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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 。 （图片）
图2 圆管成型的计算机模拟 （图片）
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。（图片）
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。（图片）
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。（图片）
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。（图片）
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。（图片）
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。（图片）（图片）
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
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[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
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[4]A. Sedlmaier: Reverse Engineering & Simulation Technologies for the Design and Manufacture of Tube Mill Rolls. Tube 2000 Toronto June 11-14,1996
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3/30/2005
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