一种大直径厚壁钢管煨弯加工方法以及系统与流程

本发明涉及建筑工程技术领域，特别是涉及一种大直径厚壁钢管煨弯加工方法以及系统。

背景技术：

随着建筑技术的发展，大跨度空间网格结构广泛应用于各种类型的建筑，管型构件因其各向受力性能均衡，造型优美，越来越受到复杂造型设计师的青睐，与此同时，管型构件的造型越来越复杂，壁厚越来越大，常规的加工工艺难以满足设计需求，如何提升管型构件的加工制造水平是一个亟待解决的难题。

现有大直径厚壁钢管弯曲加工设备主要有：中频热加工设备、压力机冷压弯曲设备等。无论是进行热加工还是冷弯曲都是基于大直径厚壁钢管的一个工作平面，设定弯曲固定半径，使得管件局部受力，沿固定半径圆弧线路径逐点改变方向，从而达到弯曲的目的，也就是说设备提供了平面弯曲的方法。现有中频热加工设备要求：限于固定卡具和设备空间的要求，弯曲后的大直径厚壁钢管无法再进入工作台二次弯曲，因此，一根直线大直径厚壁钢管加工成多段不同曲率半径的连续圆弧，必须由一端开始加工依次弯曲到另一端结束，不能进行两次弯曲。现有加工工艺主要是各圆弧段的阐述，对于连续不同曲率半径弧线往往采用分段加工后再焊接连接的方法，但是对于大直径厚壁大直径厚壁钢管，连续弧线中每一段的弧长较小，若采用焊接的方法连接，不利于构件的安全性，更加的不经济。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够对大直径厚壁钢管进行连续弯曲加工的大直径厚壁钢管煨弯加工方法以及系统。

为达到上述目的，本发明第一方面提出一种大直径厚壁钢管煨弯加工方法，包括以下步骤：

选定加工基准面为待加工形状中相邻的第一弧线以及第二弧线中的第一弧线所在平面，加工大直径厚壁钢管的第一圆弧；

建立以第一弧线与第二弧线分别在第一弧线与第二弧线之间的连接点处的切线所形成的过渡平面；

以第一角度旋转大直径厚壁钢管使得加工基准面为过渡平面，加工大直径厚壁钢管的过渡圆弧；

以第二角度旋转大直径厚壁钢管的过渡圆弧使得加工基准面为第二弧线所在平面，加工大直径厚壁钢管的第二圆弧。

优选地，所述第一角度为所述第一弧线所在平面与所述过渡平面之间的夹角。

优选地，所述第二角度为所述过滤平面与所述第二弧线所在平面之间的夹角。

优选地，所述方法进一步包括：

获取所述过渡圆弧的转折角α；

预设所述过渡圆弧的圆弧半径r；

根据所述过渡圆弧的转折角α以及圆弧半径r得到过渡圆弧的弧长l；

根据所述过渡圆弧的转折角α、圆弧半径r以及弧长l对大直径厚壁钢管进行加工，得到过渡圆弧。

优选地，所述过渡圆弧的转折角α为第一弧线与第二弧线分别在第一弧线与第二弧线之间的连接点处的切线的夹角，其中，

优选地，所述过渡圆弧的圆弧半径r不小于所述大直径厚壁钢管外径的3倍。

优选地，所述第一圆弧的弧长为第一弧线的长度与过渡圆弧的二分之一弧长的差值。

优选地，所述第二圆弧的弧长为第二弧线的长度与过渡圆弧的二分之一弧长的差值。

本发明第二方面提出一种大直径厚壁钢管煨弯加工系统，包括：

中频煨弯设备，用于对大直径厚壁钢管的直线段部分进行加工；

回转臂，用于控制大直径厚壁钢管的运行轨迹；

水平随动支点，用于支撑大直径厚壁钢管的弧线段部分以及对大直径厚壁钢管进行旋转。

本发明的有益效果如下：

本发明所提出的一种大直径厚壁钢管煨弯加工方法实现了对大直径厚壁钢管的连续弯曲加工的目的，能够在对大直径厚壁钢管煨弯加工时进行多次弯曲，相对比传统采用分段加工后再焊接连接的方法，省去了焊接的过程，能够增加大直径厚壁钢管构件的结构强度，提高了大直径厚壁钢管构件的安全性，加快了工作效率，降低了加工成本。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明的一个实施例提出的一种大直径厚壁钢管煨弯加工方法的流程框图；

