冷弯成形新技术开发和应用

作者：北方工业大学 刘继英 艾正青 韩英龙

欢迎访问e展厅 展厅 10 锻压/冲压/轧制设备展厅 压力机, 空气锤, 锻压机床, 单柱液压机, 四柱液压机, ... 采用有限元分析技术，作了内半径为零的双倍折边、宽幅板袋形波缺陷分析、预冲孔孔形畸变的仿真研究；用COPRA软件，实现轿车用高精度复杂型材的生产；通过实验，完成冷弯型材的在线弯曲；采用CAD/CAM技术，在上海建立了高精度冷弯轧辊生产基地，为多个项目提供了技术服务和支持。 关键词：冷弯成形、有限元分析、CAD/CAM、计算机仿真 一、 有限元分析和计算机仿真 冷弯成形的计算机仿真和有限元分析是理论研究的热点，国内外发表的论文和研究成果较多。如何针对生产实际问题，进行计算机仿真，能够解决具体问题，应该成为研究的目标和检验成果的依据。我们根据实际问题，作了内半径为零的双倍折边、宽幅板袋形波缺陷分析、预冲孔孔形畸变的仿真研究，并进行了相关的实验验证。 1． 内半径为零的双倍折边仿真[1] 冷弯成形构件中，双倍折边是常见的形式。双倍折边的设计中，解决板宽的计算和确定合理的成型工艺步骤是关键问题。采用MSC Marc做有限元仿真得到的结论如下： （1）、通过对变形区的等效应变分析，验证了在变形过程中，随着板料的进一步弯曲，其中性层偏离中心层，向弯曲内部移动。仿真给出了具体的偏移过程和数值。 （2）、通过对变形前后单元的比较，发现弯曲中，外周单元出现收缩，内周单元出现伸长，弯曲中部的板厚增加，材料发生了流动。 （3）、通过对应力应变的分析，发现弯曲截面的变形与平面应变的特点比较接近，从而确定可以将板料弯曲简化为平面应变问题。 （4）、通过对弯曲应力集中的分析，确定弯曲外周有较大的拉应力集中，弯曲内部有较大的压应力集中，在弯曲区域与非弯曲区域（或较小弯曲区域）的过渡区有较大的剪应力集中。 2． 宽幅板成形中的缺陷分析[1] 产生袋形波是宽幅板成形中常见的问题。在车厢板、压型板、宽幅卷帘门等型材冷弯过程中经常会出现袋形波缺陷。 实验中按照不同的板厚及辊型配置进行了18种组合的实验，并针对比较明显的袋形波、边部波浪、纵向弯曲三种缺陷从产生机理、实验结果等方面进行了分析研究，并对缺陷的消除提出了相应的措施。主要结论如下： （1）、袋形波的产生主要是由于板在弯曲过程中出现了脱线现象，在弯曲的部位产生了横向拉应力和横向应变。根据板料变形的泊松关系，沿纵向会出现收缩变形，而纵向收缩的部分对中部的未收缩的部分施加了压力，板料中间部分失稳出现了袋形波。袋形波主要是弹性变形。 （2）、出现袋形波可适当添加部分道次。断面边缘宽度的大小对袋形波有一定影响，薄板比厚板更容易出现袋形波。可以通过给板料施加拉力来减缓袋形波。 （3）、边浪的产生是两种效果的综合，第一种与袋形波的产生相同，第二种是断面边缘部分的材料先是在外力作用下被拉伸剪切变长，后又再次被压缩剪切产生塑性变形造成边浪。这两种效果互相叠加，造成边浪。各道次均有可能发生边部波浪，前面的道次对边部波浪的出现影响比较大。薄板比厚板更加容易出现边浪，宽边比窄边更加容易出现边浪。 3． 预冲孔孔形畸变的仿真研究[2] 冷弯成形产品发展的方向之一是不断满足各种应用需求，在产品上实现多种功能。电控柜立柱型材、货架型材等都需要在成形前完成预冲孔。由于孔距和孔的几何形状要求高，不允许在弯曲过程中产生较大的变形，因此预冲孔孔形畸变的仿真研究和控制措施就很重要。 以预冲孔板料为实例，通过现场实验得到了控制预冲孔板料冷弯成形过程中孔形畸变的新方法，分析了孔形畸变的产生机理，并对实验结果进行了总结。同时利用计算机仿真软件模拟了加工过程，并将现场实验结果和计算机仿真结果进行了比较。 根据工艺图，仿真出结果，用云图和曲线的方式显示了材料横截面的变形程度，为进一步了解轧制过程中的变形规律奠定了基础。 通过对不同的模具的模拟仿真结果比较，探讨了不同模具对材料的预冲孔区域的应力应变影响，得到了适于实验的最优模型方案。 通过对加工后的板料的横截面的应力应变状况的分析，找到了产生孔形畸变缺陷的主要原因：板料产生孔形畸变的原因是：材料的冲孔区域在成型过程中边缘会出现很大的应力增量，冲孔区域的等效应力在加工过程中逐渐增大，应变也随之积累。