冷彎成形新技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用

　　　　　　　　　　　北方工業(yè)大學(xué) 劉繼英 艾正青 韓英龍 

　　采用有限元分析技術(shù)，作了內(nèi)半徑為零的雙倍折邊、寬幅板袋形波缺陷分析、預(yù)沖孔孔形畸變的仿真研究；用COPRA軟件，實(shí)現(xiàn)轎車用高精度復(fù)雜型材的生產(chǎn)；通過實(shí)驗(yàn)，完成冷彎型材的在線彎曲；采用CAD/CAM技術(shù)，在上海建立了高精度冷彎軋輥生產(chǎn)基地，為多個(gè)項(xiàng)目提供了技術(shù)服務(wù)和支持。

　　關(guān)鍵詞：冷彎成形、有限元分析、CAD/CAM、計(jì)算機(jī)仿真  

　　一、 有限元分析和計(jì)算機(jī)仿真  

　　冷彎成形的計(jì)算機(jī)仿真和有限元分析是理論研究的熱點(diǎn)，國內(nèi)外發(fā)表的論文和研究成果較多。如何針對生產(chǎn)實(shí)際問題，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，能夠解決具體問題，應(yīng)該成為研究的目標(biāo)和檢驗(yàn)成果的依據(jù)。我們根據(jù)實(shí)際問題，作了內(nèi)半徑為零的雙倍折邊、寬幅板袋形波缺陷分析、預(yù)沖孔孔形畸變的仿真研究，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。  

　　1． 內(nèi)半徑為零的雙倍折邊仿真[1]  

　　冷彎成形構(gòu)件中，雙倍折邊是常見的形式。雙倍折邊的設(shè)計(jì)中，解決板寬的計(jì)算和確定合理的成型工藝步驟是關(guān)鍵問題。采用MSC Marc做有限元仿真得到的結(jié)論如下：  

（1）、通過對變形區(qū)的等效應(yīng)變分析，驗(yàn)證了在變形過程中，隨著板料的進(jìn)一步彎曲，其中性層偏離中心層，向彎曲內(nèi)部移動。仿真給出了具體的偏移過程和數(shù)值。  

（2）、通過對變形前后單元的比較，發(fā)現(xiàn)彎曲中，外周單元出現(xiàn)收縮，內(nèi)周單元出現(xiàn)伸長，彎曲中部的板厚增加，材料發(fā)生了流動。  

（3）、通過對應(yīng)力應(yīng)變的分析，發(fā)現(xiàn)彎曲截面的變形與平面應(yīng)變的特點(diǎn)比較接近，從而確定可以將板料彎曲簡化為平面應(yīng)變問題。  

（4）、通過對彎曲應(yīng)力集中的分析，確定彎曲外周有較大的拉應(yīng)力集中，彎曲內(nèi)部有較大的壓應(yīng)力集中，在彎曲區(qū)域與非彎曲區(qū)域（或較小彎曲區(qū)域）的過渡區(qū)有較大的剪應(yīng)力集中。  

　　2． 寬幅板成形中的缺陷分析[1]  

　　產(chǎn)生袋形波是寬幅板成形中常見的問題。在車廂板、壓型板、寬幅卷簾門等型材冷彎過程中經(jīng)常會出現(xiàn)袋形波缺陷。  

　　實(shí)驗(yàn)中按照不同的板厚及輥型配置進(jìn)行了18種組合的實(shí)驗(yàn)，并針對比較明顯的袋形波、邊部波浪、縱向彎曲三種缺陷從產(chǎn)生機(jī)理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等方面進(jìn)行了分析研究，并對缺陷的消除提出了相應(yīng)的措施。主要結(jié)論如下：  

