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冷彎成形設備的CAD/CAE/CAM技術及應用

2020-07-18 16:05:45

冷彎成形設備的CAD/CAE/CAM是冷彎型鋼行業的核心技術之一,在我國的冷彎型鋼發展中起到重要的推動作用。本文回顧了冷彎成形的CAD/CAE/CAM的發展歷程,介紹了該技術的關鍵技術和工程應用實例,對冷彎成形新技術的發展趨勢做了述評。


冷彎成形的CAD/CAE/CAM的發展歷程


冷彎成形(Cold Roll Forming輥壓成形、輥彎成形)是通過順序配置的多道次成形軋輥,把卷材、帶材等金屬板帶不斷地進行橫向彎曲,以制成特定斷面的型材。冷彎成形是一種節材、節能、高效、先進適用的板金屬成形工藝技術。


目前我國對Cold Roll Forming這一工藝名稱的術語有多種叫法:一種是從俄文翻譯過來的,稱為冷彎成形(冶金行業多用此說法);一種是從英文等外文譯過來的:滾軋成形、輥軋成形、輥彎成形、滾壓成形;還有一種是我國臺灣的叫法:滾輪成形、冷軋成形等等。英文名稱比較確定,有Rollforming、Roll-forming、Roll Forming。日文采用從英文直譯的方式:冷間ロ-ル成形。


冷彎成形的歷史可以追溯到上個世紀初,最早的zhuanli出現在1906年。美國American Roll Form公司的President告訴我說是她的爺爺最早用驢子在機器上拉出來U型槽鋼。圖1是冷彎成形的發展歷史。


我國冷彎行業歷史起源于上個世紀50年代,引進了DI一條焊管生產線。70年代改革開放后開始較多冷彎生產線的引進,先后有廣州、武漢、長春、南京等地從奧鋼聯、日本、德國等進口了一批大中型冷彎設備。壓型板生產線最早出現于寶鋼初期的建設工程。80年代后期濰坊和北京等地從意大利引進了復雜截面的彩板門窗生產線,河北凌云從德國三星公司引進了汽車部件的輥壓生產線。80、90年代我國的冷彎技術主要以學習、消化引進技術為特色。冷彎行業的發展十分迅速,到2001年我國的焊管產量超過日本,成為世界DI一。目前我國已經成為名副其實的“冷彎產品大國”。


經過幾十年的發展,特別是近20年的快速發展,我國的冷彎成形產品總量早已居于世界DI一,出口量DI一。我國的冷彎成形技術的發展已從引進消化、模仿到技術創新階段。焊管及冷彎型鋼的設備制造能力基本滿足國內需求,并大量出口,正在實現冷彎產品制造大國向冷彎產品制造強國的轉變。


上世紀八、九十年代以來冷彎成形的工藝技術在我國得到廣泛應用。在國內外,由于技術資料缺乏,工程技術人員經常需要進行探索和利用試錯法解決工程問題。冷彎成形工藝仍被普遍認為是一種“未掌握的藝術”(Blank Art),還未上升為科學。主要原因是冷彎成形本身具有的特點和規律尚未被人們完全掌握和認識。


北方工業大學機電工程研究所將冷彎成形的CAD/CAE/CAM一體化技術作為研究方向,加強國際交流與合作,加強與企業科研院所的合作,努力為國內外合作伙伴提供所需的技術服務。通過技術交流,使專家經驗變為共同經驗,技術訣竅上升為理論,避免重復的探索,促進全行業的發展和繁榮作為我們努力奮斗的目標。


我國的冷彎成形的CAD技術起源于80年代末、90年代初期,北京科技大學與國內多家企業合作開發了國內最早的CARD系統,北京冶金設備研究院開發了彩板門窗型材設計的CAD。這些CAD技術的應用基本上多局限于將人工計算實現了程序化,尚未實現CAD面向工程的系統化和商品化。由于CAD的工程應用涉及到復雜的技術基礎理論體系和千變萬化的工藝設備條件,因而是一項龐大的工程技術的開發和應用。這樣的工作在我國現有的高校和研究所的技術體系中是很難實現的。在消化引進技術過程中,我國的技術人員也經歷了艱難的探索過程,例如為解決引進軋輥磨損后的修復問題,采用過復雜的模糊理論的反求設計。


為了在高起點上實現冷彎成形CAD的工程應用,1993年起北方工業大學機電工程研究所開始與德國data M公司合作,將商品化冷彎成形的COPRA技術引入國內企業。COPRA經過二十多年的不斷發展,目前已成為國際上本行業事實上的CAD應用標準,在六、七十個國家擁有數百個用戶群。在我國絕大多數冷彎企業也都采用了這一軟件作為設計工具。


我國的冷彎成形的CAM技術起源于90年代初期,北方工業大學機電工程研究所開發了國內最早的異型軋輥CAM系統,解決了彩板門窗軋輥的制造問題,并首先在宜興卡特姆公司得到應用。經過不斷完善,北方工業大學機電工程研究所在國內首創了冷彎成形的CAD/CAM系統(圖2),在國內得到廣泛推廣和應用,被確定為冷彎協會的CAD/CAM技術中心。


