引言
随着计算机科学技术的飞速发展，计算机辅助工艺规划(CAPP)技术已经成为现代加工制造业进行工艺设计和工艺参数制定的重要辅助手段。CAPP技术包含了CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAE（计算机辅助工程）、AI（人工智能）等技术。CAPP系统技术的开发和应用可以显著节省企业进行工艺规程编制的时间和成本，提高产品加工工艺的标准化和精准化程度，降低对工艺编制人员知识与经验的依赖，缩短新产品开发和生产周期，并不断提高企业对产品市场需求变化的适应能力和产品质量的市场竞争力。
本文基于对大型直缝焊管JCOE成形工艺各成形过程的理论研究结果，和国内某企业JCOE成形生产线对大型直缝焊管成形工艺设计和工艺参数制定的实际需求，利用VC++6.0软件编程工具，开发了大型直缝焊管管坯JCOE成形CAPP系统主要功能模块，该系统实现了JCOE成形主要工艺参数理论计算、预测等基本功能。并结合某一规格型号大型直缝焊管实例，验证了该系统主要功能模块在JCOE成形工艺参数制定和预测中的可行性。
1 系统开发平台
大型直缝焊管JCOE成形CAPP系统采用Visual C++6.0软件开发平台进行设计开发，在系统功能模块的设计开发过程中，重点是实现JCOE成形过程所需要准确控制的工艺参数的理论计算、预测和规划功能。系统的核心是将JCOE成形工艺各成形过程理论解析过程和推导结果，通过计算机软件程序实现。因此，管坯JCOE成形过程中的主要成形工艺参数的理论计算与预测功能是该系统的核心功能，这部分功能的算法程序也是系统主程序部分，CAPP系统功能流程如图1所示。
图1 JCOE成形CAPP系统功能流程图
2 系统功能需求
2.1 系统基本参数输入和设置模块
2.1.1 焊管规格参数输入与设定
大型直缝焊管的主要规格参数有焊管公称直径Do/mm、焊管公称壁厚t/mm和焊管公称长度l/mm。
2.1.2 材料性能参数的输入与设定
管线钢双线性硬化模型材料性能参数主要有材料弹性模量E/MPa、材料塑性切线模D/MPa和材料屈服极限应力σo/MPa。
2.1.3 成形模具参数的输入与设定
系统所用JCOE成形各工艺的成形模具型号和参数数据，均来自某大型直缝焊管管坯成形生产实际。其中预弯模具共有5套（模具编号1#～5#），生产实际中常用的是3#模具。管坯JCO成形模具有3套（模具编号1#～3#）。机械扩径模具有3套（模具编号61#～63#）。
板边预弯成形模具参数主要有预弯上模渐开线基圆半径rp/mm、预弯下模渐开线基圆半径rd/mm、模具开始渐开线角度as/°、模具结束渐开线角度ae/°、板边最大弯曲角度Ymax/°、模具宽度/mm、模具高度/mm和模具适用焊管管径范围/mm。
管坯JCO成形模具参数主要有成形上模圆角半径Rp/mm、成形下模圆角半径Rd/mm和两成形下模间距L/mm。下模间距L是指两个成形下模圆角圆心之间的1/2距离。
机械扩径模具参数主要有模具扩径头瓣模数n、模具扩径头瓣模纵向长度B/mm、模具扩径头表面法线和水平坐标的夹角r/°、扩径头最大外径Rmax/mm、扩径头最小外径Rmin/mm和扩径头收缩量，即最大扩径行程Smax/mm。
2.1.4 在JCOE成形CAPP系统运行和使用过程所需的直接和间接参数设置
这些直接参数主要包括扩径率δ及对应的管坯应力eE和应变σe，以及摩擦系数μJCO成形道次N和管坯下料宽度C/mm。
2.2 JCOE成形工艺参数理论计算模块
2.2.1 管坯板料下料宽度C计算
根据最终成形焊管的规格尺寸参数要求，考虑管坯在机械扩径过程中的回弹因素，需选择合适的机械扩径率δ，继而根据材料性能参数、应力应变规律，得到管坯在机械扩径过程中所对应的应力和应变，就可以计算出在选定扩径率δ条件下的管坯板料下料宽度C/mm。
2.2.2 板边预弯成形工艺参数理论计算
该子模块所要实现的功能有预弯边长度Bo/mm计算、预弯边弹复后角度/°计算、板边最终预弯成形力P1/mm计算和管坯板边预弯成形过程示意图显示。其中，输入参数“板边端部直边长度”等于板料（管坯）厚度t/mm。
2.2.3 管坯JCO成形工艺参数理论计算
该子模块所要实现的功能有成形上模压下行程h/mm计算、成形上模压力P2/mm计算、管坯JCO成形步长Lo/mm计算和管坯JCO成形过程示意图形显示。
2.2.4 机械扩径成形工艺参数理论计算
该子模块所要实现的功能有不同扩径率下扩径模具径向位移，即扩径行程Se/mm的计算、对通过任一成形方式成形而成的管坯扩径后管坯截面形状参数的预测计算，即长半轴a、短半轴b、椭圆度β（扩径前管坯初始形状参数已知）的预测计算、管坯扩径最终扩径力P3/N的计算和管坯机械扩径成形过程示意图形显示。