图2示出本发明的另一个实施例提出的一种大直径厚壁钢管煨弯加工系统的结构框图；

图3示出如图2所示的实施例中的大直径厚壁钢管煨弯加工系统的第一步操作步骤图；

图4示出如图2所示的实施例中的大直径厚壁钢管煨弯加工系统的第二步操作步骤图；

图5示出如图2所示的实施例中的大直径厚壁钢管煨弯加工系统的第三步操作步骤图；

图6示出图5的左视图；

图7示出如图2所示的实施例中的大直径厚壁钢管煨弯加工系统的第五步操作步骤图；

图8示出图7的左视图；

图9示出如图2所示的实施例中的大直径厚壁钢管煨弯加工系统的第六步操作步骤图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明的一个实施例提出的一种大直径厚壁钢管煨弯加工方法的流程框图，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

s100、选定加工基准面为待加工形状中相邻的第一弧线以及第二弧线中的第一弧线所在平面，加工大直径厚壁钢管的第一圆弧。

s200、建立以第一弧线与第二弧线分别在第一弧线与第二弧线之间的连接点处的切线所形成的过渡平面；

s300、以第一角度θ1旋转大直径厚壁钢管使得加工基准面为过渡平面，加工大直径厚壁钢管的过渡圆弧；

s400、以第二角度旋转大直径厚壁钢管的过渡圆弧使得加工基准面为第二弧线所在平面，加工大直径厚壁钢管的第二圆弧θ2。；

本领域技术人员应知的是，本实施例所述的方法可用于任何规格的钢管，只不过在对较小规格的钢管进行弯曲加工时有更简便的方法，因此，在这里定义大直径厚壁钢管应当为冷弯设备无法弯曲的规格。

在s100中，首先对大直径厚壁钢管的待加工形状的空间形态特点进行分析，研究待加工形状中相邻的第一弧线与第二弧线之间的空间关系，其次，以第一弧线所在平面作为加工基准面，加工大直径厚壁钢管的第一圆弧。

在s200中，由于第一弧线与第二弧线在交点处具有连接点，此点为第一弧线以及第二弧线所在圆上的任意一点，将该连接点视作自由度为3的万向轴，相邻的第一弧线与第二弧线所在的平面围绕该连接点可以绕x轴、y轴、z轴运动，无确定的相对关系，第一弧线与第二弧线在连接点处进行了弯曲，这个弯曲在实际过程中，就是对大直径厚壁钢管进行了一个小弯曲半径的弯曲，而这个弯曲所在的平面与第一弧线与第二弧线所在平面之间存在一定的位置关系，即：第一弧线与第二弧线分别在连接点处的切线形成了过渡平面。

在s300中，过渡平面由第一弧线与第二弧线分别在第一弧线与第二弧线之间的连接点的切线所形成，通过将大直径厚壁钢管的第一圆弧旋转第一角度θ1能够得到过渡平面，因此第一角度θ1为第一弧线所在平面与过渡平面之间的夹角，其中，也就是说，第一角度θ1为锐角。

