輥彎成型技術(shù)的研究與應(yīng)用

輥彎成型技術(shù)的研究與應(yīng)用

輥彎成型技術(shù)輥筒結(jié)構(gòu)（也稱為冷彎結(jié)構(gòu)或扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)）是一種有序列的多通道的扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。在特定的輪廓表面上，通過緩慢傾斜，或?qū)⒕戆寤驃A緊板制成特定截面上的金屬板材。工作原理如圖1所示。在《聯(lián)合國氣候變化框架公約》締約方第15次會議哥本哈根世界氣候變化大會上,節(jié)能減排是會議討論的主要議題,而我國也提出了“發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟,創(chuàng)建節(jié)約社會”的政策要求,使得高效節(jié)能的各種新材料得到了快速發(fā)展。輥彎成型是一種高效、節(jié)材、節(jié)能、環(huán)保的板金屬成型技術(shù),擁有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域,已成為大批量生產(chǎn)最常用的板金屬加工方法之一。輥彎成型產(chǎn)品在建筑行業(yè)、汽車制造、農(nóng)機制造、船舶制造和交通運輸、石油化工及日常用品制造等許多領(lǐng)域,得到了廣泛的應(yīng)用,在我國國民經(jīng)濟中起著很重要的作用。1流固結(jié)構(gòu)模型輥彎成型的成型機理比較復(fù)雜,現(xiàn)在的理論研究還不是很成熟,其中最常用的研究方法是簡化解析法。簡化解析法中將橫向彎曲變形和縱向彎曲變形分別進行分析,其中橫向彎曲變形采用彈塑性理論和純彎曲理論進行分析,而縱向變形將帶材視為彈塑性薄殼進行分析。國外,新西蘭的Bhattacharyya,Smith研究了使用單輥和多輥情況下的縱向應(yīng)變,而且研究了不同的彎曲角度和彎曲角度增量下應(yīng)變的變化。認為峰值應(yīng)變的大小取決于彎曲角的增量,而不是軋制過程中軋輥的角度。日本的小奈弘提出槽鋼邊部成型的水平投影軌跡為三次多項式,即y=Ax3+Bx2+Cx+D,并根據(jù)邊界條件求出各個待定系數(shù)。K.Nakajima提出一種縱向應(yīng)變計算模型,是基于坯料的橫截面形狀為單半徑的圓弧平面,且始終垂直于Z軸假設(shè)下得出的模型,其縱向應(yīng)變具體形式為εaxial=dx2+dy2+dz2?????????????√?dz/dzεaxial=dx2+dy2+dz2-dz/dz。日本的木內(nèi)學引入了可用描述接觸變形區(qū)和非接觸變形區(qū)中的板帶變形表面的形狀函數(shù)S(x)來表示X=X(x,y)Y=Y1(y)+{Y2(y)?Y1(y)}?S(x)Z=Z1(y)+{Z2(y)?Z1(y)}?S(x)?????(1)X=X(x,y)Y=Y1(y)+{Y2(y)-Y1(y)}?S(x)Ζ=Ζ1(y)+{Ζ2(y)-Ζ1(y)}?S(x)}(1)式中S(x)——成型過程中的金屬流線,可表示為S(x)=sin|π2?(XL)n|L=X2?X1S(x)=sin|π2?(XL)n|L=X2-X1該形狀函數(shù)中含有一個參數(shù)n,n隨著最小總變形能的變化而變化。隨后木內(nèi)學又將計算機仿真技術(shù)應(yīng)用于異形管的輥彎成型。日本YoshitomiONODA等用剛塑性有限元法對輥彎成型電焊管的變形特性進行了分析,得出傾斜角的最大值熱效應(yīng)區(qū)的最外層表面的金屬流動線,以及在壁厚方向等溫焊接可以降低最大傾斜角的結(jié)論。