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(guò)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(guó)氣候變化框架公約》締約方第15次會(huì)議哥本哈根世界氣候變化大會(huì)上,節(jié)能減排是會(huì)議討論的主要議題,而我國(guó)也提出了“發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì),創(chuàng)建節(jié)約社會(huì)”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(chē)制造、農(nóng)機(jī)制造、船舶制造和交通運(yùn)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(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jiǎn)化解析法。簡(jiǎn)化解析法中將橫向彎曲變形和縱向彎曲變形分別進(jìn)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(jìn)行分析,而縱向變形將帶材視為彈塑性薄殼進(jìn)行分析。國(guó)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(rèn)為峰值應(yīng)變的大小取決于彎曲角的增量,而不是軋制過(guò)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(xiàng)式,即y=Ax3+Bx2+Cx+D,并根據(jù)邊界條件求出各個(gè)待定系數(shù)。K.Nakajima提出一種縱向應(yīng)變計(jì)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(xué)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(lái)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(guò)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(gè)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(xué)又將計(jì)算機(jī)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(duì)輥彎成型電焊管的變形特性進(jìn)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(dòng)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(jìn)了一個(gè)“局部彎曲”缺陷作為圓管輥彎成型的限制因素,認(rèn)為軋輥機(jī)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(xué)的對(duì)起始?xì)堄鄳?yīng)力和冷軋鋼板成型時(shí)實(shí)際塑性應(yīng)變的預(yù)測(cè)方法。該方法用結(jié)構(gòu)力學(xué)描述每個(gè)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(cè)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(duì)不銹鋼進(jìn)行冷彎成型實(shí)驗(yàn),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(shí),其在彎曲區(qū)的內(nèi)外半徑處的加工硬化可以被接受。國(guó)內(nèi),王春新對(duì)輥彎成型的內(nèi)半徑為零的輥彎成型過(guò)程進(jìn)行了模擬,通過(guò)仿真優(yōu)化了內(nèi)彎曲半徑為零輥彎工藝的軋輥設(shè)計(jì)。夏雁賓對(duì)預(yù)沖孔板料的輥彎成型進(jìn)行仿真分析,認(rèn)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(guò)仿真分析優(yōu)化了軋輥設(shè)計(jì)。史永凌對(duì)先進(jìn)高強(qiáng)度鋼DP800和普通碳素鋼Q235的輥彎成型回彈和變形能進(jìn)行了對(duì)比分析,認(rèn)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(duì)DP輥彎回彈的計(jì)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(jī)文化2.1輥彎成型計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)輥彎成型過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的成形過(guò)程,受到很多因素影響。目前輥彎型鋼的軋輥設(shè)計(jì)多是以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主,依賴試錯(cuò)法獲取工藝規(guī)律,缺乏完善的成形理論;在設(shè)計(jì)階段則存在不能確定金屬變形是否合理,軋輥設(shè)計(jì)是否正確,因此,一旦出現(xiàn)問(wèn)題就會(huì)增加成本,不能及時(shí)交貨。而采用輥彎成型過(guò)程的仿真技術(shù)則可以減少調(diào)試時(shí)間,提高生產(chǎn)效率。因此對(duì)輥彎成型過(guò)程進(jìn)行理論研究和計(jì)算機(jī)仿真十分重要。以輥彎成型CAD(計(jì)算機(jī)孔型設(shè)計(jì)技術(shù))為中心的研究與開(kāi)發(fā)工作正在逐步深入和擴(kuò)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(guó)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(jì),可提供從輥花設(shè)計(jì)、軋輥設(shè)計(jì)、成型工藝過(guò)程模擬、生產(chǎn)圖紙、成本計(jì)算、毛坯管理、計(jì)算機(jī)數(shù)控制造、質(zhì)量控制的整個(gè)過(guò)程的全面的、集成化的軟件解決方案。具有獨(dú)特的成型過(guò)程模擬與優(yōu)化技術(shù)和高效率的成本計(jì)算功能。