我國的冷彎成形的CAE是隨著計算機特別是有限元(FEA)技術的發展獲得應用的。有限元法用于冷彎成形問題的主要有兩種方式:一種是側重于基礎理論的原始研發,一種是在成熟的有限元分析軟件基礎上的二度開發和應用。原始一度研發的例子包括:日本學者小野田等人采用剛塑性有限元法對電焊管進行研究,解決了W彎曲法中管坯邊部的減薄或增厚現象。木內學等人開發了用于焊管以及異型管分析的專用軟件,用于FFX成形等研究。我國的燕山大學等單位以有限元在輥式成形領域的研究為題,完成了一批博士碩士論文的研究工作。一度開發需要對冷彎成形相關理論的深入研究以及大量的技術資源。


目前成熟的商業化的有限元軟件有很多,在這樣的基礎上開展輥式成形有限元的仿真研究有利于獲得實際應用成果,解決工程問題。國內北方工業大學用MARC對冷彎成形過程進行了仿真,完成了十多項結合實際工程的仿真分析。對于企業的工程技術人員,他們更關注的是如何能解決實際問題。一般說來他們對有限元的深奧理論和復雜的前處理、后處理、邊界條件的設定等問題感到困惑。德國data M公司在其冷彎成形設計軟件COPRA中增加有限元仿真模塊COPRA FEA RF的接口,對MSC MARC進行了二次開發,用戶能方便地進行前后處理和自動完成設計數據的建模,降低了使用的難度,具有較好的通用性。我國冷彎行業的企業例如寶鋼研究院、南車四方、大連三高、大連富地、寧波敏實等很多都采用了這一仿真系統。


北方工業大學機電工程研究所與山東新合源熱傳輸科技有限公司合作建立了國內SHOU個CAD/CAE/CAT的研發平臺(圖3),成為高精度冷彎成形產品研發核心技術全面解決方案。利用這一平臺,實現了新產品開發過程中的軋輥設計、制造精度檢測,成形工藝過程仿真,產品形狀精度檢測等環節的關鍵技術突破和創新。


冷彎成形的CAD/CAE/CAM的關鍵技術及工程應用


在板金屬加工中,冷彎成形得到廣泛應用是由于其具有如下工藝特點:⑴生產率高,一般成形速度達到5~30m/min,焊管可達到70~200m/min;⑵材料利用率高,一般可達到≥90%;⑶可以生產非常復雜的橫截面形狀,可以實現30~50個尺寸的型材;⑷適合于大批量生產,而且批量越大越能顯示其優越性;⑸設備投入較低;⑹可以換模具更換產品;⑺適合于高強鋼材料的成形,回彈控制和補償較其他工藝更方便;⑻尺寸的穩定性和一致性好,單件制造成本低……。因此被稱為高生產率的冷彎成形(High Production of Rollforming)。


冷彎成形的CAD技術


我們采用COPRA作為設計的基本工具。為國內外企業完成了數百項冷彎產品的設計工程。一些工程實例如下:


1) 轎車門窗復雜截面的成形設計。


汽車行業是冷彎成形工藝重要的應用領域。轎車門窗的成形不但截面復雜,而且精度要求高(圖4)。隨著我國汽車工業的迅速發展,不斷推出新車型并快速降低成本已成為一個競爭趨勢。近年來我們把汽車行業作為一個重要的服務領域,幫助企業開發了很多新產品。


一個中等復雜的轎車門窗截面成形需要20~30道次的成形(圖5),一些關鍵尺寸的控制公差只有0.1~0.2mm。從設計到調試樣件的開發周期,一般只有一個月時間。沒有高效的CAD計算機輔助設計手段,是根本不可能實現的。采用CAD中的優化技術,可以用經濟的道次獲得好的成形質量。我們曾經用40多道次就完成了國外用60道次成形的一個復雜截型,為用戶節省了大量投資。


2)彩板及不銹鋼門窗。


門窗要滿足隔熱隔聲、保溫防水等功能,型材的截面比較復雜,要求較高。彩色鋼板的防腐性能較好,不銹鋼的外觀比較豪華,是做鋼窗的理想材料。為獲得較高的抗風壓等級,多數型材截面應為封閉截面。為保護彩色鋼板的表面,冷彎成形封閉截面采用了咬口(鎖縫)工藝。這在設計過程中必須要考慮邊部咬口變形工藝的準確性,既不能發生邊部干涉又要保證咬口處的準確疊合。軋輥的設計制造必須考慮型材表面的保護,除了采用較高的表面粗糙度要求外,還需要在局部設計游動輥,以保證整體線速度的一致性。圖6是一個彩板門窗截面的輥花成形工藝圖。不銹鋼門窗截面,需要在成形中考慮其較大的回彈和采用氬弧焊等方式。


3)異型管的拓撲成形設計。


異型管廣泛用于工程機械和特種行業,其附加值遠遠高于普通焊管。以焊接圓管為母管,經過擠壓拉拔變形為異型管(圖7),生產效率高、焊接質量好。COPRA采用的是線性拓撲疊代的方法,確定對應體素的圓弧角和實體長度。輸入最終的異型截面輪廓,就可以自動計算出母管尺寸和各個中間工步的孔型數據。我們成功地為多個企業設計制造了異型管,替代了多種進口產品。


冷彎成型設備

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