冷弯成型的CAD_CAM_CAE技术

冷弯成型的CAD/CA M/CAE技术

刘继英,艾正青

(北方工业大学机电工程研究所,北京100041)

摘　要:重点介绍了将CAD/CAM/CAE技术应用于冷弯成型行业,解决轿车门窗、农用车车厢板、彩板及不锈钢门窗、异型管成型、宽幅压型板等关键生产技术问题,以及应用FEA技术实现了复杂截面的仿真成型、预冲孔畸变的控制、超高强度钢的成型、高精度复杂型面成型辊的制造技术。为企业开发新产品,采用新技术、新工艺,提供了技术支持和服务。

关键词:冷弯成型技术;CAD/CAM/CAE技术;应用

中图分类号:TP273+.5　文献标识码:B　文章编号:1001-3938(2006)02-0038-05

0　前　言

北方工业大学机电研究所以冷弯成型的CAD/CAM(Computer A ided Design/Computer A i2 ded Manufacture计算机辅助设计/计算机辅助制造)一体化技术为研究方向和特色并在这一领域连续进行了十余年的研究与实践,与国际同行保持了良好的合作交流关系。研究所邀请和组织德国data M公司总裁、现任国际管件协会(I nterna2 ti onal Tube A ss ociati on)主席A lbert Sedl m aier7次到北方工业大学和国内讲学,北方工业大学机电研究所5次派人到德国交流;保持与日本拓植大学著名冷弯成型专家小奈弘教授等的技术交流关系,并与该校每年轮流举办一届冷弯成型方面的技术交流会议,至2004年已举办了7届。2003年承担、完成了来源于韩国工业技术研究院(Ko2 rea I nstitute of I ndustrial Technol ogy)关于特殊断面冷弯成型的研究项目(Devel opment f or for m ing r oll in cold r oll f or m ing p r ocess for the partiti on part),该项目有相当大的难度,通过采用有限元仿真技术与试验研究,获得了委托方的满意评价与合格验收。

北方工业大学机电工程研究所被选为中国冷弯型钢协会的副理事长单位,被确定为协会的CAD/CAM技术的依托推广中心。

十多年来,通过与国际同行的学术交流与合作,与国内外企业界密切合作,应用CAD/CAM/CAE技术于冷弯成型行业,为国内科研院所和企业完成了一百多项的合作研发工作,解决了轿车门窗、农用车车厢板、彩板及不锈钢门窗、异型管成型、宽幅压型板等关键生产技术问题;应用FE A技术实现了复杂截面的仿真成型、预冲孔畸变的控制、超高强度钢的成型;实现了高精度复杂型面成型辊的制造技术,研制了高精度的冷弯成型生产线;并解决了大量工程技术应用的实际问题。为企业开发新产品,采用新技术、新工艺,提供了技术支持和服务。

1　冷弯成型的CAD技术设计范例

我们采用德国data M的专业软件COPRA作为设计的基本工具。COPRA经过二十年的不断发展,目前已成为国际上本行业事实上的CAD应用标准,在六、七十个国家拥有数百个用户群,在我国居于领先地位的企业也都采用了这一软件作为设计工具。

1.1　轿车门窗复杂截面的成型设计

汽车行业是冷弯成型工艺重要的应用领域。轿车门窗的成型不但截面复杂,而且精度要求高(见图1)。一个中等复杂的轿车门窗截面成型需要20～30道次的成型(见图2),一些关键尺寸的控制公差只有0.1～0.2mm。从设计到调试样件的开发周期,一般只有一个月时间,没有高效的计算机辅助设计手段是根本不可能实现的。采用计

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算机辅助设计中的优化技术,可以用最经济的道次获得最好的成型质量。我们用40多道次就完成了国外用60道次成型的一个复杂截面,为用户节省了大量投资。1.2　彩板及不锈钢门窗

