冷弯成型轧辊的数字化仿真应用 - 文章

冷弯成型轧辊的数字化仿真应用

作者：Albert Sedlmaier, A.Z. Abee

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随着冷弯及Hydro成形行业对加工工艺技术的要求不断提高以及复杂异型产品加工的需要，仿真软件在冷弯成型行业的应用正在普及。本文论述了冷弯成型工艺的仿真技术已经成为企业全面质量管理的基本组成部分，在冷弯行业的领先企业中的应用。本文展示了在企业中运用有限元分析方法在限定的时间内作出成型轧辊设计，不但是可行的，而且是值得推广和应用于实际的。
关键词：冷弯成型有限元仿真质量管理轧辊设计

1．引言

1.1 冷弯成型工艺

冷弯成型是用成组渐变的型面轧辊，在常温下将金属板带通过连续弯曲变形成为所要求的最终截面的板金属成形的工艺方法。

随着冷弯成型产品的复杂性增加和精度要求的提高，掌握这种成型工艺的技术诀窍，成为提高冷弯成型企业不可缺少的竞争能力。

近来冷弯成型产品作为Hydro成形这种加工业的半成品，使得冷弯成型产品的市场需求不断增加。掌握这种成型工艺的技术诀窍是管件和冷弯型材的基本质量要求，是决定性的竞争要素。

1.2 存在问题

主要的难点在于对高品质产品的加工工艺技术缺乏足够和明确的认识；成形轧辊只在某些特定的部位对成形起作用，大部分板的变形（希望的和不希望的）并不发生在轧辊孔型中的准确位置，而是发生在相随的一对轧辊导入区域，这个变形区域称为变形区长度。

在冷弯成型中的主要问题产生在轧辊的安装调试过程，这常常是由于产品的缺陷和超过公差，而需要对轧辊修正和重新加工。

1 COPRA冷弯成型轧辊设计和分析服务中心，德国data M 软件有限责任公司

2 北方工业大学机电工程研究所,北京 100041

1.3 有限元仿真

数字化仿真是研究和掌握冷弯成型工艺技术的有效工具。然而，过长的计算时间使得有限元仿真难以满足企业快速轧辊设计的要求。

本文介绍了仿真技术在轧辊设计的实际应用，冷弯成型工艺技术研究的成果。

需要说明的是下面的实例只给出了部分的结果和获得的经验，这主要是由于涉及到受委托客户公司的机密。

文中所有仿真实例是用有限元商业分析包COPRA FEA RF（data M 软件公司），基于优化的Marc（MSC 软件公司）求解器得到的。

2．仿真技术在轧辊开发中的应用

传统的轧辊开发步骤以及应用仿真技术的过程表示在图1。

图1轧辊开发流程，经验、仿真

从图中可以看出设计者的经验和工艺技术是非常重要的，同时质量控制和生产过程的质量监控也应当引起重视。

仿真应用的目的在于改进工艺技术方法，提高产品质量，掌握冷弯成型的过程，减少轧辊修复和修改设计，节约生产调试成本。

如图1所示，冷弯成型工艺仿真离不开轧辊设计者的经验和成型设备的安装调试过程。脱离冷弯成型工艺的经验和工艺知识的仿真没有意义，还会在实际应用中产生严重的后果。

设计人员必须经过培训才能成为有限元仿真技术的专家，仿真软件必须采用冷弯成型设计人员的专业术语。

3.仿真实践

轧辊开发的周期有时长达数月，但一般只有几周。因此一套轧辊设计最长只能用一到两周，其中还要留有轧辊加工（车，磨，淬火）时间。

即便利用先进的软件和高速的个人计算机，对冷弯成型过程进行有限元仿真也要花费几个小时甚至几天的时间。

仿真计算时间可以通过下列方法降到最低：用仿真分析模型预优化轧辊组；用有限元分析优化轧辊组。

最好的方法是在用冷弯成型工业的专业软件包进行分析。

3.1 仿真第一步：快速优化

根据本文所阐述的概念，轧辊优化的第一步是几何仿真。系统的几何特性必须考虑的因素包括：成型曲线，轧辊直径，板材厚度，截面形状，轧辊类型和一部分材料特性等。仿真的主要目标是根据用户产品的要求确定成形的最少道次，并在这些道次中平滑地分配成形功。

