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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，给出了辊弯成型CAD/CAM技术的应用实例。应用CAD技术，在非对称料型的设计中根据截面的几何特性确定成型基准及工艺，介绍了咬口封闭料型的设计特点，给出了计算机模拟技术在宽幅压型板设计中的实例。应用CAM技术，解决了异型轧辊的计算机辅助加工，基于计算机数控包络法，用一片砂轮可加工出不同的轮廓曲线。辊弯成型CAD/CAM一体化技术的应用取得了良好的效果。对本技术的发展方向，也提出了见解。
关键词：CAD CAM 辊弯成型
1. 辊弯成型的计算机辅助设计
在过去的十多年中，辊弯成型(又称冷弯型钢)的计算机辅助设计技术得到广泛应用。目前面临的问题是计算机可在多大程度“辅助”设计者完成任务。许多人设计轧辊时应用计算机仅代替人工的几何计算，很大程度上仍依赖设计者的实践经验。
随着计算机技术的飞速发展，用于辊弯成型的CAD 软件应达到更高的水平。首先应向更深的方面发展，计算机能够在更多的方面帮助设计者以得到最优的设计结果。例如，CAD软件应具备如下功能：模拟成形过程，应用人工智能及模糊神经网络技术给出专家水平的指导。其次CAD技术向更广的领域发展，计算机辅助制造，生产管理，成本核算，质量控制以及CAE和CIMS。由德国data M开发的COPRA是解决辊弯成型设计的集成软件。
以下是由 COPRA完成的部分冷弯型钢断面的实例。
1.1 非对称断面
日本拓殖大学的小奈弘教授给出了非对称断面成型道次的估算方法。与对称断面相比，不平衡的扭矩会导致板带的扭曲。断面成型过程中板带的几何变形与其静力学特性紧密相关。作者发现若以截面的一个惯性轴作为展开的基准线，一些非对称断面可得到很好的成型质量。
1.1.1 以惯性主轴作为展开的基准
用于集装箱的部件（图１）是一非对称截面。某公司以最长的直线段作为成型的水平基准，共用12道次成型，并产生明显的扭屈。用 COPRA可方便地计算出主惯性轴的角度，以其中一个惯性轴作为成型基准面，只需6道次就获得了比前方法质量更好的断面。 （图片） （图片）
图1 集装箱部件的成型辊花图 图2 两侧成形角不同的V型截面 图2是天花板吊顶的部件，虽然它的形状简单，但它的成型却不容易，原因在于必须满足板厚0.4mm的情况下每米成型长度上的各向最大挠度不大于0.5mm。成型这一高精度的部件，作者采用的方法是以惯性主轴之一为成型基准，两侧的变形角按不同的值给出，以使两侧的变形扭矩平衡。此外要保证它的脊线的平直度，轧辊的安装调整也是很重要的。采用上述措施，最终生产出的料型达到每米长直线度误差小于0.3mm。
1. 1.2 以水平轴线作为展开的基准
图3是按用户要求生产的另一种天花板吊顶用的部件。这是由对称的 "T" 型吊顶龙骨简化的。尽管它的左侧变形远大于右侧，但它的一个惯性主轴与水平面夹角接近于0度。这种情况下，作者采用了以最长的直线体素为水平位置的展开基准。（图片）
图3 T型断面的成形步骤 图4是电控柜部件的截面静力学特性。两惯性主轴的交点靠近右侧体素，作者以右侧体素作为成形展开的第一基准，将底部的水平体素作为第二成形基准。（图片）
图 4 电控柜部件的静力学特性 （图片）
图5 非对称断面电控柜部件的成形辊花图 1.2 咬口料型的成型
一些钢门窗料采用彩色涂层钢板为原料经辊弯成形工艺制成。为保证门窗的强度采用封闭截面。焊接方法将破坏钢板表面，因而广泛采用了咬口结构。为避免咬口过程中发生干涉，避免对彩色涂层表面的损伤，同时也保证门窗的气密水密性及配合要求，要求辊型设计及制造达到较高的精度。辊的表面粗糙度Ra ≤ 0.63μm，辊的圆周速度尽可能接近驱动速度，若辊的线速度差较大时，设计上应采用空转结构。
对于一般的辊弯成型，成形辊轴线为水平或垂直两种配置。咬口料型的成形广泛应用了空间结构的辅助辊，这种辅辊结构安装在两道主辊之间，轧辊轴线可为任意倾斜角度，它的结构形式不同于主辊及立辊。图 6表示了一种辅助辊的装配关系示意。为得到精确的尺寸和形状，在最后的成型道次中采用了芯子。图7是一种彩色涂层钢窗料的成形工艺图。（图片）
图 6 用于咬口料型的辅助辊装配示意图 1.3 宽幅压型板
压型板大多是由又宽又大的薄板经辊弯成型的，极易出现各种缺陷。小奈弘教授依据他的实验给出了十分有用的结论：边浪、袋形波等缺陷是由于变形的应力过大或拉压应力的不同分布造成的。在设计过程中若能够计算出成形区域的应力、应变值，就可以避免缺陷的产生。应用有限元技术以及实验结果，已知在每个道次的成型过程中，板上变形区某一点的应变状态是拉应力和压应力交替变化的，即使很薄的板在不同的层面上应变状态也是不同的。一个重要的结论是：纵向变形是引起诸如残余内应力、边波等缺陷的主要原因 [3]。