SalmaniTehrani等引進了一個“局部彎曲”缺陷作為圓管輥彎成型的限制因素,認為軋輥機組的大成形角將導(dǎo)致板帶的局部褶皺,產(chǎn)品的質(zhì)量降低。CristopherDMoen等提出了,基于力學的對起始殘余應(yīng)力和冷軋鋼板成型時實際塑性應(yīng)變的預(yù)測方法。該方法用結(jié)構(gòu)力學描述每個生產(chǎn)階段的應(yīng)力和應(yīng)變,最終得到了一系列的封閉形式的預(yù)測殘余應(yīng)力和應(yīng)變的代數(shù)方程組。MichaelLindgren等采用局部加熱的方法對不銹鋼進行冷彎成型實驗,得到的結(jié)果是,局部加熱可以使成型性能大大增加,材料在輥彎成型時,其在彎曲區(qū)的內(nèi)外半徑處的加工硬化可以被接受。國內(nèi),王春新對輥彎成型的內(nèi)半徑為零的輥彎成型過程進行了模擬,通過仿真優(yōu)化了內(nèi)彎曲半徑為零輥彎工藝的軋輥設(shè)計。夏雁賓對預(yù)沖孔板料的輥彎成型進行仿真分析,認為產(chǎn)生孔型畸變的主要原因是板料的沖孔區(qū)域和加工寬度接近,成型角外側(cè)的板產(chǎn)生橫向位移而產(chǎn)生孔型畸變,并通過仿真分析優(yōu)化了軋輥設(shè)計。史永凌對先進高強度鋼DP800和普通碳素鋼Q235的輥彎成型回彈和變形能進行了對比分析,認為與Q235相比,隨著輥彎角度的增加,DP800的回彈增量及輥彎變形能增量均有顯著增加,并得出對DP輥彎回彈的計算,應(yīng)該考慮屈服應(yīng)力具有在彎曲角度增加而增大特性的結(jié)論。2輥旋制ca機文化2.1輥彎成型計算機仿真技術(shù)輥彎成型過程是一個復(fù)雜的成形過程,受到很多因素影響。目前輥彎型鋼的軋輥設(shè)計多是以經(jīng)驗設(shè)計為主,依賴試錯法獲取工藝規(guī)律,缺乏完善的成形理論;在設(shè)計階段則存在不能確定金屬變形是否合理,軋輥設(shè)計是否正確,因此,一旦出現(xiàn)問題就會增加成本,不能及時交貨。而采用輥彎成型過程的仿真技術(shù)則可以減少調(diào)試時間,提高生產(chǎn)效率。因此對輥彎成型過程進行理論研究和計算機仿真十分重要。以輥彎成型CAD(計算機孔型設(shè)計技術(shù))為中心的研究與開發(fā)工作正在逐步深入和擴大。己研制出較為成熟的輥彎CAD/CAE系統(tǒng)很多。其中具有代表性的有德國dataM公司的COPRA系統(tǒng)。COPRA系統(tǒng)能完成所有類型的輥彎型鋼斷面的軋輥設(shè)計,可提供從輥花設(shè)計、軋輥設(shè)計、成型工藝過程模擬、生產(chǎn)圖紙、成本計算、毛坯管理、計算機數(shù)控制造、質(zhì)量控制的整個過程的全面的、集成化的軟件解決方案。具有獨特的成型過程模擬與優(yōu)化技術(shù)和高效率的成本計算功能。圖2所示為利用COPRA軟件部分輥彎型鋼孔型設(shè)計的實例。北方工業(yè)大學的輥彎成型研究人員與德國的dataM公司合作,吸收國外的技術(shù)和經(jīng)驗,在輥彎型鋼工藝方面取得了一定的成績,圖3所示為北方工業(yè)大學研發(fā)的輥彎成型部分產(chǎn)品截型。2.2生物生產(chǎn)設(shè)備的應(yīng)用,通過數(shù)控加工生產(chǎn)技術(shù)軋輥是板金屬輥彎成型的關(guān)鍵部件,軋輥的基本特點是,外形輪廓復(fù)雜且精度要求高,軋輥的耐磨性應(yīng)滿足大批量生產(chǎn)的要求。采用常規(guī)的機械加工,難以保證型面精度,特別是難以保證軸向精度和輪廓形狀,而數(shù)控加工可以保證軋輥的型面加工精度和穩(wěn)定的加工質(zhì)量,其自動化操作,生產(chǎn)率高,而且與CAD銜接緊密,通過數(shù)控編程進行加工,確保加工精度。