（1）、袋形波的產(chǎn)生主要是由于板在彎曲過程中出現(xiàn)了脫線現(xiàn)象，在彎曲的部位產(chǎn)生了橫向拉應(yīng)力和橫向應(yīng)變。根據(jù)板料變形的泊松關(guān)系，沿縱向會出現(xiàn)收縮變形，而縱向收縮的部分對中部的未收縮的部分施加了壓力，板料中間部分失穩(wěn)出現(xiàn)了袋形波。袋形波主要是彈性變形。  

（2）、出現(xiàn)袋形波可適當(dāng)添加部分道次。斷面邊緣寬度的大小對袋形波有一定影響，薄板比厚板更容易出現(xiàn)袋形波�？梢酝ㄟ^給板料施加拉力來減緩袋形波。  

（3）、邊浪的產(chǎn)生是兩種效果的綜合，第一種與袋形波的產(chǎn)生相同，第二種是斷面邊緣部分的材料先是在外力作用下被拉伸剪切變長，后又再次被壓縮剪切產(chǎn)生塑性變形造成邊浪。這兩種效果互相疊加，造成邊浪。各道次均有可能發(fā)生邊部波浪，前面的道次對邊部波浪的出現(xiàn)影響比較大。薄板比厚板更加容易出現(xiàn)邊浪，寬邊比窄邊更加容易出現(xiàn)邊浪。  

　　3． 預(yù)沖孔孔形畸變的仿真研究[2]  

　　冷彎成形產(chǎn)品發(fā)展的方向之一是不斷滿足各種應(yīng)用需求，在產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)多種功能。電控柜立柱型材、貨架型材等都需要在成形前完成預(yù)沖孔。由于孔距和孔的幾何形狀要求高，不允許在彎曲過程中產(chǎn)生較大的變形，因此預(yù)沖孔孔形畸變的仿真研究和控制措施就很重要。  

　　以預(yù)沖孔板料為實(shí)例，通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)得到了控制預(yù)沖孔板料冷彎成形過程中孔形畸變的新方法，分析了孔形畸變的產(chǎn)生機(jī)理，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)。同時(shí)利用計(jì)算機(jī)仿真軟件模擬了加工過程，并將現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果進(jìn)行了比較。  

　　根據(jù)工藝圖，仿真出結(jié)果，用云圖和曲線的方式顯示了材料橫截面的變形程度，為進(jìn)一步了解軋制過程中的變形規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。  

　　通過對不同的模具的模擬仿真結(jié)果比較，探討了不同模具對材料的預(yù)沖孔區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變影響，得到了適于實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)模型方案。  

　　通過對加工后的板料的橫截面的應(yīng)力應(yīng)變狀況的分析，找到了產(chǎn)生孔形畸變?nèi)毕莸闹饕�原因：板料產(chǎn)生孔形畸變的原因是：材料的沖孔區(qū)域在成型過程中邊緣會出現(xiàn)很大的應(yīng)力增量，沖孔區(qū)域的等效應(yīng)力在加工過程中逐漸增大，應(yīng)變也隨之積累。預(yù)沖孔部分成形角外側(cè)的板產(chǎn)生橫向位移。表現(xiàn)在預(yù)沖孔邊緣上就產(chǎn)生了較大的位移應(yīng)變，繼而產(chǎn)生了孔形畸變，當(dāng)應(yīng)變積累的程度超過了材料的強(qiáng)度極限，就會發(fā)生撕裂的情況。  

　　依據(jù)得到的最優(yōu)仿真方案，修改了輥型工藝圖，并進(jìn)行了現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，仿真結(jié)果可以作為模具設(shè)計(jì)的依據(jù)，并且非常有效的避免了孔形畸變的產(chǎn)生。  

　　二、 高精度復(fù)雜型材的生產(chǎn)線  

　　冷彎成形特別適合于大批量生產(chǎn)。相對于折彎工藝，輥式冷彎成形的生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品的尺寸一致性好，可以實(shí)現(xiàn)折彎無法生產(chǎn)的復(fù)雜截形。隨著我國轎車工業(yè)的迅猛發(fā)展，高精度復(fù)雜型材的冷彎成形生產(chǎn)線的需求越來越多。  