门窗要满足隔热隔声、保温防水等功能,型材的截面比较复杂,精度较高。彩色钢板的防腐性能较好,不锈钢的外观比较豪华,

是做钢窗的理想

图1　

轿车门窗的成型截面

图2　一个轿车门窗截面的成型工艺辊花图

材料。为获得较高的抗风压等级,多数型材截面应为封闭截面。为保护彩色钢板的表面,冷弯成型封闭截面采用了咬口(锁缝)工艺。这在设计过程中必须要考虑边部咬口变形工艺的准确性,既不能发生边部干涉,又要保证咬口处的准确叠合。成型辊的设计制造必须考虑型材表面的保护,除了采用较高的表面粗糙度要求外,还需要在局部设计游动辊,以保证辊面与轧件线速度的一

致性。图3是我们设计的一个彩板门窗截面的成型工艺辊花图

。

图3　彩色钢板门窗的咬口成型工艺辊花图

1.3　车厢板以及宽幅压型板

我国农用车的产量每年在300万辆以上。采用冷弯成型生产线,极大地提高了车厢板的生产效率,改善了劳动作业环境,更主要的是可以节约

材料,降低了成本。与设备制造企业合作,我们设计生产了12条不同的车厢板生产线(见图4),帮助客户获得了良好的经济效益

。

图4　车厢板生产线

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宽幅压型板广泛用于建筑墙面和屋面。其特点为宽幅薄板,主要的成型缺陷有:袋形波、边波和错线。从成型机理来说,这是三种不同的原因造成的。袋形波产生于较宽的底面和侧面,是一种弹性变形能的集聚;边波是由于边部变形太快,产生局部塑性应变;错线是由于同时变形的角度太多,板的横向收缩量小于辊型的成型点的位移。采用有限元仿真是解决上述问题的有效方法。1.4　异型管的成型设计

异型管以焊接圆管为母管,经过挤压拉拔变形为异型管,生产效率高、焊接质量好。COPRA 软件采用的是线性拓扑叠代的方法(见图5、图6),确定对应体素的圆弧角和实体长度。输入最

终的异型截面轮廓,就可以自动计算出母管尺寸和各个中间工序的孔型数据。我们成功地为多个企业设计制造了异型管

,替代了多种进口产品

。

图5　异型管的线性拓扑成型图

图6　异型管的成型工艺实例

2　冷弯成型的FEA 仿真技术设计范例

CAE 即计算机辅助工程(Computer A ided En 2gineering ),该技术在冷弯成型中的应用主要体现

在FEA 即有限单元分析(Finite Ele ment Analy 2

ses )的方法。目前该领域成为国内外学者研究的

热点,能否将这一技术应用于生产实践,解决具体的工程实例,是当前的一个重要问题。经过几年的探索,我们成功地解决了一些生产实际问题,取得了良好的效果。

2.1　双倍折边及小内圆角的FEA 仿真

双倍折边及弯曲圆角内半径小于板厚是冷弯成型工艺的一个难点。为了掌握这类变形的特点和规律,我们进行了一个特殊截面成型过程的FE A 有限元仿真。图7是一个中间过程的仿真全

等效应力分布云图。在区域I,弯曲内半径大于半个板厚,中性层靠近几何中心层,等效应力为零;在区域II,弯曲内半径小于半个板厚,中性层偏离几何中心层,向内侧发生了移动,

等效应力为零的区域也向内产生了位移。这样的仿真结果形象地表达了冷弯成型的本质特点。

图7　全等效应力分布云图

根据应力-应变理论,应力-应变可以定义

为正应力(应变)和剪应力(应变)。图8表示的是双倍折边形成时的等效应变。此时弯曲圆角的内边界上,应力应变达到最大值。2.2　预冲孔的FE A 仿真

许多冷弯成型的产品需要预冲孔。在冷弯成

型过程中,如何控制已冲孔的畸变成为一个十分重要的问题。图9的预冲孔在成型过程中发生撕裂,这是因为弯曲成型的区域恰好在已冲孔边缘,而在弯曲过程中未能控制孔的变形。一般说来,弯曲变形区域越接近已冲孔边缘,产生孔型畸变的可能性就越大。孔型畸变的极端例子就是发生撕裂。

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