预冲孔部分成形角外侧的板产生横向位移。表现在预冲孔边缘上就产生了较大的位移应变，继而产生了孔形畸变，当应变积累的程度超过了材料的强度极限，就会发生撕裂的情况。 依据得到的最优仿真方案，修改了辊型工艺图，并进行了现场的实验。实验表明，仿真结果可以作为模具设计的依据，并且非常有效的避免了孔形畸变的产生。 二、 高精度复杂型材的生产线 冷弯成形特别适合于大批量生产。相对于折弯工艺，辊式冷弯成形的生产效率高，产品的尺寸一致性好，可以实现折弯无法生产的复杂截形。随着我国轿车工业的迅猛发展，高精度复杂型材的冷弯成形生产线的需求越来越多。 对轿车门窗件，冷弯成形常常是首道工序和关键工序。冷弯成形之后还需要将几层金属在一些间隔点上缝焊。所以生产线还需要包括在线缝焊设备、跟踪切断设备等。 对于轿车门窗的冷弯成形生产线，不但成形道次多而且精度要求高。我们总结和提出了控制检验轧机精度的十多项指标，重点是控制轧机的轴向窜动及在全部机组上轴向定位基准的准确性。 合理地制定成型工艺，并通过用COPRA软件的仿真，确定最优的成型步骤。采用CAD/CAM技术制造高精度的轧辊，顺利地轧制出了多个高精度复杂型材。 德国data M公司的COPRA软件是冷弯成形设计的专业软件，在国际上得到最广泛的应用[3]，国内行业内领先水平的企业都采用它作为开发新产品的手段。我们应用这一软件，已成功地设计制造了数百种冷弯成形产品[4]。 三、 冷弯型材的在线弯曲 许多型材要求在长度方向上成为2维圆弧，截面成型后的在线弯曲是个较好的方法。过去常用的方法是在压力机上通过模具压弯，模具需要经过反复调试，当材料的性质发生变化时，需要经常修改模具。压力机压弯需要一个一个零件安装特定的工装内芯，以避免弯曲过程中产生的皱褶等缺陷。完成后再拆除这些内芯，工作量大、效率低，安全性差。 在线弯曲只需要在冷弯型材的出口处安装一套在线弯圆装置，以使型材达到要求的圆弧尺寸。该装置可以通过调整，以解决不同材料特性和材料回弹造成的影响。只要是2维圆弧，不论是在水平面内还是在垂直平面内，均可实现在线弯曲。 从理论上说，3点确定一个圆弧。但是要获得较好的弯曲质量，通过试验我们认为，成型轨迹应该由特定的变形轨迹曲线来确定。 弯圆轨迹的特定的变形曲线应由方程：ρ=ρ0 + αθ 或者由方程： x=a(cosΦ+ΦsinΦ) y=a(sinΦ-ΦcosΦ) 确定。 四、 CAD/CAM一体化技术制造高精度轧辊 为了将我们多年的科研成果积累转化为生产力，为国内外用户提供高质量的技术服务和技术支持，在上海市成立了乐孚明（RlollForming）机械有限公司。采用CAD/CAM一体化技术，为国内外客户提供全方位的服务。乐孚明现有数控机床多台以及全套的加工设备，成功地为用户提供了多种规格的高精度轧辊以及在线弯圆等相关设备。 依托上海工业基地和长江三角洲的优势，广泛开展国内外合作，聚集和培养高素质、高水品的人才，加上科学的现代化管理才能为客户提供高质量的产品和技术服务。乐孚明以此为目标，与我国的冷弯成形行业共同发展和进步。 参考文献： [1].王春新 冷弯成形中有限元仿真及实验研究 北方工业大学研究生论文 指导教师 刘继英 2003.5. [2]. 夏雁宾 冷弯成形中预冲孔畸变控制方法实验与仿真研究 北方工业大学研究生论文 指导教师 刘继英 2003.5. [3]. A.Sedlmaier - data M Software GmbH,　 Optimum Roll Design and Finite Element Analysis of the Roll Forming and Tube & Pipe Making Society of Manufacturing Engineers, USA - Tube & Pipe Making and Roll Forming Conference 2002 [4].刘继英 艾正青 Albert Sedlmaier．辊弯成型CAD/CAM技术的应用与发展．北方工业大学学报，1999.5(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)