仿真只用几秒钟的时间就可以完成每个优化变量的计算，帮助轧辊设计人员从最初的设想到迅速确定优化的道次数和成形工艺顺序。

仿真的主要思想是相邻道次间的变形区的曲面形状可以用一个特定的变形曲线来描述。变形曲线是一个成形截面边部在进入下一道次前的一段截型曲线。可以想象用直线描述变形曲线是过于简化了，也与实际情况不相符。过去有大量的研究用正弦曲线和多项式函数描述变形区形状，作者的公司进行了大量的试验和有限元仿真，使这些研究成果与实际工程更加吻合。现在软件可以分析以变形长度为基础的发生在成形方向和横截面上应变。图3是一个弯曲成型工序的优化实例。

图3：用几何仿真包进行的冷弯工艺的优化，水平红线代表材
料的弹性极限，在道次数相同的情况下改变了成形工艺

3.2仿真第二步：有限元仿真

为了对已经优化过的轧辊设计验证，必须进行有限元仿真。本文论述的作为质量管理重要组成部分的仿真目标是对轧辊设计进行验证和校核，寻求冷弯技术特定问题的解决方法。

有限元仿真在冷弯成型的下列方面得到了应用：

－　焊管行业：适用于多规格板厚的轧辊，侧立辊的成型，释放角度，开放孔型后的板带边波，焊接质量，轧辊的磨耗（局部接触压力过大引起的），自由变形，定径品质，焊接补偿，等等。
－　压型板截面：袋形波，弯曲域的减薄，直线构件的拱曲，板带边波，非理想的金属流动等等。
－　开口和闭口截面：包括了上面用于焊管成形和压型板截面的所有内容，另外还有一些特有的问题，如预冲孔变形，材料硬度，弯曲回弹，轮廓尺寸如高／宽／厚比的问题。

这篇论文的主题是介绍仿真在全面质量管理中的应用，因而对这些例子不做详细讨论。如上所列只在图4做了概要介绍，详细的解释和说明请在参考文献2中查阅。需要了解最新的实际应用的例子，请参考作者公司设计部的信息。

图4：仿真实例：成型切断后的回弹（上左一），焊接v型坡口的确定（上中），用3和6道次成型预冲孔变形的对比（上右），冷凝翅片的验证（下左一），压型板初始变形过程边缘摆动（下右）

有限元仿真的结果和信息可以用来检验轧辊设计和进一步的优化。

多数情况下冷弯成型企业本身没有这种能进行专业检验的研究所。即使有研究所，由于有限元分析人员和冷弯成型的设计人员专业语言的差异，也很难有效配合研究。因此，使用经过改进适合于冷弯成型的有限元仿真软件设计是个很好的选择。这样的软件它可以自动建立有限元仿真的模型：

－　生成足够单元
－　合理的边界条件
－　优化的仿真设置

另外，有限元仿真软件可以用冷弯成型的专业术语更清晰地表达结果。用户可以运用操作虚拟的冷弯成型机。过去常常需要在实际中进行的试验，现在可以用仿真软件来做，克服了必须在生产线和某些成型道次中实践的局限性。

需要注意的是仿真软件可以在轧辊设计阶段进行。这样可以节约如下费用：　　　　　　　　　　　　　　

－　无用轧辊的生产费用
－　有缺陷轧辊的返工费用
－　安装调试时间
－　停产修复的时间
－　为今后的项目开发增加技术诀窍和经验

3.3质量检查和仿真

工业应用已经证实了质量管理的必要性：扫描生产使用过的和经一段生产周期后的轧辊几何轮廓。

用实际轧辊的几何数据进行有限元仿真可以给冷弯成型工程师提供冷弯生产线的实际信息。轧辊磨耗及临界状态通过检修可以发现。

轧辊的稳定使用不仅能减少生产成本，更重要的是可以全面提高产品质量。

4、结论

本文提出了对冷弯成型进行全面质量管理的概念，包括两种仿真的软件方法和用轮廓扫描仪检测轧辊几何外形轮廓的硬件装置。

第一步的快速优化设计是基于几何仿真的软件进行的。

轧辊设计后，进一步用一两轮有限元仿真分析检验校核设计结果。

工业应用价值的概念体现在降低设计成本、减少调试费用和提高企业冷弯技术水平方面。

参考文献：
[1] Dipl.-Ing. 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
[2] Dipl.-Ing. Sedlmaier A, ir. Abee A.Z. - Tube mill roll design - Finite Element Simulation for optimum tube mill roll design, Tube International, Nov 2000.
[3] Dipl.-Ing. A.Sedlmaier - data M Software GmbH.　 Finite Element Analysis of the Tube Making (Roll Forming) Process. Welded Tubes as a Semi-Finished Product for Hydroforming Indian Machine tool Manufacturers' Association, International Congress on Sheet Metal Technology for Building Competitiveness with Growth 2001 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/30/2005)


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