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，作了內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，實現轎車用高精度復雜型材的生產；通過實驗，完成冷彎型材的在線彎曲；采用CAD/CAM技術，在上海建立了高精度冷彎軋輥生產基地，為多個項目提供了技術服務和支持。

　　關鍵詞：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，國內外發(fā)表的論文和研究成果較多。如何針對生產實際問題，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。我們根據實際問題，作了內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，并進行了相關的實驗驗證。  

　　1． 內半徑為零的雙倍折邊仿真[1]  

　　冷彎成形構件中，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鍵問題。采用MSC Marc做有限元仿真得到的結論如下：  

（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，向彎曲內部移動。仿真給出了具體的偏移過程和數值。  

（2）、通過對變形前后單元的比較，發(fā)現彎曲中，外周單元出現收縮，內周單元出現伸長，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常會出現袋形波缺陷。  

　　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生機理、實驗結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。主要結論如下：  

（1）、袋形波的產生主要是由于板在彎曲過程中出現了脫線現象，在彎曲的部位產生了橫向拉應力和橫向應變。根據板料變形的泊松關系，沿縱向會出現收縮變形，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)出現了袋形波。袋形波主要是彈性變形。  

（2）、出現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袋形波。可以通過給板料施加拉力來減緩袋形波。  

（3）、邊浪的產生是兩種效果的綜合，第一種與袋形波的產生相同，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影響比較大。薄板比厚板更加容易出現邊浪，寬邊比窄邊更加容易出現邊浪。  

　　3． 預沖孔孔形畸變的仿真研究[2]  

　　冷彎成形產品發(fā)展的方向之一是不斷滿足各種應用需求，在產品上實現多種功能。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生機理，并對實驗結果進行了總結。同時利用計算機仿真軟件模擬了加工過程，并將現場實驗結果和計算機仿真結果進行了比較。  

　　根據工藝圖，仿真出結果，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，找到了產生孔形畸變缺陷的主要原因：板料產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的板產生橫向位移。表現在預沖孔邊緣上就產生了較大的位移應變，繼而產生了孔形畸變，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。  

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

　　二、 高精度復雜型材的生產線  

　　冷彎成形特別適合于大批量生產。相對于折彎工藝，輥式冷彎成形的生產效率高，產品的尺寸一致性好，可以實現折彎無法生產的復雜截形。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線，不但成形道次多而且精度要求高。我們總結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]，國內行業(yè)內領先水平的企業(yè)都采用它作為開發(fā)新產品的手段。我們應用這一軟件，已成功地設計制造了數百種冷彎成形產品[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，模具需要經過反復調試，當材料的性質發(fā)生變化時，需要經常修改模具。壓力機壓彎需要一個一個零件安裝特定的工裝內芯，以避免彎曲過程中產生的皺褶等缺陷。完成后再拆除這些內芯，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，不論是在水平面內還是在垂直平面內，均可實現在線彎曲。  

　　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一體化技術制造高精度軋輥  

　　為了將我們多年的科研成果積累轉化為生產力，為國內外用戶提供高質量的技術服務和技術支持，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，為國內外客戶提供全方位的服務。樂孚明現有數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，廣泛開展國內外合作，聚集和培養(yǎng)高素質、高水品的人才，加上科學的現代化管理才能為客戶提供高質量的產品和技術服務。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。