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冷弯成形设备的CAD/CAE/CAM技术及应用

2020-07-18 16:05:45

冷弯成形设备的CAD/CAE/CAM是冷弯型钢行业的核心技术之一,在我国的冷弯型钢发展中起到重要的推动作用。本文回顾了冷弯成形的CAD/CAE/CAM的发展历程,介绍了该技术的关键技术和工程应用实例,对冷弯成形新技术的发展趋势做了述评。


冷弯成形的CAD/CAE/CAM的发展历程


冷弯成形(Cold Roll Forming辊压成形、辊弯成形)是通过顺序配置的多道次成形轧辊,把卷材、带材等金属板带不断地进行横向弯曲,以制成特定断面的型材。冷弯成形是一种节材、节能、高效、先进适用的板金属成形工艺技术。


目前我国对Cold Roll Forming这一工艺名称的术语有多种叫法:一种是从俄文翻译过来的,称为冷弯成形(冶金行业多用此说法);一种是从英文等外文译过来的:滚轧成形、辊轧成形、辊弯成形、滚压成形;还有一种是我国台湾的叫法:滚轮成形、冷轧成形等等。英文名称比较确定,有Rollforming、Roll-forming、Roll Forming。日文采用从英文直译的方式:冷间ロ-ル成形。


冷弯成形的历史可以追溯到上个世纪初,最早的专利出现在1906年。美国American Roll Form公司的President告诉我说是她的爷爷最早用驴子在机器上拉出来U型槽钢。图1是冷弯成形的发展历史。


我国冷弯行业历史起源于上个世纪50年代,引进了DI一条焊管生产线。70年代改革开放后开始较多冷弯生产线的引进,先后有广州、武汉、长春、南京等地从奥钢联、日本、德国等进口了一批大中型冷弯设备。压型板生产线最早出现于宝钢初期的建设工程。80年代后期潍坊和北京等地从意大利引进了复杂截面的彩板门窗生产线,河北凌云从德国三星公司引进了汽车部件的辊压生产线。80、90年代我国的冷弯技术主要以学习、消化引进技术为特色。冷弯行业的发展十分迅速,到2001年我国的焊管产量超过日本,成为世界DI一。目前我国已经成为名副其实的“冷弯产品大国”。


经过几十年的发展,特别是近20年的快速发展,我国的冷弯成形产品总量早已居于世界DI一,出口量DI一。我国的冷弯成形技术的发展已从引进消化、模仿到技术创新阶段。焊管及冷弯型钢的设备制造能力基本满足国内需求,并大量出口,正在实现冷弯产品制造大国向冷弯产品制造强国的转变。


上世纪八、九十年代以来冷弯成形的工艺技术在我国得到广泛应用。在国内外,由于技术资料缺乏,工程技术人员经常需要进行探索和利用试错法解决工程问题。冷弯成形工艺仍被普遍认为是一种“未掌握的艺术”(Blank Art),还未上升为科学。主要原因是冷弯成形本身具有的特点和规律尚未被人们完全掌握和认识。


北方工业大学机电工程研究所将冷弯成形的CAD/CAE/CAM一体化技术作为研究方向,加强国际交流与合作,加强与企业科研院所的合作,努力为国内外合作伙伴提供所需的技术服务。通过技术交流,使专家经验变为共同经验,技术诀窍上升为理论,避免重复的探索,促进全行业的发展和繁荣作为我们努力奋斗的目标。


我国的冷弯成形的CAD技术起源于80年代末、90年代初期,北京科技大学与国内多家企业合作开发了国内最早的CARD系统,北京冶金设备研究院开发了彩板门窗型材设计的CAD。这些CAD技术的应用基本上多局限于将人工计算实现了程序化,尚未实现CAD面向工程的系统化和商品化。由于CAD的工程应用涉及到复杂的技术基础理论体系和千变万化的工艺设备条件,因而是一项庞大的工程技术的开发和应用。这样的工作在我国现有的高校和研究所的技术体系中是很难实现的。在消化引进技术过程中,我国的技术人员也经历了艰难的探索过程,例如为解决引进轧辊磨损后的修复问题,采用过复杂的模糊理论的反求设计。


为了在高起点上实现冷弯成形CAD的工程应用,1993年起北方工业大学机电工程研究所开始与德国data M公司合作,将商品化冷弯成形的COPRA技术引入国内企业。COPRA经过二十多年的不断发展,目前已成为国际上本行业事实上的CAD应用标准,在六、七十个国家拥有数百个用户群。在我国绝大多数冷弯企业也都采用了这一软件作为设计工具。


我国的冷弯成形的CAM技术起源于90年代初期,北方工业大学机电工程研究所开发了国内最早的异型轧辊CAM系统,解决了彩板门窗轧辊的制造问题,并首先在宜兴卡特姆公司得到应用。经过不断完善,北方工业大学机电工程研究所在国内首创了冷弯成形的CAD/CAM系统(图2),在国内得到广泛推广和应用,被确定为冷弯协会的CAD/CAM技术中心。


