1、輻彎成型技術(shù)的應用與發(fā)展摘要：本文介紹了近年來合作研究輻彎成型開發(fā)的技術(shù)成果，給出了輥彎成型CAD/CAM 技術(shù)的應用實例。應用CAD技術(shù)，在非對稱料型的設計中根據(jù)截面的幾何特性確定成型基 準及工藝，介紹了咬口封閉料型的設計特點，給出了計算機模擬技術(shù)在寬幅壓型板設計中的 實例。應用CAM技術(shù)，解決了異型軋輻的計算機輔助加工，基于計算機數(shù)控包絡法，用一 片砂輪可加工出不同的輪廓曲線。輻彎成型CAD/CAM 一體化技術(shù)的應用取得了良好的效 果。對本技術(shù)的發(fā)展方向，也提出了見解。關(guān)鍵詞：CAD CAM輻彎成型1.輥彎成型的計算機輔助設計在過去的十多年中，輻彎成型（又稱冷彎型鋼）的計算機輔助設計技術(shù)得

2、到廣泛應用。目 前面臨的問題是計算機可在多大程度“輔助”設計者完成任務。許多人設計軋輻時應用計算機 僅代替人工的幾何計算，很大程度上仍依賴設計者的實踐經(jīng)驗。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，用于輻彎成型的CAD軟件應達到更高的水平。首先應向 更深的方面發(fā)展，計算機能夠在更多的方面幫助設計者以得到最優(yōu)的設計結(jié)果。例如，CAD 軟件應具備如下功能：模擬成形過程，應用人工智能及模糊神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)給出專家水平的指 導。其次CAD技術(shù)向更廣的領(lǐng)域發(fā)展，計算機輔助制造，生產(chǎn)管理，成本核算，質(zhì)量控制 以及CAE和CIMS。由德國data M開發(fā)的COPRA是解決輻彎成型設計的集成軟件。以下是由COPRA完成的部分冷彎

3、型鋼斷面的實例。1.1非對稱斷面日本拓殖大學的小奈弘教授給出了非對稱斷面成型道次的估算方法。與對稱斷面相比， 不平衡的扭矩會導致板帶的扭曲。斷面成型過程中板帶的幾何變形與其靜力學特性緊密相 關(guān)。作者發(fā)現(xiàn)若以截面的一個慣性軸作為展開的基準線，一些非對稱斷面可得到很好的成型 質(zhì)量。1.1.1以慣性主軸作為展開的基準用于集裝箱的部件（圖1）是一非對稱截面。某公司以最長的直線段作為成型的水平基圖1集裝箱部件的成型輥花圖圖2兩側(cè)成形角不同的V型截面準，共用12圖1集裝箱部件的成型輥花圖圖2兩側(cè)成形角不同的V型截面圖2是天花板吊頂?shù)牟考?，雖然它的形狀簡單，但它的成型卻不容易，原因在于必須滿足 板厚0.4m

4、m的情況下每米成型長度上的各向最大撓度不大于0.5mm。成型這一高精度的部 件，作者采用的方法是以慣性主軸之一為成型基準，兩側(cè)的變形角按不同的值給出，以使兩 側(cè)的變形扭矩平衡。此外要保證它的脊線的平直度，軋輥的安裝調(diào)整也是很重要的。采用上 述措施，最終生產(chǎn)出的料型達到每米長直線度誤差小于0.3mm。1. 1.2以水平軸線作為展開的基準圖3是按用戶要求生產(chǎn)的另一種天花板吊頂用的部件。這是由對稱的T型吊頂龍骨簡化 的。盡管它的左側(cè)變形遠大于右側(cè)，但它的一個慣性主軸與水平面夾角接近于0度。這種 情況下，作者采用了以最長的直線體素為水平位置的展開基準。圖4是電控柜部件的截面靜力學特性。兩慣性主軸的交點

