焊管内毛刺清除过程的数值模拟及在线监测

・５０・　焊管．第３３卷第４期．２０１０年４月　●经验交流　焊管内毛刺清除过程的　数值模拟及在线监测　李大龙，柴　昊，于恩林　（燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛０６６００４）　摘要：基于塑性有限元基本理论，以ＤＥＦＯＲＭ有限元分析软件为平台，对刮削法清除内毛　刺的过程进行了模拟仿真。通过模拟得出了不同刮削条件下变形区的应力分布情况，并根据　模拟结果分析了各种因素对刮削力大小的影响规律。为确定合理的刀具和工艺参数提供了理　论依据。最后，利用数值模拟结果，设计了内毛刺刮削状况的在线监测装置。　关键词：焊管内毛刺；刮削法；有限元法；刮削力；在线监测　中图分类号：ＴＧ４４１．８文献标志码：Ａ文章编号：１００１—３９３８（２０１０）０４—００５０—０５　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｎ－ｌｉｎｅ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｗｅｌｄｅｄ　Ｐｉｐｅ　Ｉｎｎｅｒ　Ｂｕｒｒ　Ｒｅｍｏｖａｌ　Ｕ　Ｄａ—ｌｏｎｇ，ＣＨＡＩ　Ｈａｏ，ＹＵ　Ｅｎ－ｌｉｎ　（Ｔｈｅ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｓｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｍｉｔｙ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ　０６６００４，Ｈｅｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｕｓｉｎｇ　ｓｋｉｖｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｒｅｍｏｖｅ　ｉｎｎｅｒ　ｂｕｒｒ　ｗａｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ＦＥＭ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＤＥＦＯＲＭ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍｅｄ　ａｒｅａ　ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｋｉｖｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｒｕｌｅ　ｏｆ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｔｏ　ｓｋｉｖｉｎｇ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ，ｗｈｉｃｈ　ｗｉｌｌ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｅｖｉｄｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｄｅｆｉｎｉｎｇ　ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ　ｃｕｔｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ　ｏｎ—ｌｉｎｅ　ｍｏｎｉ－　ｔｏｔｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｎｅｒ　ｂｕｒｒ　ｓｋｉｖｉｎｇ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｅｌｄｅｄ　ｐｉｐｅ　ｉｎｎｅｒ　ｂｕｒｒ；ｓｋｉｖｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ；ｓｋｉｖｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ；ｏｎ－ｌｉｎｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　０前言　笔者采用有限元法对刮削去毛刺过程进行了　数值模拟，以获得各参数对刮削力的影响规律，为　ＨＥＷ焊管生产过程中，成型后的管坯经过感　刀具的设计和刮削工艺参数的设定提供理论依据。　