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冷弯型钢的CAD/CAM一体化技术与应用
作者:北方工业大学 刘继英 艾正青
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压力机, 空气锤, 锻压机床, 单柱液压机, 四柱液压机, ...
摘要:本文介绍了北方工业大学与德国data M 公司近年来合作研究开发的技术成果,给出了冷弯型钢CAD/CAM一体化技术的应用实例。应用CAD/CAM一体化技术,在激烈的市场竞争中能够缩短新产品开发的时间,提供高品质的产品,降低企业成本,更好地满足客户的需求。冷弯型钢CAD/CAM一体化技术的应用取得了良好的效果。
关键词:CAD CAM 冷弯型钢 新产品开发

1. 冷弯型钢的CAD/CAM一体化技术

冷弯型钢的CAD/CAM即计算机辅助设计与制造一体化技术得到了广泛应用。由德国data M开发的COPRA是解决冷弯型钢设计的集成软件。在应用这一优秀软件的基础上,计算机能够模拟成形过程,在更多的方面帮助设计者以得到最优的设计结果。能够快速做出工艺方案,估算成本,完成锻件下料计划。设计的辊型轮廓数据可以自动转化为计算数控加工指令代码,并经计算机传送到数控机床,利用包络法磨削及新型刀具材料实现高精度的辊型轮廓加工。

冷弯型钢CAD/CAM一体化技术的主要内容表示在图1中。

1.1 冷弯型钢的计算机仿真技术

由data M开发的变形技术模块(DTM)是在有限元法和大量实验基础上,根据几何变形条件和材料特性,就能在计算机上实现冷弯型钢的变形模拟。DTM可给出每个道次的最大纵向应变,也可分别计算出板的上、中、下层的拉应变和压应变。如果最大的拉应变超过材料的屈服点(对低碳钢最大值为 0.35%),或最小压缩应变低于某一值 (例如日本小奈 弘教授给出的值为小于0.3*10-4),就会产生缺陷。根据在计算机屏幕上得到的结果,就可修改变形顺序和成型角度。用计算机模拟,我们可预测在那一变形道次上会产生缺陷,然后修改设计。应用DTM模拟技术,我们为很多企业作过冷弯型钢的计算机优化。将可能出现的问题解决在设计阶段,减少调试过程,不但可以加快新产品的试制周期,还可以减少调试用料,降低成本。

冷弯型钢计算机仿真技术的实例表示在图2、图3 。


图2 圆管成型的计算机模拟


图3 压型板成型的计算机模拟

1.2 冷弯型钢的计算机辅助制造技术

实现一个复杂断面的冷弯型钢需要上百个形状各异的轧辊。轧辊的辊型轮廓与板料的成型密切相关,保证成型部位的几何坐标的准确性是十分重要的。轧辊的轴向精度要比起径向精度更重要。实际加工过程,使用通用量具,轧辊的径向测量要比轴向容易得多;使用传统的车床加工,轴向精度的控制要比径向难很多。计算机数控技术可很好地解决异型辊的加工问题。

使用8 工位刀台的数控车床,加工硬度HRC58-62的轧辊(见图4)。使用特殊的刀具,可得到相当好的表面质量。我们采用的是两坐标联动的、控制分辨率为0.001mm 的数控系统。


图 4 CNC 车床加工轧辊

由于每个轧辊的形状及尺寸均不相同,采用“首件试切法”检验数控程序是不可行的。一般情况下,手工编程的低效率会影响数控功能的发挥 。数据运算和程序编制很难避免错误,而任何错误都可能会造成工件报废或严重的机床及人身事故。计算机辅助制造技术可自动生成数控程序,并检验模拟数控指令。 COPRA 可根据CAD数据,按照不同的机床数控格式自动生成NC代码,并可在计算机屏幕上用动画的方式模拟刀具的运行轨迹。

