北方工業(yè)大學 劉繼英 艾正青 韓英龍 

　　采用有限元分析技術(shù)，作了內(nèi)半徑為零的雙倍折邊、寬幅板袋形波缺陷分析、預沖孔孔形畸變的仿真研究；用COPRA軟件，實現(xiàn)轎車用高精度復雜型材的生產(chǎn)；通過實驗，完成冷彎型材的在線彎曲；采用CAD/CAM技術(shù)，在上海建立了高精度冷彎軋輥生產(chǎn)基地，為多個項目提供了技術(shù)服務和支持。

　　關(guān)鍵詞：冷彎成形、有限元分析、CAD/CAM、計算機仿真  

　　一、 有限元分析和計算機仿真  

　　冷彎成形的計算機仿真和有限元分析是理論研究的熱點，國內(nèi)外發(fā)表的論文和研究成果較多。如何針對生產(chǎn)實際問題，進行計算機仿真，能夠解決具體問題，應該成為研究的目標和檢驗成果的依據(jù)。我們根據(jù)實際問題，作了內(nèi)半徑為零的雙倍折邊、寬幅板袋形波缺陷分析、預沖孔孔形畸變的仿真研究，并進行了相關(guān)的實驗驗證。  

　　1． 內(nèi)半徑為零的雙倍折邊仿真[1]  

　　冷彎成形構(gòu)件中，雙倍折邊是常見的形式。雙倍折邊的設計中，解決板寬的計算和確定合理的成型工藝步驟是關(guān)鍵問題。采用MSC Marc做有限元仿真得到的結(jié)論如下：  

（1）、通過對變形區(qū)的等效應變分析，驗證了在變形過程中，隨著板料的進一步彎曲，其中性層偏離中心層，向彎曲內(nèi)部移動。仿真給出了具體的偏移過程和數(shù)值。  

（2）、通過對變形前后單元的比較，發(fā)現(xiàn)彎曲中，外周單元出現(xiàn)收縮，內(nèi)周單元出現(xiàn)伸長，彎曲中部的板厚增加，材料發(fā)生了流動。  

（3）、通過對應力應變的分析，發(fā)現(xiàn)彎曲截面的變形與平面應變的特點比較接近，從而確定可以將板料彎曲簡化為平面應變問題。  

（4）、通過對彎曲應力集中的分析，確定彎曲外周有較大的拉應力集中，彎曲內(nèi)部有較大的壓應力集中，在彎曲區(qū)域與非彎曲區(qū)域（或較小彎曲區(qū)域）的過渡區(qū)有較大的剪應力集中。  

　　2． 寬幅板成形中的缺陷分析[1]  

　　產(chǎn)生袋形波是寬幅板成形中常見的問題。在車廂板、壓型板、寬幅卷簾門等型材冷彎過程中經(jīng)常會出現(xiàn)袋形波缺陷。  

　　實驗中按照不同的板厚及輥型配置進行了18種組合的實驗，并針對比較明顯的袋形波、邊部波浪、縱向彎曲三種缺陷從產(chǎn)生機理、實驗結(jié)果等方面進行了分析研究，并對缺陷的消除提出了相應的措施。主要結(jié)論如下：  

（1）、袋形波的產(chǎn)生主要是由于板在彎曲過程中出現(xiàn)了脫線現(xiàn)象，在彎曲的部位產(chǎn)生了橫向拉應力和橫向應變。根據(jù)板料變形的泊松關(guān)系，沿縱向會出現(xiàn)收縮變形，而縱向收縮的部分對中部的未收縮的部分施加了壓力，板料中間部分失穩(wěn)出現(xiàn)了袋形波。袋形波主要是彈性變形。  

（2）、出現(xiàn)袋形波可適當添加部分道次。斷面邊緣寬度的大小對袋形波有一定影響，薄板比厚板更容易出現(xiàn)袋形波�？梢酝ㄟ^給板料施加拉力來減緩袋形波。  

（3）、邊浪的產(chǎn)生是兩種效果的綜合，第一種與袋形波的產(chǎn)生相同，第二種是斷面邊緣部分的材料先是在外力作用下被拉伸剪切變長，后又再次被壓縮剪切產(chǎn)生塑性變形造成邊浪。這兩種效果互相疊加，造成邊浪。各道次均有可能發(fā)生邊部波浪，前面的道次對邊部波浪的出現(xiàn)影響比較大。薄板比厚板更加容易出現(xiàn)邊浪，寬邊比窄邊更加容易出現(xiàn)邊浪。  

　　3． 預沖孔孔形畸變的仿真研究[2]  

　　冷彎成形產(chǎn)品發(fā)展的方向之一是不斷滿足各種應用需求，在產(chǎn)品上實現(xiàn)多種功能。電控柜立柱型材、貨架型材等都需要在成形前完成預沖孔。由于孔距和孔的幾何形狀要求高，不允許在彎曲過程中產(chǎn)生較大的變形，因此預沖孔孔形畸變的仿真研究和控制措施就很重要。  

　　以預沖孔板料為實例，通過現(xiàn)場實驗得到了控制預沖孔板料冷彎成形過程中孔形畸變的新方法，分析了孔形畸變的產(chǎn)生機理，并對實驗結(jié)果進行了總結(jié)。同時利用計算機仿真軟件模擬了加工過程，并將現(xiàn)場實驗結(jié)果和計算機仿真結(jié)果進行了比較。  