具体的，第一角度θ1的具体数值可通过平面夹角的计算方式得到：

设平面β和平面γ的法向量分别为和若两个平面的夹角为θ，则：

(1)当时，此时，

(2)当时，

此时，

综上：

通过以第一角度θ1旋转大直径厚壁钢管使得加工基准面为过渡平面并加工得到大直径厚壁钢管的过渡圆弧，进一步的，加工大直径厚壁钢管的过渡圆弧还包括以下子步骤：

获取所述过渡圆弧的转折角α；

预设所述过渡圆弧的圆弧半径r；

根据所述过渡圆弧的转折角α以及圆弧半径r得到过渡圆弧的弧长l；

根据所述过渡圆弧的转折角α、圆弧半径r以及弧长l对大直径厚壁钢管进行加工，得到过渡圆弧。

具体的，获取过渡圆弧的转折角α包括根据第一弧线与第二弧线分别在第一弧线与第二弧线之间的连接点的切线的夹角得到转折角α，其中，也就是说，转折角α为锐角，且转折角α处于过渡平面内，转折角α的大小可以由空间解析几何计算而得，也可以通过测量得到，过渡圆弧的圆弧半径r可根据用户需求进行设定，其具体数值不小于大直径厚壁钢管外径的3倍，一般在这里，过渡圆弧的圆弧半径r可以不小于大直径厚壁钢管外径的3倍、4倍或5倍，通过得到的过渡圆弧的转折角α以及过渡圆弧的圆弧半径r可根据下式得到过渡圆弧的弧长l：

l＝r×α；

最后，根据得到的过渡圆弧的转折角α、过渡圆弧的圆弧半径r以及弧长l对大直径厚壁钢管进行加工，得到过渡圆弧。

在s400中，第二角度θ2为所述过滤平面与所述第二弧线所在平面之间的夹角，由于过渡平面由第一弧线与第二弧线分别在第一弧线与第二弧线之间的连接点的切线所形成，通过以第二角度θ2旋转大直径厚壁钢管的过渡圆弧加工基准面为第二弧线所在平面，因此第二角度θ2为第二弧线所在平面与过渡平面之间的夹角，其中，也就是说，第二角度θ2为锐角。

具体的，第二角度θ2的数值可根据上述的平面夹角的计算方式得到。

通过以第二角度θ2旋转大直径厚壁钢管使得加工基准面为第二弧线所在的平面并加工得到大直径厚壁钢管的第二圆弧，这样就完成了对大直径厚壁钢管的连续弯曲加工过程。

进一步的，所述第一圆弧的弧长为第一弧线的长度与过渡圆弧的二分之一弧长的差值；所述第二圆弧的弧长为第二弧线的长度与过渡圆弧的二分之一弧长的差值。

在本实施例的一个优选的实施方式中，所述方法还包括理论误差的确定和校验的步骤，在对大直径厚壁钢管进行弯曲加工时，加工误差主要体现在过渡圆弧分别与第一圆弧、第二圆弧的连接处，误差值的大小与加工第一圆弧以及第二圆弧的曲率以及第一弧线与第二弧线分别在第一弧线与第二弧线之间的连接点的切线之间的转折角α有关，其中，当第一弧线与第二弧线的曲率越大，其误差值越小；当转折角α越大，其误差值越大，因此在对大直径厚壁钢管加工完毕后，需要对大直径厚壁钢管进行误差校验，判断大直径厚壁钢管是否合格。

在本实施例的又一个优选地实施方式中，第一角度θ1、第二角度θ2以及转折角α可通过作图法得到。

具体的，分别作出第一弧线与第二弧线在连接点处的切线，两条切线形成的平面为过渡平面，以连接点做垂足，分别在第一弧线所处的平面内以及过渡平面内做第一弧线在连接点出的切线的垂线1以及垂线2，两条垂线形成的夹角就是第一弧线所在的平面与过渡平面之间形成的第一角度θ1。

具体的，以第一弧线与第二弧线在连接点处的切线建立坐标系，坐标系的原点为第一弧线与第二弧线的连接点，第一弧线与第二弧线的切线位于坐标系中的xy平面内，以第一弧线的切线在第一弧线一侧为坐标系的x轴正方向，以第二弧线的切线在垂线2的投影方向为y轴正方向，在第一弧线与第二弧线的切线所形成的夹角的补角为转折角α。

具体的，重新以第一弧线与第二弧线在连接点处的切线建立坐标系，以第一弧线与第二弧线的连接点为垂足，分别在第二弧线所在平面和过渡平面内做第二弧线的切线的垂线3和垂线4，将加工过渡圆弧后的大直径厚壁钢管放入坐标系中，坐标系x轴正方向为垂线4在过渡平面内的方向，坐标系的z轴正方向为第二弧线一侧的第二弧线的切线方向，也就是大直径厚壁钢管的未加工的直线段方向，而坐标系的y轴正方向按照右手坐标系确定，取第二弧线在连接点处的切线段得到切线段在坐标系中的xy平面内的投影，第二弧线的圆心到连接点之间的圆心线段，圆心线段与切线段在坐标系中的xy平面内的投影之间的夹角为第二角度θ2。