作者将冷弯型钢的 CAD 和 CAM 技术,从设计到制造的全过程实现计算机的无缝集成。过去数控程序的输入是靠手工方式一个码一个码地键入,一个较长的程序要10分钟左右,与完成一个零件的时间相差不多。人工输入很难避免错误,而任何错误都会造成工件的报废或机床事故。采用计算机与数控机床的通讯接口技术,可将编好的程序快速准确地送到数控机床,提高了机床的利用率。由于实现了计算机与数控机床之间的通讯,几秒钟之内可实现上千条语句的传送。一张3寸的小磁盘可存储2000-3000片轧辊的加工数据。对于复杂型面轧辊的精加工,可提高机床的利用率40-50%。辊片数据的保存、重复生产及辊片的修复是十分方便的。


图5 一套轧辊生产的4种防盗门框

由于对轧辊使用性能的特殊要求,轧辊一般都要选择较硬的材料并经过淬火处理,其硬度很高。在以前的加工工艺中,对于精度要求特别高的轧辊,只有在热处理前留一定的余量,热处理后再采用磨削工艺做精加工;对于精度要求不特别高的轧辊,一般在热处理前加工到尺寸,热处理后再采用手工抛光的办法,但这种方法不能消除热处理的变形,轧辊精度特别是形状精度有较大的误差,从而影响金属的成型。


图6 帮助企业开发的部分新产品

随着制造技术的发展,特别是刀具材料和切削工艺的迅速发展,出现了涂层硬质合金、超硬硬质合金、陶瓷材料、立方氮化硼等新型刀具材料。新型刀具材料的出现不仅大大提高了刀具耐用度和切削加工生产率,提高了加工精度和表面质量,而且解决了许多难加工材料的加工问题,可用车削加工部分代替以前使用的磨削加工,提高了高硬度淬火材料的切削加工生产率。为此我们经过大量的切削实验和切削工艺参数优化实验,选择了合适的刀具材料牌号,确定了在数控加工中的切削工艺参数,实现了轧辊淬火后车削精加工,从而大大提高了轧辊精度和轧辊使用寿命,简化了轧辊制造的工艺流程,缩短了新的型钢断面的研制和开发周期,并降低了生产成本。

2. 冷弯型钢的CAD/CAM一体化技术的应用

在激烈的市场竞争中,冷弯型钢行业满足客户需求的内容可概括为TQCS(即Time时间、Quality质量、Cost成本、Service服务)。采用国内外最新的适用技术,全心全意为客户开发新产品提供技术支持,在冷弯型钢的CAD/CAM一体化技术的应用方面取得了一批成果。

2.1 冷弯型钢的CAD/CAM一体化技术更好地满足了客户的需求

由于采用了计算机技术缩短了轧辊设计制造的周期,这主要体现在一次设计的成功率,制造的高精度,设计与制造的并行化上。市场竞争的激烈性,突出地体现在用户对时间的要求上。

我们曾用15天时间为天津的一个生产厂,完成了铁路护网立柱的轧辊设计制造,顺利生产出产品。用25天时间为金杯车设计制造了车厢侧板的轧辊模具,并顺利轧出了合格的产品,克服了过去冲压件的回弹变形。

轧辊的设计质量和制造质量由于采用CAD/CAM一体化技术,得到了保证。计算机仿真技术的应用,使得设计者能很快得到最优的设计工艺及设计参数,将可能出现的问题尽可能地在模拟过程中解决。

计算机辅助制造技术,数控系统0.001mm的控制分辨率和插补联动功能,提高了复杂轮廓辊型的制造精度。四川的一个公司为美国生产的高精度复杂型材,曾花费30多万模具费,用了近3年的时间都未获成功。我们只用了45天时间,设计制作并生产出2种高精度、高难度的样品。为该公司获得了长期的合作订单。

采用CAD/CAM一体化技术还能够帮助客户显著地降低成本。这主要体现在三个方面:优化设计和高精度辊型制造,减少了调试时间和调试用料;多个类似断面可以采用模具组合,通过调整和更换部分模具,生产出多个品种;根据用户生产批量,合理选择轧辊材料,降低模具投入费用。

由于设计基准、制造基准、安装调试基准的统一,调试时间一般很短。包头一个企业购置了冷弯型钢生产线,10个月调试未能生产出产品,采用我们设计制造的模具,安装后直接就生产出了合格产品。我们还为这家企业,设计制造了组合轧辊,在一套模具的基础上,能够生产8种不同规格的产品。采用计算机优化设计的方法,在一套轧辊的基础上,只需更换部分辊片,就可以生产出四种新型的专利防盗门型材料型,用户只花了一套模具的钱,可以生产四种型材。由于设计制作中,采用了分片组合技术,当生产厂需要生产新的装饰花边时,只需要更换相关的辊片,就可获得新的品种。