5、靠近右側(cè)體素，作者以右側(cè)體素作為成形展開的第一基準，將底部的水平體素作為第二成形基準。圖5非對稱斷面電控柜部件的成形輥花圖1.2咬口料型的成型一些鋼門窗料采用彩色涂層鋼板為原料經(jīng)輥彎成形工藝制成。為保證門窗的強度采用 封閉截面。焊接方法將破壞鋼板表面，因而廣泛采用了咬口結(jié)構(gòu)。為避免咬口過程中發(fā)生干 涉，避免對彩色涂層表面的損傷，同時也保證門窗的氣密水密性及配合要求，要求輥型設計 及制造達到較高的精度。輥的表面粗糙度Ra 0.63%i輥的圓周速度盡可能接近驅(qū)動速度， 若輥的線速度差較大時，設計上應采用空轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。對于一般的輥彎成型，成形輥軸線為水平或垂直兩種配置。咬口料型的成形廣泛應用了 空間結(jié)構(gòu)

6、的輔助輥，這種輔輥結(jié)構(gòu)安裝在兩道主輥之間，軋輥軸線可為任意傾斜角度，它的 結(jié)構(gòu)形式不同于主輥及立輥。圖6表示了一種輔助輥的裝配關(guān)系示意。為得到精確的尺寸 和形狀，在最后的成型道次中采用了芯子。圖7是一種彩色涂層鋼窗料的成形工藝圖。圖6用于咬口料型的輔助輥裝配示意圖1.3寬幅壓型板壓型板大多是由又寬又大的薄板經(jīng)輥彎成型的，極易出現(xiàn)各種缺陷。小奈弘教授依據(jù)他 的實驗給出了十分有用的結(jié)論：邊浪、袋形波等缺陷是由于變形的應力過大或拉壓應力的不 同分布造成的。在設計過程中若能夠計算出成形區(qū)域的應力、應變值，就可以避免缺陷的產(chǎn) 生。應用有限元技術(shù)以及實驗結(jié)果，已知在每個道次的成型過程中，板上變形區(qū)某一點的

7、應 變狀態(tài)是拉應力和壓應力交替變化的，即使很薄的板在不同的層面上應變狀態(tài)也是不同的。一個重要的結(jié)論是：縱向變形是引起諸如殘余內(nèi)應力、邊波等缺陷的主要原因3。由data M及其合作者開發(fā)的變形技術(shù)模塊（DTM）是在有限元法和大量實驗基礎(chǔ)上，根據(jù)幾 何變形條件和材料特性，就能在計算機上實現(xiàn)輥彎成型的變形模擬。DTM可給出每個道次 的最大縱向應變，也可分別計算出板的上、中、下層的拉應變和壓應變。如果最大的拉應變 超過材料的屈服點（對低碳鋼最大值為0.35%），或最小壓縮應變低于某一值（例如小奈弘教 授給出的值為小于0.3*10-4），就會產(chǎn)生缺陷。根據(jù)在計算機屏幕上得到的結(jié)果，就可修改 變形順序和成

8、型角度。用計算機模擬，我們可預測在那一變形道次上會產(chǎn)生缺陷，然后修改 設計。應用DTM模擬技術(shù)，我們?yōu)楹芏嗥髽I(yè)作過輥彎成型的計算機優(yōu)化。一些企業(yè)在試制 中出現(xiàn)問題，我們將他們的設計數(shù)據(jù)輸入計算機，發(fā)現(xiàn)在某些道次上應變峰值過大，這與試 軋時該道次產(chǎn)生變形缺陷并伴隨很大噪音的情況是完全一致的。經(jīng)修改設計后，這些壓型板 順利成型。圖8給出了寬幅壓型板計算機模擬的一個實例。圖8 圖8 一個壓型板的計算機模擬結(jié)果4曳AS_BDBZ7_TS下rz_2.輻彎成型的計算機輔助制造實現(xiàn)一個復雜斷面的輥彎成型需要上百個形狀各異的軋輥。軋輥的輥型輪廓與板料的成 型密切相關(guān)，保證成型部位的幾何坐標的準確性是十分重要的