本发明所提出的一种大直径厚壁钢管煨弯加工方法实现了对大直径厚壁钢管的连续弯曲加工的目的，能够在对大直径厚壁钢管煨弯加工时进行多次弯曲，相对比传统采用分段加工后再焊接连接的方法，省去了焊接的过程，能够增加大直径厚壁钢管构件的结构强度，提高了大直径厚壁钢管构件的安全性，加快了工作效率，降低了加工成本。

图2示出本发明的另一个实施例提出的一种大直径厚壁钢管煨弯加工系统，如图2所示，所述系统包括：

中频煨弯设备，用于对大直径厚壁钢管的直线段部分进行加工；

回转臂，用于控制大直径厚壁钢管的运行轨迹；

水平随动支点，用于支撑大直径厚壁钢管的弧线段部分以及对大直径厚壁钢管进行旋转。

具体的，中频煨弯设备和回转臂主要对大直径厚壁钢管的直线段进行加工来形成弧线段部分。回转臂具有回转中心轴，其端部能装夹钢管，回转臂半径可以调整，用于控制大直径厚壁钢管在煨弯过程中的运行轨迹。水平随动支点主要用于支撑大直径厚壁钢管的弧线端部以及对大直径厚壁钢管相对直线段轴线进行旋转。水平随动支点可以根据需要在弧线段设置多个，其下面设置有万向轮。

在使用本实施例所述的系统对大直径厚壁钢管进行加工时，中频煨弯设备对大直径厚壁钢管进行加工形成大直径厚壁钢管的第一圆弧，然后通过水平随动支点对大直径厚壁钢管的第一圆弧进行旋转第一角度θ1后，再次使用中频煨弯设备加工大直径厚壁钢管的过渡圆弧，同理，通过水平随动支点在对大直径厚壁钢管的过渡圆弧旋转第二角度θ2后，通过中频煨弯设备加工大直径厚壁钢管的第二圆弧，从而完成对大直径厚壁钢管的连接弯曲加工。

如图3-9所示，本实施例中的大直径厚壁钢管煨弯加工系统的操作流程如下：

第一步，如图3所示，选定大直径厚壁钢管的加工方向，以加工时大直径厚壁钢管前进方向为z向负方向，将回转臂设置在大直径厚壁钢管的前进方向一端。

第二步，如图4所示，在操作平台上使用中频煨弯设备对大直径厚壁钢管进行加工，得到第一圆弧，需要知道的是，第一圆弧的直径由回转臂的长度所决定，当第一圆弧在被加工的过程中，由于回转臂固定在大直径厚壁钢管的前进方向一端，因此，回转臂会控制大直径厚壁钢管的运行轨迹，完成第一圆弧的加工过程。

第三步，如图5以及图6所示，改变回转臂到第一圆弧远离大直径厚壁钢管前进方向的一端，也就是将回转臂再次设置在需要加工的大直径厚壁钢管的直线段的端部，通过将回转臂的长度调整为过渡圆弧的圆弧半径r，参照右手坐标系法则(即右手拇指方向与设定的z轴方向相同，握拳时其余四指指向定为逆时针方向)，以大直径厚壁钢管的直线段为轴，通过水平随动支点调节大直径厚壁钢管的高度以及位置，以第一角度θ1旋转大直径厚壁钢管。

第四步，加工圆弧半径为r的过渡圆弧。

第五步，如图7以及图8所示所示，改变回转臂到过滤圆弧远离大直径厚壁钢管前进方向的一端，也就是将回转臂再次设置在需要加工的大直径厚壁钢管的直线段的端部，调整回转臂的长度为第二圆弧的半径，参照右手坐标系法则(即右手拇指方向与设定的z轴方向相同，握拳时其余四指指向定为逆时针方向)，以大直径厚壁钢管的直线段为轴，通过水平随动支点调节大直径厚壁钢管的高度以及位置，以第二角度θ2旋转大直径厚壁钢管。

第六步，如图9所示，加工大直径厚壁钢管的第二圆弧。

第七步，检验校核，加工完成。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。