我国的冷弯成形的CAE是随着计算机特别是有限元(FEA)技术的发展获得应用的。有限元法用于冷弯成形问题的主要有两种方式:一种是侧重于基础理论的原始研发,一种是在成熟的有限元分析软件基础上的二度开发和应用。原始一度研发的例子包括:日本学者小野田等人采用刚塑性有限元法对电焊管进行研究,解决了W弯曲法中管坯边部的减薄或增厚现象。木内学等人开发了用于焊管以及异型管分析的专用软件,用于FFX成形等研究。我国的燕山大学等单位以有限元在辊式成形领域的研究为题,完成了一批博士硕士论文的研究工作。一度开发需要对冷弯成形相关理论的深入研究以及大量的技术资源。


目前成熟的商业化的有限元软件有很多,在这样的基础上开展辊式成形有限元的仿真研究有利于获得实际应用成果,解决工程问题。国内北方工业大学用MARC对冷弯成形过程进行了仿真,完成了十多项结合实际工程的仿真分析。对于企业的工程技术人员,他们更关注的是如何能解决实际问题。一般说来他们对有限元的深奥理论和复杂的前处理、后处理、边界条件的设定等问题感到困惑。德国data M公司在其冷弯成形设计软件COPRA中增加有限元仿真模块COPRA FEA RF的接口,对MSC MARC进行了二次开发,用户能方便地进行前后处理和自动完成设计数据的建模,降低了使用的难度,具有较好的通用性。我国冷弯行业的企业例如宝钢研究院、南车四方、大连三高、大连富地、宁波敏实等很多都采用了这一仿真系统。


北方工业大学机电工程研究所与山东新合源热传输科技有限公司合作建立了国内SHOU个CAD/CAE/CAT的研发平台(图3),成为高精度冷弯成形产品研发核心技术全面解决方案。利用这一平台,实现了新产品开发过程中的轧辊设计、制造精度检测,成形工艺过程仿真,产品形状精度检测等环节的关键技术突破和创新。


冷弯成形的CAD/CAE/CAM的关键技术及工程应用


在板金属加工中,冷弯成形得到广泛应用是由于其具有如下工艺特点:⑴生产率高,一般成形速度达到5~30m/min,焊管可达到70~200m/min;⑵材料利用率高,一般可达到≥90%;⑶可以生产非常复杂的横截面形状,可以实现30~50个尺寸的型材;⑷适合于大批量生产,而且批量越大越能显示其优越性;⑸设备投入较低;⑹可以换模具更换产品;⑺适合于高强钢材料的成形,回弹控制和补偿较其他工艺更方便;⑻尺寸的稳定性和一致性好,单件制造成本低……。因此被称为高生产率的冷弯成形(High Production of Rollforming)。


冷弯成形的CAD技术


我们采用COPRA作为设计的基本工具。为国内外企业完成了数百项冷弯产品的设计工程。一些工程实例如下:


1) 轿车门窗复杂截面的成形设计。


汽车行业是冷弯成形工艺重要的应用领域。轿车门窗的成形不但截面复杂,而且精度要求高(图4)。随着我国汽车工业的迅速发展,不断推出新车型并快速降低成本已成为一个竞争趋势。近年来我们把汽车行业作为一个重要的服务领域,帮助企业开发了很多新产品。


一个中等复杂的轿车门窗截面成形需要20~30道次的成形(图5),一些关键尺寸的控制公差只有0.1~0.2mm。从设计到调试样件的开发周期,一般只有一个月时间。没有高效的CAD计算机辅助设计手段,是根本不可能实现的。采用CAD中的优化技术,可以用经济的道次获得好的成形质量。我们曾经用40多道次就完成了国外用60道次成形的一个复杂截型,为用户节省了大量投资。


2)彩板及不锈钢门窗。


门窗要满足隔热隔声、保温防水等功能,型材的截面比较复杂,要求较高。彩色钢板的防腐性能较好,不锈钢的外观比较豪华,是做钢窗的理想材料。为获得较高的抗风压等级,多数型材截面应为封闭截面。为保护彩色钢板的表面,冷弯成形封闭截面采用了咬口(锁缝)工艺。这在设计过程中必须要考虑边部咬口变形工艺的准确性,既不能发生边部干涉又要保证咬口处的准确叠合。轧辊的设计制造必须考虑型材表面的保护,除了采用较高的表面粗糙度要求外,还需要在局部设计游动辊,以保证整体线速度的一致性。图6是一个彩板门窗截面的辊花成形工艺图。不锈钢门窗截面,需要在成形中考虑其较大的回弹和采用氩弧焊等方式。


3)异型管的拓扑成形设计。


异型管广泛用于工程机械和特种行业,其附加值远远高于普通焊管。以焊接圆管为母管,经过挤压拉拔变形为异型管(图7),生产效率高、焊接质量好。COPRA采用的是线性拓扑叠代的方法,确定对应体素的圆弧角和实体长度。输入最终的异型截面轮廓,就可以自动计算出母管尺寸和各个中间工步的孔型数据。我们成功地为多个企业设计制造了异型管,替代了多种进口产品。


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