由data M及其合作者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辊弯成型的变形模拟。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辊弯成型的计算机优化。一些企业在试制中出现问题，我们将他们的设计数据输入计算机，发现在某些道次上应变峰值过大，这与试轧时该道次产生变形缺陷并伴随很大噪音的情况是完全一致的。经修改设计后，这些压型板顺利成型。图 8给出了宽幅压型板计算机模拟的一个实例。（图片）
图8 一个压型板的计算机模拟结果 2. 辊弯成型的计算机辅助制造
实现一个复杂断面的辊弯成型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。
2.1 CNC加工轧辊
使用8 工位刀台的数控车床，加工出硬度HRC58-62的轧辊(见图9)。使用特殊的陶瓷刀具，可得到相当好的表面质量。作者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 9 CNC 车床加工的轧辊 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。
2.2 计算机通讯
作者将辊弯成型的 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。
2.3 计算机数控包络磨床
异型轧辊广泛应用于焊接钢管生产，过去它的磨削加工是件困难的事情。有些企业采用成型法磨削，每种圆弧采用一个规格的砂轮，不但砂轮的数量极多而且无法加工复杂轮廓的辊型。要实现高硬度异型辊面的精密磨削，基于包络原理的计算机数控可很好地解决这一问题。
根据共轭曲面中的包络原理，可在砂轮曲率半径不变的条件下，通过控制砂轮轨迹的方法得到一条包络出的平面轮廓曲线 (见图10)。（图片）
图10 包络曲线与磨床砂轮的控制轨迹 设辊型轮廓为一平面曲线，而砂轮外轮廓为圆Γ的一部分其方程为：（图片） 根据坐标变换及包络条件，包络曲面的一侧为：（图片） 该方程中的曲线 Γ0 即为数控加工时控制的轨迹方程：（图片） 对于任意平面轮廓曲线，用包络法磨削不产生干涉及过切的判定条件如下：
对于凸的曲线：（图片） 则砂轮在磨削过程中可包络出全部曲线轮廓。
对于凹曲线：（图片） 则要求砂轮半径 R≤ρmin
其中ρmin 是曲线上的最小曲率半径，任一点的曲率半径为：（图片） 在计算机数控包络磨床上，用一片砂轮可磨出各种曲率的凸曲线和曲率半径不小于砂轮半径的凹曲线。对于各种不同类型曲线的矫直辊的加工，只要编制不同的程序就可，这在普通磨床上是无法实现的。砂轮磨损后的修复可利用程序设定，用金刚石滚轮或刀头按程序修整。因而砂轮的修整也实现了程序化。这种计算机数控包络磨床已用于3个轧辊制造厂。
技术展望
作为一种新技术，辊弯成型CAD/CAM 的生命力也在于不断地创新和发展。我们的目标是根据市场需求，不断地开发新技术，将成熟的技术应用于生产实际，为客户提供优质服务。众所周知，在辊弯成型领域尚有很多亟待解决的问题，我们还未完全实现从“空缺的艺术”向科学的转变。因其涉及到复杂的塑性三维变形、材料特性、轧机及辅助设备、轧制的操作工艺参数、冷却润滑等诸多方面因素。单纯用一个数学模型是无法解决的，人工智能和专家系统是解决这一问题的方向。建立一个完整的系统，目前的困难在于专家知识的积累和获取。我们愿将这些专家知识转化为经计算机推理可供实际应用的软件。将专家知识变为共同经验，避免重复的探索和弯路，促进全行业的发展和繁荣，我们应当将此作为当前及今后工作的目标。
参考文献
[1] H. Ona, T. Jimma and H. Kozono: A Computer Aided Design System for Cold Rollforming Proc. 1st Int. Conf. Technology of Plasticity. Sept.(1984).pp.508-513
[2] 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
[3] A. Sedlmaier: Reverse Engineering & Simulation Technologies for the Design and Manufacture of Tube Mill Rolls. Tube 2000 Toronto June 11-14,1996
[4] 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.
3/30/2005
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