1．引言

1.1 冷彎成型工藝

冷彎成型是用成組漸變的型面軋輥，在常溫下將金屬板帶通過連續彎曲變形成為所要求的最終截面的板金屬成形的工藝方法。

隨著冷彎成型產品的復雜性增加和精度要求的提高，掌握這種成型工藝的技術訣竅，成為提高冷彎成型企業不可缺少的競爭能力。

近來冷彎成型產品作為Hydro成形這種加工業的半成品，使得冷彎成型產品的市場需求不斷增加。掌握這種成型工藝的技術訣竅是管件和冷彎型材的基本質量要求，是決定性的競爭要素。

1.2 存在問題

主要的難點在于對高品質產品的加工工藝技術缺乏足夠和明確的認識；成形軋輥只在某些特定的部位對成形起作用，大部分板的變形（希望的和不希望的）并不發生在軋輥孔型中的準確位置，而是發生在相隨的一對軋輥導入區域，這個變形區域稱為變形區長度。

在冷彎成型中的主要問題產生在軋輥的安裝調試過程，這常常是由于產品的缺陷和超過公差，而需要對軋輥修正和重新加工。

1 COPRA冷彎成型軋輥設計和分析服務中心，德國data M 軟件有限責任公司

2 北方工業大學機電工程研究所,北京 100041

1.3 有限元仿真

數字化仿真是研究和掌握冷彎成型工藝技術的有效工具。然而，過長的計算時間使得有限元仿真難以滿足企業快速軋輥設計的要求。

本文介紹了仿真技術在軋輥設計的實際應用，冷彎成型工藝技術研究的成果。

需要說明的是下面的實例只給出了部分的結果和獲得的經驗，這主要是由于涉及到受委托客戶公司的機密。

文中所有仿真實例是用有限元商業分析包COPRA FEA RF（data M 軟件公司），基于優化的Marc（MSC 軟件公司）求解器得到的。

2．仿真技術在軋輥開發中的應用

傳統的軋輥開發步驟以及應用仿真技術的過程表示在圖1。

圖1軋輥開發流程，經驗、仿真

從圖中可以看出設計者的經驗和工藝技術是非常重要的，同時質量控制和生產過程的質量監控也應當引起重視。

仿真應用的目的在于改進工藝技術方法，提高產品質量，掌握冷彎成型的過程，減少軋輥修復和修改設計，節約生產調試成本。

如圖1所示，冷彎成型工藝仿真離不開軋輥設計者的經驗和成型設備的安裝調試過程。脫離冷彎成型工藝的經驗和工藝知識的仿真沒有意義，還會在實際應用中產生嚴重的后果。

設計人員必須經過培訓才能成為有限元仿真技術的專家，仿真軟件必須采用冷彎成型設計人員的專業術語。

3.仿真實踐

軋輥開發的周期有時長達數月，但一般只有幾周。因此一套軋輥設計最長只能用一到兩周，其中還要留有軋輥加工（車，磨，淬火）時間。

即便利用先進的軟件和高速的個人計算機，對冷彎成型過程進行有限元仿真也要花費幾個小時甚至幾天的時間。

仿真計算時間可以通過下列方法降到最低：用仿真分析模型預優化軋輥組；用有限元分析優化軋輥組。

最好的方法是在用冷彎成型工業的專業軟件包進行分析。

3.1 仿真第一步：快速優化

根據本文所闡述的概念，軋輥優化的第一步是幾何仿真。系統的幾何特性必須考慮的因素包括：成型曲線，軋輥直徑，板材厚度，截面形狀，軋輥類型和一部分材料特性等。仿真的主要目標是根據用戶產品的要求確定成形的最少道次，并在這些道次中平滑地分配成形功。