　　對轎車門窗件，冷彎成形常常是首道工序和關(guān)鍵工序。冷彎成形之后還需要將幾層金屬在一些間隔點(diǎn)上縫焊。所以生產(chǎn)線還需要包括在線縫焊設(shè)備、跟蹤切斷設(shè)備等。  

　　對于轎車門窗的冷彎成形生產(chǎn)線，不但成形道次多而且精度要求高。我們總結(jié)和提出了控制檢驗(yàn)軋機(jī)精度的十多項(xiàng)指標(biāo)，重點(diǎn)是控制軋機(jī)的軸向竄動及在全部機(jī)組上軸向定位基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。  

　　合理地制定成型工藝，并通過用COPRA軟件的仿真，確定最優(yōu)的成型步驟。采用CAD/CAM技術(shù)制造高精度的軋輥，順利地軋制出了多個(gè)高精度復(fù)雜型材。  

　　德國data M公司的COPRA軟件是冷彎成形設(shè)計(jì)的專業(yè)軟件，在國際上得到最廣泛的應(yīng)用[3]，國內(nèi)行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平的企業(yè)都采用它作為開發(fā)新產(chǎn)品的手段。我們應(yīng)用這一軟件，已成功地設(shè)計(jì)制造了數(shù)百種冷彎成形產(chǎn)品[4]。  

　　三、 冷彎型材的在線彎曲  

　　許多型材要求在長度方向上成為2維圓弧，截面成型后的在線彎曲是個(gè)較好的方法。過去常用的方法是在壓力機(jī)上通過模具壓彎，模具需要經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，當(dāng)材料的性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，需要經(jīng)常修改模具。壓力機(jī)壓彎需要一個(gè)一個(gè)零件安裝特定的工裝內(nèi)芯，以避免彎曲過程中產(chǎn)生的皺褶等缺陷。完成后再拆除這些內(nèi)芯，工作量大、效率低，安全性差。  

　　在線彎曲只需要在冷彎型材的出口處安裝一套在線彎圓裝置，以使型材達(dá)到要求的圓弧尺寸。該裝置可以通過調(diào)整，以解決不同材料特性和材料回彈造成的影響。只要是2維圓弧，不論是在水平面內(nèi)還是在垂直平面內(nèi)，均可實(shí)現(xiàn)在線彎曲。  

　　從理論上說，3點(diǎn)確定一個(gè)圓弧。但是要獲得較好的彎曲質(zhì)量，通過試驗(yàn)我們認(rèn)為，成型軌跡應(yīng)該由特定的變形軌跡曲線來確定。  

彎圓軌跡的特定的變形曲線應(yīng)由方程：ρ=ρ0 + αθ  

或者由方程：  

x=a(cosΦ+ΦsinΦ)  

y=a(sinΦ-ΦcosΦ)  

確定。  

　　四、 CAD/CAM一體化技術(shù)制造高精度軋輥  

　　為了將我們多年的科研成果積累轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，為國內(nèi)外用戶提供高質(zhì)量的技術(shù)服務(wù)和技術(shù)支持，在上海市成立了樂孚明（RlollForming）機(jī)械有限公司。采用CAD/CAM一體化技術(shù)，為國內(nèi)外客戶提供全方位的服務(wù)。樂孚明現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床多臺以及全套的加工設(shè)備，成功地為用戶提供了多種規(guī)格的高精度軋輥以及在線彎圓等相關(guān)設(shè)備。  

　　依托上海工業(yè)基地和長江三角洲的優(yōu)勢，廣泛開展國內(nèi)外合作，聚集和培養(yǎng)高素質(zhì)、高水品的人才，加上科學(xué)的現(xiàn)代化管理才能為客戶提供高質(zhì)量的產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)。樂孚明以此為目標(biāo)，與我國的冷彎成形行業(yè)共同發(fā)展和進(jìn)步。