生產(chǎn)的軋輥越復(fù)雜,加工精度要求越高,生產(chǎn)批量越小,數(shù)控加工的優(yōu)越性就越能體現(xiàn)。北方工業(yè)大學機電工程研究所使用多工位刀臺的數(shù)控車床,加工出硬度HRC58～62的軋輥。使用陶瓷刀具,可得到相當好的表面質(zhì)量。異型軋輥的加工,采用兩坐標聯(lián)動的、控制分辨率為0.001mm的數(shù)控系統(tǒng)。圖4所示為CNC車床加工的軋輥,圖5所示為加工淬火軋輥的8工位數(shù)控車床。3數(shù)值方法的研究困難輥彎成型過程是一個比較復(fù)雜的過程,成型過程中板材邊緣不僅沿縱向要經(jīng)歷反復(fù)拉伸和壓縮變形,而且在橫向逐步彎曲、反彎曲中也會有一個反復(fù)加卸載的過程,所產(chǎn)生的交叉硬化效應(yīng)、包辛格效應(yīng)會對成型過程產(chǎn)生明顯的影響,因此,在采用數(shù)值方法進行研究時也會有很多困難。隨著輥彎成型工藝研究的不斷深化,計算機以及有限元技術(shù)的發(fā)展,采用有限元法(FEA)進行仿真,已得到越來越廣泛的重視。3.1氣動彈塑模擬輥彎成型的仿真與成形過程中材料變形區(qū)的研究密切相關(guān)。早期的研究將板帶邊緣看成是一種線性關(guān)系,后來逐漸引入變形角和變形長度等參數(shù)。在20世紀80年代末期開發(fā)的軟件中,采用了線框模型。日本的小野田義富等用剛塑性有限元法對輥彎成型電焊管的變形特性進行分析,得出了傾斜角的最大值,并得出采用熱效應(yīng)區(qū)的最外層表面的金屬流動線,以及在壁厚方向等溫焊接方法可以降低最大傾斜角的結(jié)論。木內(nèi)學,王飛舟采用八節(jié)點實體單元模型,基于動力顯式算法的彈塑性有限元方法,對直縫焊管輥彎成型的整個過程進行了模擬,并將模擬分析應(yīng)用到實際的工藝設(shè)計中。Q.V.Bui等用三維有限元分析模擬冷彎成型過程,并把縱向壓力和位移軌跡的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比認為,屈服極限和加工硬化對產(chǎn)品質(zhì)量的影響很大,而成形速度和輥與板之間的摩擦力對產(chǎn)品質(zhì)量的影響不大。3.2輥彎成型有限元分析及仿真結(jié)果有限元法用于輥彎成型問題主要有兩種方式,一種是側(cè)重于基礎(chǔ)理論的原始研發(fā);另一種是在成熟的有限元分析軟件基礎(chǔ)上的二度開發(fā)和應(yīng)用。輥彎成型常見的軟件目前有澳大利亞的CADROF,英國的ORTIC,法國M.Brunent開發(fā)的PROFIL,德國dataM公司的COPRA.FEARF,Duggal和Altan等編制的RFPASS,Haritos等開發(fā)的優(yōu)化的網(wǎng)格生成器。德國data-M公司的工程人員對輥彎成型的有限元進行了研究,并在其輥彎成型設(shè)計軟件COPRA中增加有限元仿真模塊COPRA.FEARF,利用MSC.Marc求解器進行有限元分析。圖6a為使用該軟件對型材及管材加工成型過程進行的仿真結(jié)果。文獻利用MSC.Marc軟件,并結(jié)合工程實踐,從實驗和有限元仿真兩個方面對輥彎成型工藝進行大量研究,如圖6所示,即采用該軟件對北京地鐵10號線導(dǎo)軌型材、上汽大眾Polo轎車側(cè)門加強板、鋼板樁的輥彎成型過程進行的有限元仿真結(jié)果。隨著輥彎成型技術(shù)的不斷進步和數(shù)值方法研究的深入,專門的數(shù)值模擬軟件中,其強大的數(shù)值模擬功能,輥彎成型設(shè)計軟件中高效的軋輥設(shè)計功能和設(shè)計人員的經(jīng)驗,都將會充分結(jié)合起來,再經(jīng)過合理的推理機制,輥彎成型的設(shè)計仿真軟件必然成為智能的專家系統(tǒng)。