　　根據(jù)工藝圖，仿真出結(jié)果，用云圖和曲線的方式顯示了材料橫截面的變形程度，為進一步了解軋制過程中的變形規(guī)律奠定了基礎。  

　　通過對不同的模具的模擬仿真結(jié)果比較，探討了不同模具對材料的預沖孔區(qū)域的應力應變影響，得到了適于實驗的最優(yōu)模型方案。  

　　通過對加工后的板料的橫截面的應力應變狀況的分析，找到了產(chǎn)生孔形畸變?nèi)毕莸闹饕�原因：板料產(chǎn)生孔形畸變的原因是：材料的沖孔區(qū)域在成型過程中邊緣會出現(xiàn)很大的應力增量，沖孔區(qū)域的等效應力在加工過程中逐漸增大，應變也隨之積累。預沖孔部分成形角外側(cè)的板產(chǎn)生橫向位移。表現(xiàn)在預沖孔邊緣上就產(chǎn)生了較大的位移應變，繼而產(chǎn)生了孔形畸變，當應變積累的程度超過了材料的強度極限，就會發(fā)生撕裂的情況。  

　　依據(jù)得到的最優(yōu)仿真方案，修改了輥型工藝圖，并進行了現(xiàn)場的實驗。實驗表明，仿真結(jié)果可以作為模具設計的依據(jù)，并且非常有效的避免了孔形畸變的產(chǎn)生。  

　　二、 高精度復雜型材的生產(chǎn)線  

　　冷彎成形特別適合于大批量生產(chǎn)。相對于折彎工藝，輥式冷彎成形的生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品的尺寸一致性好，可以實現(xiàn)折彎無法生產(chǎn)的復雜截形。隨著我國轎車工業(yè)的迅猛發(fā)展，高精度復雜型材的冷彎成形生產(chǎn)線的需求越來越多。  

　　對轎車門窗件，冷彎成形常常是首道工序和關(guān)鍵工序。冷彎成形之后還需要將幾層金屬在一些間隔點上縫焊。所以生產(chǎn)線還需要包括在線縫焊設備、跟蹤切斷設備等。  

　　對于轎車門窗的冷彎成形生產(chǎn)線，不但成形道次多而且精度要求高。我們總結(jié)和提出了控制檢驗軋機精度的十多項指標，重點是控制軋機的軸向竄動及在全部機組上軸向定位基準的準確性。  

　　合理地制定成型工藝，并通過用COPRA軟件的仿真，確定最優(yōu)的成型步驟。采用CAD/CAM技術(shù)制造高精度的軋輥，順利地軋制出了多個高精度復雜型材。  

　　德國data M公司的COPRA軟件是冷彎成形設計的專業(yè)軟件，在國際上得到最廣泛的應用[3]，國內(nèi)行業(yè)內(nèi)領先水平的企業(yè)都采用它作為開發(fā)新產(chǎn)品的手段。我們應用這一軟件，已成功地設計制造了數(shù)百種冷彎成形產(chǎn)品[4]。  

　　三、 冷彎型材的在線彎曲  

　　許多型材要求在長度方向上成為2維圓弧，截面成型后的在線彎曲是個較好的方法。過去常用的方法是在壓力機上通過模具壓彎，模具需要經(jīng)過反復調(diào)試，當材料的性質(zhì)發(fā)生變化時，需要經(jīng)常修改模具。壓力機壓彎需要一個一個零件安裝特定的工裝內(nèi)芯，以避免彎曲過程中產(chǎn)生的皺褶等缺陷。完成后再拆除這些內(nèi)芯，工作量大、效率低，安全性差。  

　　在線彎曲只需要在冷彎型材的出口處安裝一套在線彎圓裝置，以使型材達到要求的圓弧尺寸。該裝置可以通過調(diào)整，以解決不同材料特性和材料回彈造成的影響。只要是2維圓弧，不論是在水平面內(nèi)還是在垂直平面內(nèi)，均可實現(xiàn)在線彎曲。  

　　從理論上說，3點確定一個圓弧。但是要獲得較好的彎曲質(zhì)量，通過試驗我們認為，成型軌跡應該由特定的變形軌跡曲線來確定。  

彎圓軌跡的特定的變形曲線應由方程：ρ=ρ0 + αθ  

或者由方程：  

x=a(cosΦ+ΦsinΦ)  

y=a(sinΦ-ΦcosΦ)  

確定。  

　　四、 CAD/CAM一體化技術(shù)制造高精度軋輥  

　　為了將我們多年的科研成果積累轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，為國內(nèi)外用戶提供高質(zhì)量的技術(shù)服務和技術(shù)支持，在上海市成立了樂孚明（RlollForming）機械有限公司。采用CAD/CAM一體化技術(shù)，為國內(nèi)外客戶提供全方位的服務。樂孚明現(xiàn)有數(shù)控機床多臺以及全套的加工設備，成功地為用戶提供了多種規(guī)格的高精度軋輥以及在線彎圓等相關(guān)設備。  

　　依托上海工業(yè)基地和長江三角洲的優(yōu)勢，廣泛開展國內(nèi)外合作，聚集和培養(yǎng)高素質(zhì)、高水品的人才，加上科學的現(xiàn)代化管理才能為客戶提供高質(zhì)量的產(chǎn)品和技術(shù)服務。樂孚明以此為目標，與我國的冷彎成形行業(yè)共同發(fā)展和進步。