9、。軋輥的軸向精度要比起徑向 精度更重要。實際加工過程，使用通用量具，軋輥的徑向測量要比軸向容易得多；使用傳統(tǒng) 的車床加工，軸向精度的控制要比徑向難很多。計算機數(shù)控技術(shù)可很好地解決異型輥的加工 問題。2.1 CNC加工軋根使用8工位刀臺的數(shù)控車床，加工出硬度HRC58-62的軋輥（見圖9）。使用特殊的陶瓷 刀具，可得到相當好的表面質(zhì)量。作者采用的是兩坐標聯(lián)動的、控制分辨率為0.001mm的 數(shù)控系統(tǒng)。圖9 CNC車床加工的軋輥由于每個軋輥的形狀及尺寸均不相同，采用“首件試切法”檢驗數(shù)控程序是不可行的。一 般情況下，手工編程的低效率會影響數(shù)控功能的發(fā)揮。數(shù)據(jù)運算和程序編制很難避免錯誤， 而任何錯誤

10、都可能會造成工件報廢或嚴重的機床及人身事故。計算機輔助制造技術(shù)可自動生 成數(shù)控程序，并檢驗模擬數(shù)控指令。COPRA可根據(jù)CAD數(shù)據(jù)，按照不同的機床數(shù)控格 式自動生成NC代碼，并可在計算機屏幕上用動畫的方式模擬刀具的運行軌跡。2.2計算機通訊作者將輥彎成型的CAD和CAM技術(shù)，從設計到制造的全過程實現(xiàn)計算機的無縫集 成。過去數(shù)控程序的輸入是靠手工方式一個碼一個碼地鍵入，一個較長的程序要10分鐘左 右，與完成一個零件的時間相差不多。人工輸入很難避免錯誤，而任何錯誤都會造成工件的 報廢或機床事故。采用計算機與數(shù)控機床的通訊接口技術(shù)，可將編好的程序快速準確地送到 數(shù)控機床，提高了機床的利用率。由于實現(xiàn)

11、了計算機與數(shù)控機床之間的通訊，幾秒鐘之內(nèi)可 實現(xiàn)上千條語句的傳送。一張3寸的小磁盤可存儲2000-3000片軋輥的加工數(shù)據(jù)。對于復 雜型面軋輥的精加工，可提高機床的利用率40-50%。輥片數(shù)據(jù)的保存、重復生產(chǎn)及輥片的 修復是十分方便的。技術(shù)展望作為一種新技術(shù)，輥彎成型CAD/CAM的生命力也在于不斷地創(chuàng)新和發(fā)展。我們的目 標是根據(jù)市場需求，不斷地開發(fā)新技術(shù)，將成熟的技術(shù)應用于生產(chǎn)實際，為客戶提供優(yōu)質(zhì)服 務。眾所周知，在輥彎成型領(lǐng)域尚有很多亟待解決的問題，我們還未完全實現(xiàn)從“空缺的藝 術(shù)”向科學的轉(zhuǎn)變。因其涉及到復雜的塑性三維變形、材料特性、軋機及輔助設備、軋制的 操作工藝參數(shù)、冷卻潤滑等諸多方

12、面因素。單純用一個數(shù)學模型是無法解決的，人工智能和 專家系統(tǒng)是解決這一問題的方向。建立一個完整的系統(tǒng)，目前的困難在于專家知識的積累和 獲取。我們愿將這些專家知識轉(zhuǎn)化為經(jīng)計算機推理可供實際應用的軟件。將專家知識變?yōu)楣?同經(jīng)驗，避免重復的探索和彎路，促進全行業(yè)的發(fā)展和繁榮，我們應當將此作為當前及今后 工作的目標。參考文獻1 Kenichi Watanabe; Yoshinobu Omiya; Jody Shaw; Soichirou Saitou . Material characterization of new advanced high strength steel . 2000年自動車技術(shù)會秋季大會學術(shù) 講演會，小倉，日本,October 17, 2000: p.1-42曾攀.及應用.北京:清華大學出版社.2004.376-3853王春新.冷彎成型過程的計算機仿真在工程實例中的應用研究.北方工業(yè)大學碩士學位 論文,2003.5H. Ona, T. Jimma and H. Kozono: A Computer Aided Design System for Cold Rollforming Proc. 1st Int. Conf. Techno