应线圈时，由于高频电流的作用，带钢边缘金属快　速熔化并挤压，部分熔化的金属被挤出，焊管内壁　１　ｉｉＵ￣ｉ０内毛刺过程的有限元分析　挤出的金属就会形成焊缝内毛刺。内毛刺在很大　１．１有限元模型的建立　程度上影响了ＨＦＷ焊管的使用范围…。　刮削过程模拟时，由于刀具的硬度比工件的　目前，刮削去毛刺的方法因其精度高、调整灵　硬度高得多，因此建模中，将刀具看作刚体。工件　活方便、品质可靠稳定且价格低等因素，在生产中　材料选择美国标准牌号为ＡＩＳＩ１０４５的碳钢，其材　得到了广泛的应用　Ｊ。刮削法清除内毛刺时，由于　料成分及物理性能与４５钢近似。由于ＤＥＦＯＲＭ　刀具受刮削力作用会产生刮削热　－４　Ｊ，从而影响刀　软件中没有自带的绘图功能，因此在模拟前先用　具的耐磨性、耐用度、加工精度和焊管已加工的表　三维绘图软件ＳＯＬＩＤＷＯＲＫＳ建立模型，以ＳＴＬ文　面质量。因此，研究刮削力的变化规律有助于分析　件格式导入ＤＥＦＯＲＭ软件中。　内毛刺清除过程，对生产实践有重要的指导意义。　刮削过程模型如图１所示，模型分为３个部　第３３卷第４期　李大龙等：焊管内毛刺清除过程的数值模拟及在线监测　・５１・　分，即环形刀、管材有焊缝部分和管材无焊缝部　分。在模拟过程中，如果对整个焊管划分网格，就　增加了无谓的运算量，所以在构建模型时，分２部　分建立钢管模型，导人ＤＥＦＯＲＭ之后，只对有焊　缝的部分进行有限元网格划分，无焊缝的部分仅　作几何位置的参考。在模拟过程中材料有较大的　变形，所以应选择稳定性较好的单元类型，这里选　用４节点四边形三维实体单元，并对焊缝处采用　局部网格细化。　图２刮削过程平面图　表１刀具及管材几何参数　管材管材毛刺毛刺刀具对刀　刮削　刀具与　直径壁厚　高宽／内径点高度速度／　焊管轴线　Ｄ／ｍｍ　ｈ／ｍｍ　８／ｍｍ　ｎｌｌＴｌ　ｄ／ｍｍ　ｌ／ｒａｍ（ｒｅ￣ｒａｉｎ）夹角　（。）　７６　７　２．５　４　２２　０　３０　５５　图１刮削过程模型图　建模时设置管材固定，环形刀以一定速度前进　来实现刮削过程。材料的物理性能（热传导系数、　图３稳定刮削阶段等效应力图　热容和热膨胀系数）随温度变化，变形抗力是热力　学参数（变形程度、变形速度和变形温度）的函数，　１．２各参数对刮削力的影响　这些数据均可从ＤＥＦＯＲＭ数据库中读取　。刮削　１．２．１　刀具与焊管轴线夹角　对刮削力的影响　过程平面图如图２所示。模拟过程所采用刀具及　刮削力随　角变化的行程曲线如图４所示。　焊管几何参数见表１。刮刀切人到毛刺内部进入　图４（ａ）为轴向刮削力随　角的变化曲线，从图中　稳定刮削状态后的等效应力图如图３所示。　可以看出，轴向刮削力先迅速上升，达到一定程度　刀具轴向位移／ｍｍ　刀具轴向位移／ｍｍ　（ａ）轴向　（ｂ）径向　图４刮削刀随　角变化的行程曲线　・５２・　焊　管　２０１０年４月　以后，逐渐在某一范围波动，随着　角的增大，刀　具所受轴向刮削力明显增大；图４（ｂ）为径向刮削　力随　角的变化曲线，从图中可以看出，刀具所受　径向刮削力要比轴向小，随着　角的增大，刀具所　受径向刮削力也明显增大。　模拟结果显示刮削过程中刮刀所受径向力与　轴向力的变化趋势大致相似，只是在数值上稍小　一些，因此，笔者在下面的分析中，只对平稳刮削　阶段时刀具所受轴向力进行分析。　１．２．２刀具后角　对刮削力的影响　分别取刀具后角　为１０。和１５。进行模拟比　较，后角　不同时刀具轴向刮削力的变化曲线如　图５所示。从模拟结果可以看出，当后角　从　１０。增大到ｌ５。时，轴向刮削力有了一定程度的减　小。由于生产中过大的后角将削弱刮削刃的强　度，导致崩刃，因此确定刀具后角时应该综合考虑　焊管的尺寸、刀刃的强度、排屑情况以及黏刀和毛　刺堆积等情况　。　图５不同后角　时轴向刮削力的变化曲线　１．２．３刮削速度　对刮削力的影响　不同刮削速度下的轴向刮削力变化曲线如图　６所示，刮削速度分别为　＝３０　ｍ／ｍｉｎ，　＝６０　ｍ／ｍｉｎ　图６不同刮削速度下轴向刮削力的变化曲线　和　＝９０　ｍ／ｍｉｎ。模拟结果显示，随着刮削速度的　提高，刀具受轴向刮削力的变化量不是很大，刮削　速度每提高３０　ｍ／ｍｉｎ，刮削力大约会升高０．１　ｋＮ。　１．２．４刀具内径ｄ对刮削力的影响　从几何角度分析，刀具内径与焊管内壁弧线　形状越接近，刮削效果越好。