仿真只用幾秒鐘的時間就可以完成每個優化變量的計算，幫助軋輥設計人員從最初的設想到迅速確定優化的道次數和成形工藝順序。

仿真的主要思想是相鄰道次間的變形區的曲面形狀可以用一個特定的變形曲線來描述。變形曲線是一個成形截面邊部在進入下一道次前的一段截型曲線。可以想象用直線描述變形曲線是過于簡化了，也與實際情況不相符。過去有大量的研究用正弦曲線和多項式函數描述變形區形狀，作者的公司進行了大量的試驗和有限元仿真，使這些研究成果與實際工程更加吻合?，F在軟件可以分析以變形長度為基礎的發生在成形方向和橫截面上應變。圖3是一個彎曲成型工序的優化實例。

圖3：用幾何仿真包進行的冷彎工藝的優化，水平紅線代表材料的彈性極限，在道次數相同的情況下改變了成形工藝

3.2仿真第二步：有限元仿真

為了對已經優化過的軋輥設計驗證，必須進行有限元仿真。本文論述的作為質量管理重要組成部分的仿真目標是對軋輥設計進行驗證和校核，尋求冷彎技術特定問題的解決方法。

有限元仿真在冷彎成型的下列方面得到了應用：

焊管行業：適用于多規格板厚的軋輥，側立輥的成型，釋放角度，開放孔型后的板帶邊波，焊接質量，軋輥的磨耗（局部接觸壓力過大引起的），自由變形，定徑品質，焊接補償，等等。
壓型板截面：袋形波，彎曲域的減薄，直線構件的拱曲，板帶邊波，非理想的金屬流動等等。
開口和閉口截面：包括了上面用于焊管成形和壓型板截面的所有內容，另外還有一些特有的問題，如預沖孔變形，材料硬度，彎曲回彈，輪廓尺寸如高／寬／厚比的問題。

這篇論文的主題是介紹仿真在全面質量管理中的應用，因而對這些例子不做詳細討論。如上所列只在圖4做了概要介紹，詳細的解釋和說明請在參考文獻2中查閱。需要了解最新的實際應用的例子，請參考作者公司設計部的信息。

圖4：仿真實例：成型切斷后的回彈（上左一），焊接v型坡口的確定（上中），用3和6道次成型預沖孔變形的對比（上右），冷凝翅片的驗證（下左一），壓型板初始變形過程邊緣擺動（下右）

有限元仿真的結果和信息可以用來檢驗軋輥設計和進一步的優化。

多數情況下冷彎成型企業本身沒有這種能進行專業檢驗的研究所。即使有研究所，由于有限元分析人員和冷彎成型的設計人員專業語言的差異，也很難有效配合研究。因此，使用經過改進適合于冷彎成型的有限元仿真軟件設計是個很好的選擇。這樣的軟件它可以自動建立有限元仿真的模型：

生成足夠單元
合理的邊界條件
優化的仿真設置

另外，有限元仿真軟件可以用冷彎成型的專業術語更清晰地表達結果。用戶可以運用操作虛擬的冷彎成型機。過去常常需要在實際中進行的試驗，現在可以用仿真軟件來做，克服了必須在生產線和某些成型道次中實踐的局限性。

需要注意的是仿真軟件可以在軋輥設計階段進行。這樣可以節約如下費用：　　　　　　　　　　　　　　

無用軋輥的生產費用
有缺陷軋輥的返工費用
安裝調試時間
停產修復的時間
為今后的項目開發增加技術訣竅和經驗

3.3質量檢查和仿真

工業應用已經證實了質量管理的必要性 ：掃描生產使用過的和經一段生產周期后的軋輥幾何輪廓。

用實際軋輥的幾何數據進行有限元仿真可以給冷彎成型工程師提供冷彎生產線的實際信息。軋輥磨耗及臨界狀態通過檢修可以發現。

軋輥的穩定使用不僅能減少生產成本，更重要的是可以全面提高產品質量。

4、結論

本文提出了對冷彎成型進行全面質量管理的概念，包括兩種仿真的軟件方法和用輪廓掃描儀檢測軋輥幾何外形輪廓的硬件裝置。

第一步的快速優化設計是基于幾何仿真的軟件進行的。

軋輥設計后，進一步用一兩輪有限元仿真分析檢驗校核設計結果。

工業應用價值的概念體現在降低設計成本、減少調試費用和提高企業冷彎技術水平方面。