4輥彎型鋼的應(yīng)用輥彎成型產(chǎn)品主要有C型鋼、薄槽鋼、薄V型鋼、薄Z型鋼、帶緣Z型鋼、帽形型鋼等輕質(zhì)型鋼,瓦楞鋼板、波紋鋼板等寬幅截面材,鋼板樁、道路護欄等大型截面材,以及窗框等小型截面材,圓形、角形等鋼管。輥彎型鋼具有截面經(jīng)濟合理、節(jié)省材料、品種繁多、產(chǎn)品表面光潔、外觀好、尺寸精確等優(yōu)點,因而應(yīng)用廣泛,涉及的領(lǐng)域有建筑、汽車制造、農(nóng)業(yè)、機械制造、管道輸送等。據(jù)中國冷彎型鋼協(xié)會最新調(diào)查資料表明,冷彎型鋼的用戶主要集中于鋼結(jié)構(gòu)、汽車、集裝箱、公路護欄、鋼模板、鐵道車輛、橋架、鋼板樁、輸電鐵塔等9大行業(yè)。2009年我國輥彎成型產(chǎn)品產(chǎn)量約4400萬噸,2009年中國的鋼鐵產(chǎn)量達到5.678億噸,占我國鋼鐵總產(chǎn)量的7.75%,與發(fā)達國家占鋼材消耗總量的10%的比重相比,差距在逐漸縮小,我國輥彎型鋼的發(fā)展前景十分廣闊。4.1輥彎型鋼的應(yīng)用輥彎成型產(chǎn)品在建筑業(yè)中的應(yīng)用極其廣泛,可用于各種廠房的承載結(jié)構(gòu),如屋頂、墻架柱、框架、公路護欄板、鋼板樁、門窗等。在發(fā)達國家建筑業(yè)中,輥彎成型產(chǎn)品已占據(jù)其建筑用鋼的40%～70%。應(yīng)用于建筑業(yè)的輥彎型鋼主要是用于梁柱的方矩形管、檁條的C型和Z型鋼、屋面板、墻面板和樓承板。圖7所示為輥彎成型工藝在建筑中常見的應(yīng)用實例。4.2輥彎成型汽車的主要構(gòu)件輥彎成型產(chǎn)品在汽車工業(yè)中也得到了廣泛的應(yīng)用。主要應(yīng)用在小轎車、大巴、卡車、消防車、混凝土攪拌車、集裝箱汽車、農(nóng)用汽車等的受力骨架中,如車的主梁、橫梁、頂梁、支柱和門窗。大斷面的輥彎成型產(chǎn)品一般作承載結(jié)構(gòu),如寬架、大梁等,小斷面的主要用于車身的骨架、底盤等。汽車上使用的輥彎型鋼有角鋼、槽鋼、異型斷面的輥彎型鋼等。圖8所示為輥彎型鋼在汽車骨架上的應(yīng)用示意。4.3在其他架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用輥彎成型產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也非常廣泛。主要應(yīng)用于收割機、播種機、割草機等的結(jié)構(gòu)架、橫梁等,還應(yīng)用于蔬菜大棚的頂棚架。在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的輥彎型鋼主要有槽鋼、巨型管、P型鋼、角鋼等。4.4輥彎成型技術(shù)階段輥彎成型在管道輸送中的應(yīng)用主要是生產(chǎn)高頻焊管。輥彎成型技術(shù)應(yīng)用于高頻焊管方面可以粗略地劃分為3個階段,即早期的輥彎成型技術(shù)(rollforming);20世紀60年代后期的排輥成型技術(shù)(cageforming);20世紀90年代后期的FFX成型技術(shù)(flexibleformingexcellent)。5生產(chǎn)設(shè)備的選擇設(shè)備要按照生產(chǎn)工藝的要求配置。輥彎成型生產(chǎn)工藝流程一般包括,開卷、對接、校平、預(yù)沖孔、輥式冷彎成型、校直、切斷、出料、碼垛;輥彎成型生產(chǎn)線的要求一般應(yīng)包括,采用成熟、合理的成型工藝、自動化程度高、生產(chǎn)效率高、性能可靠、壽命長、噪音小等。