但对于小直径焊管　来说，由于内部结构狭窄，刀具半径的大小必然会　受到一定的限制，而且刀具半径的选择也受刀架　强度和刚度制约。　刮刀内径不同时轴向刮削力的变化曲线如　图７所示，刮刀内径分别为ｄ＝１６　ｍｍ和ｄ＝　２２　ｍｍ。从图中可以看出，刀具内径增大６　ｍｍ后，　轴向刮削力的增长幅度很大，大约为１　ｋＮ。这是　因为随着刀具内径的增大，刀刃与毛刺的接触面　积变大，刮下来的毛刺体积就会增多，刮削过程所　受的阻力也相应提高。　图７不同刮刀内径时轴向刮削力的变化曲线　１．２．５对刀点高度Ｚ对刮削力的影响　对刀点是指环形刀刃最高点与母材焊缝处的　接触点。当对刀点与管材的公称内径表面点完全　重合时（ｚ＝０），刮削效果最好；对刀点低于管材的　公称内径表面点时（ｚ为负值），会留有残余毛刺；　对刀点高于管材的公称内径表面点（ｆ为正值），　会产生过切现象。　在刮削内毛刺的过程中，对刀点高度是决定　刮削后残余内毛刺高度最直接的因素。对刀点发　生变化时轴向刮削力的行程曲线如图８所示。从　图中可以看出，当对刀点偏低，即刮削不完全时，　轴向刮削力会明显减小；当对刀点偏高，即刮深　时，由于刀具嵌入到了管材内部，刮刀所受的力迅　速提高，轴向力可以达到１０　ｋＮ。　第３３卷第４期　李大龙等：焊管内毛刺清除过程的数值模拟及在线监测　一１＝０．５ｉｉｉｎｌ　——ｊ＝一０．５ｍｒ　—ｊ：０ｍｍ　１．５　２　２．５　３　３．５　４　４．５　５　刀具轴向位移／ＩｒＩＩＴ　】图８对刀点与轴向刮削力的关系曲线　１．２．６温度对刮削力的影响　内毛刺刮刀相对于挤压辊的位置，直接关系　到内毛刺被刮削时的温度状态。刮刀离挤压辊越　近，刮削时内毛刺的温度越高，越容易刮削，反之　亦然。因此，在内毛刺清除过程中，焊缝冷却时间　长短也是影响刮削力的一个重要因素。选择冷却　时间分别为０．２　Ｓ，０．１５　Ｓ和０．１　ｓ进行分析，根据　温度场数值模拟结果可知，冷却时间为０．１　ｓ时，　焊缝处最高温度点为９６０℃；冷却时间延长到　０．１５　ｓ时，最高温度点为８２５℃；冷却时间增加到　０．２　Ｓ时，最高温度点减小为７３５℃。　冷却时间对轴向刮削力的影响曲线如图９所　示。从图中可以看出，随着冷却时间延长，刀具所　受轴向力明显增大，时间每延长０．１　Ｓ，轴向刮削　力大约增加１　ｋＮ。在常温状态下（即离线刮削），　轴向力达到了８．５　ｋＮ。　图９冷却时间对轴向刮削力的影响曲线　２焊管内毛刺清除在线监测装置　ＨＦＷ焊管内毛刺在线清除不但过程复杂，而　且由于其工作环境的限制，监测起来也很困难，内　毛刺在线清除质量只有在切断钢管以后才能观察　到。刮刀对刀点直接影响着内毛刺去除后的残余　高度，即影响着内毛刺的刮削质量。模拟结果显　示，在刮削过程中刮削速度对轴向刮削力的影响　不大，此时轴向刮削力主要受对刀点高度影响。　根据去除内毛刺的精度要求，设定对刀点的变化　范围，再利用数值模拟来确定轴向刮削力的变化　范围，就可以通过对轴向刮削力的在线测量来监　测刮削装置的运行情况，从而间接测量内毛刺清　除后的残余高度。按照以上设计思路，在内毛刺　在线清除装置的连接拉杆上贴上应变片，组成一　个全桥电路。采集全桥电路输出的电压信号，经　滤波后将该模拟信号放大，用Ａ／Ｄ模数转换器将　模拟电压信号转化为数字信号，接入单片机，利用　单片机来监测该电压值的变化状况。在整个监测　装置中设置三组数码管，分别显示数值模拟轴向　刮削力的最大值、最小值以及当前轴向刮削力的　测量值。当轴向刮削力超出限定范围时，蜂呜器　持续发声报警，从而实现了内毛刺刮削质量的在　线监测。焊管内毛刺清除在线监测装置电路系统　总体方案如图１０所示。　采集全桥电路Ｉ　Ｉ　数码管　—Ｔ一　电压输出信号Ｉ　Ｉ显示刮削力值　一　放大电路　放大电压信号　单片机对信号进　鲎　综合处理，判断　刮１　Ａ／Ｄ将电压信号　削力是否正常　数字开关　障换为数字信鼍　控制边界值　图１０在线监测装置电路系统框图　３　结论　（１）运用ＤＥＦＯＲＭ软件，定量研究了刀具和　工艺参数对刮削力的影响。并依据刮削轴向力的　数值模拟结果，设计制造了刮削装置运行情况及　刮削质量的在线监测装置。　（２）根据模拟结果可以看出，对刀点高度、冷　却时间、刀具内径的变化都会引起刮削力产生很　大的变化；刀具轴线与焊管轴向夹角和刀具的后　角对于刮削力的影响也比较明显；刮削速度的变　化对刀具的受力情况影响不大。　（３）在刮削过程中，刀具参数不可调整，此时