圖2所示為利用COPRA軟件部分輥彎型鋼孔型設(shè)計(jì)的實(shí)例。北方工業(yè)大學(xué)的輥彎成型研究人員與德國(guó)的dataM公司合作,吸收國(guó)外的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn),在輥彎型鋼工藝方面取得了一定的成績(jī),圖3所示為北方工業(yè)大學(xué)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(guò)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(diǎn)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(jī)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(dòng)化操作,生產(chǎn)率高,而且與CAD銜接緊密,通過(guò)數(shù)控編程進(jìn)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(xué)機(jī)電工程研究所使用多工位刀臺(tái)的數(shù)控車(chē)床,加工出硬度HRC58～62的軋輥。使用陶瓷刀具,可得到相當(dāng)好的表面質(zhì)量。異型軋輥的加工,采用兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的、控制分辨率為0.001mm的數(shù)控系統(tǒng)。圖4所示為CNC車(chē)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(chē)床。3數(shù)值方法的研究困難輥彎成型過(guò)程是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程,成型過(guò)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(huì)有一個(gè)反復(fù)加卸載的過(guò)程,所產(chǎn)生的交叉硬化效應(yīng)、包辛格效應(yīng)會(huì)對(duì)成型過(guò)程產(chǎn)生明顯的影響,因此,在采用數(shù)值方法進(jìn)行研究時(shí)也會(huì)有很多困難。隨著輥彎成型工藝研究的不斷深化,計(jì)算機(jī)以及有限元技術(shù)的發(fā)展,采用有限元法(FEA)進(jìn)行仿真,已得到越來(lái)越廣泛的重視。3.1氣動(dòng)彈塑模擬輥彎成型的仿真與成形過(guò)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(lái)逐漸引入變形角和變形長(zhǎng)度等參數(shù)。在20世紀(jì)80年代末期開(kāi)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(duì)輥彎成型電焊管的變形特性進(jìn)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(dòng)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(xué),王飛舟采用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模型,基于動(dòng)力顯式算法的彈塑性有限元方法,對(duì)直縫焊管輥彎成型的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了模擬,并將模擬分析應(yīng)用到實(shí)際的工藝設(shè)計(jì)中。Q.V.Bui等用三維有限元分析模擬冷彎成型過(guò)程,并把縱向壓力和位移軌跡的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比認(rèn)為,屈服極限和加工硬化對(duì)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(duì)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(wèn)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(kāi)發(fā)和應(yīng)用。輥彎成型常見(jiàn)的軟件目前有澳大利亞的CADROF,英國(guó)的ORTIC,法國(guó)M.Brunent開(kāi)發(fā)的PROFIL,德國(guó)dataM公司的COPRA.FEARF,Duggal和Altan等編制的RFPASS,Haritos等開(kāi)發(fā)的優(yōu)化的網(wǎng)格生成器。德國(guó)data-M公司的工程人員對(duì)輥彎成型的有限元進(jìn)行了研究,并在其輥彎成型設(shè)計(jì)軟件COPRA中增加有限元仿真模塊COPRA.FEARF,利用MSC.Marc求解器進(jìn)行有限元分析。圖6a為使用該軟件對(duì)型材及管材加工成型過(guò)程進(jìn)行的仿真結(jié)果。文獻(xiàn)利用MSC.Marc軟件,并結(jié)合工程實(shí)踐,從實(shí)驗(yàn)和有限元仿真兩個(gè)方面對(duì)輥彎成型工藝進(jìn)行大量研究,如圖6所示,即采用該軟件對(duì)北京地鐵10號(hào)線導(dǎo)軌型材、上汽大眾Polo轎車(chē)側(cè)門(mén)加強(qiáng)板、鋼板樁的輥彎成型過(guò)程進(jìn)行的有限元仿真結(jié)果。隨著輥彎成型技術(shù)的不斷進(jìn)步和數(shù)值方法研究的深入,專門(mén)的數(shù)值模擬軟件中,其強(qiáng)大的數(shù)值模擬功能,輥彎成型設(shè)計(jì)軟件中高效的軋輥設(shè)計(jì)功能和設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn),都將會(huì)充分結(jié)合起來(lái),再經(jīng)過(guò)合理的推理機(jī)制,輥彎成型的設(shè)計(jì)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(hù)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(jì)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(diǎn),因而應(yīng)用廣泛,涉及的領(lǐng)域有建筑、汽車(chē)制造、農(nóng)業(yè)、機(jī)械制造、管道輸送等。