2.2.5 JCO成形最少道次理论计算
该子模块所要实现的功能是，在JCO成形、扩径模具参数和扩径率已定的条件下，计算出管坯JCO成形最少道次Nmin，为后续结合模拟仿真软件和管坯最终成形质量要求，规划出管坯JCO成形的最佳道次范围提供依据。
2.3 JCOE成形工艺参数计算结果输出
此模块是将上述功能模块计算出的JCOE成形工艺参数结果统一的显示和输出，如管坯下料宽度C/mm、板边预弯长度Bo/mm等参数，并且实现对管坯JCOE成形工艺参数理论计算和预测结果进行保存（txt、word或者excel文件等文件格式）、导出和打印等输出功能需求。
3 JCOE成形CAPP系统功能
3.1 系统基本参数输入与设定
本系统所需输入的JCOE成形的基本参数数据包括4部分。
1)管坯材料类型基本参数（钢级种类、材料硬化模型、性能参数）；
2)所要成形焊管公称规格几何尺寸参数（直径、壁厚、长度）；
3)JCOE成形工艺各成形工序（板边预弯、JCO成形、机械扩径）模具基本参数；
4)相关直接或间接参数。系统基本参数如图2所示。
图2 系统基本参数列表界面
3.2 成形工艺规划
3.2.1 预弯成形工艺参数计算
根据对管坯板边预弯成形工艺过程的理论解析结果，在管坯规格尺寸、板边预弯成形模具参数和预弯机设备成形能力已定的情况下，板边预弯边长度是影响和制约板边预弯成形质量的关键工艺参数。预弯边长度的准确预测可以保证预弯边长度成形后所对应的曲率半径与最终生产的合格大口径直缝焊管规格要求的曲率半径保持基本一致。预弯工艺参数计算界面如图3所示。
图3 预弯工艺参数计算界面
3.2.2 JCO成形工艺参数计算
JCO成形工艺是整个管坯成形过程中最关键的成形工序，该工序成形工艺参数的准确制定直接制约着管坯的成形质量。管坯JCO成形单道次三点弯曲成形工艺参数的理论计算预测界面如图4所示。
图4 JCO成形工艺参数计算界面
3.2.3 机械扩径成形工艺参数计算
对于通过任意成形方式（包括JCO、UOE、CFE、RBE、PFE等）成形的管坯，只要已知管坯横截面初始形状（例如管坯横截面中性层椭圆度、周长、长半轴a、短半轴b等）参数、材料性能参数、扩径模具几何参数、扩径模具与管坯内壁之间摩擦系数和扩径率等条件，就可以利用理论分析结果计算预测扩径后管坯的横截面形状尺寸参数（椭圆法）和模具扩径行程、最终扩径力等工艺参数。管坯机械扩径成形工艺参数理论计算程序界面如图5所示。
图5 扩径工艺参数计算界面
3.2.4 管坯JCO成形最少道次计算
根据关于管坯JCO成形最少道次的理论解析结果，在所要成形管坯规格、扩径模具参数已知和扩径率已选定的条件下，可计算出JCO成形最少道次Nmin，其计算界面如图6所示。
图6 Nmin和δmax计算界面
3.2.5 成形工艺参数预测结果输出
通过以上计算，可以对大型直缝焊管JCOE成形各主要工艺参数的理论预测结果进行统一显示和输出，以方便工厂实际生产中工艺设计人员制定整个生产工艺流程和参数表。管坯JCOE成形CAPP系统工艺参数理论计算预测结果显示和输出界面如图7所示。
图7 成形工艺参数计算结果输出界面
4 CAPP系统理论预测成形工艺参数
通过本文开发出的CAPP系统，对X70钢级规格为φ1067mm×19.1mm×12200mm大型直缝焊管，分别用不同JCO成形道次进行预测，各主要成形工艺参数理论计算预测值如表1所示。随着成形道次的减少，板坯预弯边长度逐渐增大，在道次大于17以上的道次成形中，预弯边长度基本相同，说明随着道次越来越多，板坯预弯边长度对成形道次数已经不敏感。根据系统中设计JCO最少成形道次计算模块可以算出，当成形模具参数已定的条件下，该管坯的最少成形道次是9。在成形道次少于19时，压下量理论预测和仿真结果误差小于2%。
表1 通过CAPP系统理论预测的成形工艺参数
5 结论
现有JCOE成形方案的制定基本依靠已知系列规格的经验数据，而且多年不变，很大程度上制约了工艺的改进和新产品的开发。通过搭建CAPP系统平台，使经过实验证明的理论付诸于工程应用，对具体理论只需更改后台计算程序，而对于工艺制定人员参数界面没有变化。
该平台包含了多种工艺的参数传递，可以实现预弯、JCO成形压下量、成形道次、扩径等工艺间的数据共享，工艺流程中工艺参数的协调联动可以提高设计效率。
直观的界面设计和参数化计算，可以在较短时间内提供多种方案，该系统具有较高的应用价值。
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本文标题：大型直缝焊管JCOE成形CAPP系统
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