区别与联系表现在4个方面：

图3 轧辊虚拟制造与实际制造的区别与联系

（1）虚拟是信息流加控制流；实际制造是信息流、控制流加物流，完成从辊坯到实物轧辊的转换。

（2）虚拟制造是图上作业，通过CAD视窗模拟仿真看到轧辊形成过程和工作过程，并加以优化，预先为实际制造顺利进行，清除尽可能多的障碍；实际制造是运用实物形态的机床真实地生产轧辊，并利用轧辊生产焊管，是虚拟制造的物化形态。

（3）虚拟制造可以集成材料学专家、孔型设计师、机械工程师、电气工程师和设备工程师等专家的智慧，事前尽可能为实际制造过程排除一切不利因素；实际制造则是充分利用虚拟制造的成果，同时收集、整理、反馈实际操作过程中遇到的问题，不断修正、充实、完善虚拟制造系统，为下一次更优化的实际制造打好基础。

（4）虚拟制造的参与者多为工程技术人员和客户，从理论的角度尽量满足客户提出的要求，但反映的问题有时过于理想化，缺乏实践经验和缺乏实践积累；而实际制造的参与者多为技术工人，素质参差不齐，必须要有详细的操作指引与规范，但是他们实践经验丰富，可弥补前者的不足，不过也会在实际制造过程中出现错误的情况。为此，对两个系统都必须要有清醒认识，相互取长补短，强化信息反馈与偏差纠正。

4 轧辊虚拟制造的关键技术

轧辊虚拟制造的关键技术包括轧辊虚拟设计与安装技术、虚拟轧辊实现技术、虚拟轧辊检测与评价技术、虚拟轧辊分析技术、虚拟轧辊试验技术和虚拟轧辊生产技术（如图4所示）。

图4 轧辊虚拟制造的关键技术

5 结 语

焊管用轧辊虚拟制造技术作为一门新兴技术，汇聚多门学科于一身，为焊管行业高效率、低成本地实现焊管新品种的研发与销售开拓了新途径。其与轧辊孔型设计、焊管生产结合后，必将给焊管生产技术和经营管理注入新的活力。焊管生产单位尤其要注重轧辊虚拟制造成果的转化，使之更好地服务于现实焊管生产。

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Virtual Manufacturing Technology Used for SAWL Pipe Roller

CAO Guofu
（Guangdong Jiangmen Jianmei Industry Co.,Ltd.,Jiangmen 529000,Guangdong,China）

In order to make the welded pipe manufacture meet the diversified market requirements,improve the production efficiency of welded pipe,reduce manufacturing cost,it put forward roller virtual manufacturing technology,analyzed the characteristics,system structure,key technology of the above virtual manufacturing technology,as well as the relationship with actual manufacturing.It pointed that only combine the technology with practical production,it will develop the roller in the shorter product development cycle,the high-quality product quality,the better technical support and after-sales service,and the cheap manufacturing cost,so as to meet the rolled demand for welded pipe with different specification and shape.The achievements transformation of virtual manufacturing technology will inject new vatility to welded pipe production and management,better service to welded pipe production.

welded pipe;roller;virtual manufacturing;pass design;key technology

TG332

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.06.008

曹国富（1957—），男，长期从事焊管生产工艺、孔型设计及生产管理工作，发表论文40余篇。

2016-01-26

罗 刚