據(jù)中國(guó)冷彎型鋼協(xié)會(huì)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(chē)、集裝箱、公路護(hù)欄、鋼模板、鐵道車(chē)輛、橋架、鋼板樁、輸電鐵塔等9大行業(yè)。2009年我國(guó)輥彎成型產(chǎn)品產(chǎn)量約4400萬(wàn)噸,2009年中國(guó)的鋼鐵產(chǎn)量達(dá)到5.678億噸,占我國(guó)鋼鐵總產(chǎn)量的7.75%,與發(fā)達(dá)國(guó)家占鋼材消耗總量的10%的比重相比,差距在逐漸縮小,我國(guó)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(hù)欄板、鋼板樁、門(mén)窗等。在發(fā)達(dá)國(guó)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(jiàn)的應(yīng)用實(shí)例。4.2輥彎成型汽車(chē)的主要構(gòu)件輥彎成型產(chǎn)品在汽車(chē)工業(yè)中也得到了廣泛的應(yīng)用。主要應(yīng)用在小轎車(chē)、大巴、卡車(chē)、消防車(chē)、混凝土攪拌車(chē)、集裝箱汽車(chē)、農(nóng)用汽車(chē)等的受力骨架中,如車(chē)的主梁、橫梁、頂梁、支柱和門(mén)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(chē)身的骨架、底盤(pán)等。汽車(chē)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(chē)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(jī)、播種機(jī)、割草機(jī)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(gè)階段,即早期的輥彎成型技術(shù)(rollforming);20世紀(jì)60年代后期的排輥成型技術(shù)(cageforming);20世紀(jì)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(kāi)卷、對(duì)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(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高、性能可靠、壽命長(zhǎng)、噪音小等。輥彎成型機(jī)是生產(chǎn)線的主要組成部分。輥彎成型機(jī)大致可分為懸臂式、雙端式、通軸雙端式、標(biāo)準(zhǔn)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(jī)組類型。常見(jiàn)的成型機(jī)組有:1)寬幅壓型板機(jī)組,主要有板式結(jié)構(gòu)和牌坊式機(jī)架的壓型板機(jī)組,如圖9a所示;2)小型板式機(jī)組,如圖9b所示懸臂式軋機(jī)組;3)高精度輥彎成型機(jī)組,如圖9c所示,北方工業(yè)大學(xué)高精度的可成組更換的輥彎成型機(jī)組;4)特色輥彎成型機(jī)組,如圖8d所示,外側(cè)牌坊可移動(dòng)的成型機(jī)組,為上海樂(lè)孚明公司出口到AmericanRollForm公司的成型機(jī)生產(chǎn)線,其特點(diǎn)是節(jié)省換輥時(shí)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(jìn)行快速更換?？焖贀Q輥裝置越來(lái)越成為相關(guān)單位研究的重點(diǎn)。截至目前,我國(guó)共有1000多條輥彎型鋼生產(chǎn)線,生產(chǎn)能力達(dá)到每年1500萬(wàn)噸。新建和在建的?200mm～?660mm大型機(jī)組共有50套,集中分布在華東、華北和東北地區(qū)。我國(guó)輥彎型鋼市場(chǎng)的潛力很大,前景廣闊,所以輥彎設(shè)備的開(kāi)發(fā)制造非常重要,重點(diǎn)放在新技術(shù)裝備的開(kāi)發(fā)、研制或引進(jìn)、消化工作,尤其是側(cè)重于具有國(guó)際前沿技術(shù)水平的柔性輥彎?rùn)C(jī)組等。6柔性輥彎成型技術(shù)在航空航天、汽車(chē)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(zhǎng)期追求的目標(biāo),也是先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一。實(shí)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(duì)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(qiáng)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(kāi)發(fā)出來(lái)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(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用到輥彎成型領(lǐng)域,形成一個(gè)全新的概念。在柔性輥彎成型生產(chǎn)線中,每個(gè)道次的機(jī)架都是一個(gè)獨(dú)立的單元,由計(jì)算機(jī)分別控制電機(jī),電機(jī)按照計(jì)算機(jī)生成的數(shù)控程序驅(qū)動(dòng)軋輥進(jìn)行橫向移動(dòng),通過(guò)調(diào)整每架道次軋輥的旋轉(zhuǎn)角度及位置來(lái)改變所通過(guò)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(diǎn)是,通過(guò)合理設(shè)計(jì)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(qiáng)度材料,可進(jìn)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(guó)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(xiàng)目投資1000萬(wàn)歐元,目標(biāo)是研發(fā)下一代的汽車(chē)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(diǎn)方向。德國(guó)的dataM(dataMsheetmetal