輥彎成型機是生產(chǎn)線的主要組成部分。輥彎成型機大致可分為懸臂式、雙端式、通軸雙端式、標準式(傳統(tǒng)式)、雙層式、成組快換式和并列式。由于產(chǎn)品的截形不同,精度要求不同,所以需要選擇適合的生產(chǎn)線,適合的機組類型。常見的成型機組有:1)寬幅壓型板機組,主要有板式結(jié)構(gòu)和牌坊式機架的壓型板機組,如圖9a所示;2)小型板式機組,如圖9b所示懸臂式軋機組;3)高精度輥彎成型機組,如圖9c所示,北方工業(yè)大學高精度的可成組更換的輥彎成型機組;4)特色輥彎成型機組,如圖8d所示,外側(cè)牌坊可移動的成型機組,為上海樂孚明公司出口到AmericanRollForm公司的成型機生產(chǎn)線,其特點是節(jié)省換輥時間,提高生產(chǎn)效率,可以在5min內(nèi)將上下工作輥、上下中間輥進行快速更換?？焖贀Q輥裝置越來越成為相關(guān)單位研究的重點。截至目前,我國共有1000多條輥彎型鋼生產(chǎn)線,生產(chǎn)能力達到每年1500萬噸。新建和在建的?200mm～?660mm大型機組共有50套,集中分布在華東、華北和東北地區(qū)。我國輥彎型鋼市場的潛力很大,前景廣闊,所以輥彎設(shè)備的開發(fā)制造非常重要,重點放在新技術(shù)裝備的開發(fā)、研制或引進、消化工作,尤其是側(cè)重于具有國際前沿技術(shù)水平的柔性輥彎機組等。6柔性輥彎成型技術(shù)在航空航天、汽車工業(yè)、電力行業(yè)等領(lǐng)域,以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量并適應(yīng)不同的載荷形式,減少能量消耗是研究人員長期追求的目標,也是先進制造技術(shù)發(fā)展的趨勢之一。實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化有兩條主要途徑,一是材料途徑,采用鋁合金、鎂合金、鈦合金和復(fù)合材料等輕質(zhì)材料;二是結(jié)構(gòu)途徑,對于承受彎扭載荷為主的結(jié)構(gòu),采用空心變截面構(gòu)件,既可以減輕質(zhì)量,又可以充分利用材料的強度和剛度。變截面輥彎成型(flexiblerollforming),正是以輕量化和一體化為特征開發(fā)出來的一種空心變截面輕體構(gòu)件的新型輥彎成型技術(shù),該技術(shù)把人工智能技術(shù)、計算機控制技術(shù)應(yīng)用到輥彎成型領(lǐng)域,形成一個全新的概念。在柔性輥彎成型生產(chǎn)線中,每個道次的機架都是一個獨立的單元,由計算機分別控制電機,電機按照計算機生成的數(shù)控程序驅(qū)動軋輥進行橫向移動,通過調(diào)整每架道次軋輥的旋轉(zhuǎn)角度及位置來改變所通過的冷彎型材橫截面形狀,使型材生成所需的形狀。柔性輥彎成型具有顯著的特點是,通過合理設(shè)計型材的幾何斷面,可提高承載能力,減輕結(jié)構(gòu)重量;采用高強度材料,可進一步減輕結(jié)構(gòu)重量;與沖壓和折彎工藝相比,大批量的生產(chǎn),其成本更低;與現(xiàn)有輥彎成型技術(shù)結(jié)合,可生產(chǎn)更復(fù)雜的產(chǎn)品。所以,近年國內(nèi)外在柔性輥彎成型技術(shù)方面已投入了大量的研發(fā)力量。歐盟第六框架下的ProFORM項目投資1000萬歐元,目標是研發(fā)下一代的汽車輥彎成型新技術(shù),變截面柔性輥彎成型技術(shù),是其中的研發(fā)重點方向。德國的dataM(dataMsheetmetal