2.2 采用CAD/CAM一体化技术帮助企业开发冷弯型钢的新产品

企业的生存和发展依赖于新产品的开发。要提高冷弯型钢产品的科技含量和技术附加值,依靠传统的经验和试错法,已不现实。新产品的开发,提出了许多高难度的课题。发挥高校、科研单位与企业的各方优势,可以将新技术尽快地转化为生产力,将新产品推向市场。

经过几年的发展,我们不仅可以向企业提供技术服务、技术咨询、软件培训等工作,还可以提供轧辊设计、制造、调试服务;还有高精度的实验轧机,提供高精度冷弯型钢新产品的批量生产。

在中国钢协冷弯型钢第四届理事大会上,北方工业大学机电工程研究所被选为副理事长单位,并被确定为中国钢协冷弯型钢协会的CAD/CAM技术的依托推广中心。

北方工业大学机电工程研究所发挥科技开发技术优势,和国内外企业广泛合作,掌握新技术新产品的发展动向,不断提升科技开发能力,促进冷弯成型技术的发展与应用,为行业的发展提供越来越广的服务。

一些行业要求生产尖角冷弯型钢,满足特殊的要求。我们经过3轮实验,成功地解决了外部成型角为尖角的型材成型。


图7 弯曲外角为尖角的试件

别克轿车的防撞保险杠的成型是高强度、大回弹材料,材料的抗拉强度达到σb =960MPa,还要在线冲孔、弯圆。

小汽车门窗料的成型是典型的高精度复杂截型。我们为客户做的设计顺利地生产出产品。


图9 小汽车门窗型材

我们还和实力雄厚的中国机械工业装备集团的捷迈公司合作,为国内5家农用车生产厂提供了7条轧制生产线。实现了纵剪、预冲孔、成型、冲铆、切断等。使生产企业获得了良好的经济效益。

大直径、薄壁圆管与方矩形管的开发,采用计算机优化获得了良好的效果。对于多个品种的D/t>100的薄壁圆管与方矩形管,设计一次成功,调试顺利,若用人工设计是很难做到的。异型管的应用越来越广泛,且异型管的附加值远高于普通焊管。一般情况下,用20多天时间,就可以设计制造出一套异型管轧辊。我们和河南一个企业合作,成功地生产出多个规格的异型管,替代了比利时进口件。


图11异型管成型工艺图 图12 异型管的辊花叠加图

在采用计算机技术对冷弯型钢工艺过程仿真、新型冷弯型钢的参数化设计、高精度小型轧机的设计等方面也做了有益的探索。

冷弯型钢企业要不断利用新技术、开发新产品,力争获得客户的最大满意度,才能使企业不断发展。冷弯企业的出路在于加强与用户的联系,提高产品的竞争力,而不是只靠价格竞争。以用户和利润为中心,研究用户是市场经济的通用规则。采用CAD/CAM一体化技术,能帮助客户获得科学、优化的工艺技术方案,获得最佳的投资效益。

参考文献
[1] Jiying Liu Albert Sedlmaier The Application & Development of a CAD/CAM System for Rollforming TUBETECH 98' Shanghai 1998.11
[2] 刘继英 冷弯成型CAD/CAM技术的最新进展 北方工业大学学报 1999.5
[3]H. Ona, T. Jimma, H. Kozono, T. Nakako: A Computer Aided Design System for Forming Wide profile Section and pipe Sections. Bull. P.M.E. No.59.March 1987 pp.1-9
[4]A. Sedlmaier: Reverse Engineering & Simulation Technologies for the Design and Manufacture of Tube Mill Rolls. Tube 2000 Toronto June 11-14,1996
[5]A. Sedlmaier: Forming Round Tube to Special Shapes; Software Solution for Determining and Designing High Quality Roll Tools and Drawing Rings, Tube and Pipe Technology, March/April 1998, pp.66-69.(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (3/30/2005)
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