輥彎成型工藝設計及優化方法研究

摘 要：計算機輔助設計技術在國內外輥彎成型工藝設計的研究與應用取得了一定的成果，但到目前為止，許多CAD軟件通用性不高，現有研究都是針對成形工藝某一環節進行，未形成一套完善的設計方法，所以有必要對計算機輔助設計的方法和流程進行系統的研究，并提出一套完整的設計思路，并對現有的優化方法進行相應的研究。以縮短設計周期，提高設計可靠性；降低了設計過程中的經濟損失，提高了長期生產的經濟效益。

關鍵詞：輥彎成型工藝設計 計算機輔助設計 優化方法

中圖分類號：TG356.25 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（a）-0120-02

輥彎成型是通過串列布置的一系列輥彎模具將帶材連續成型為具有一定斷面幾何形狀產品的加工方法輥彎成型產品[1]。

輥式輥彎成型本身是一個非常復雜的板料深度塑性加工的工藝過程[2]，其連續輥彎成型具有道次多、變形大、橫縱向變形兼具等特點，傳統的經驗設計和分析方法難以為生產和工藝過程提供準確的指導。將計算機輔助設計（CAD）及工藝參數優化等技術應用于輥彎成型行業，并代替傳統的設計模式，這已經成為一種普遍的趨勢。

目前為止，CAD技術在國內外輥彎成型領域的研究與應用取得了一定的成果，但到目前為止，許多CAD軟件通用性不高，現有研究都是針對成形工藝某一環節進行，未形成一套完善的設計方法，所以有必要對計算機輔助設計的方法和流程進行系統的研究，并提出一套完整的設計思路，為完善CAD系統和提高企業設計效率提供參考。

1 輥彎成型工藝設計的內容及技術路線

輥彎成型工藝設計主要包括以下三方面內容[3]：（1）變形工藝圖的設計：根據帶材的材料特性、尺寸精度的要求及產品最終截面形狀，確定道次數、各個道次的孔型形狀尺寸及彎曲變形量。（2）配置軋輥：根據各個道次的變形工藝圖，配置各個機架軋輥，從而確保帶材能正常軋制。（3）輔助裝置設計：輔助裝置包括導向輥和矯直輥等裝置。

如（圖1）所示，在確定初始變形工藝圖的基礎上，利用有限元分析軟件對變形工藝質量進行驗證，得到板料的變形情況，根據仿真的結果，應用現代機械優化設計方法對變形工藝圖進行優化，找到最合理的工藝參數組合。

2 變形工藝圖設計

變形工藝圖是各個道次變形截面形狀的順序疊加圖，表達了坯料從平板成型為所需截面的過程，變形工藝圖設計流程如圖2所示。

輥彎成型過程中的每一道次的變形對最終產品的質量都有影響，彎曲角的分配正確與否直接決定產品質量的好壞。對于彎曲角度分配方案，很多學者和設計人員進行了大量的研究。目前國內大部分設計人員都是依賴于實踐生產經驗進行設計，沒有一定的理論基礎，設計出來的變形工藝圖缺乏一致性，且可靠度不高。目前，較為合理的分配彎曲角度的方法是假設立邊端部水平面的投影軌跡用三次曲線進行描述[4]，其示意圖如（圖3）所示。

第道彎曲角的公式為：

式中：為成型道次數；為最終彎曲角；為第道彎曲角。

利用該公式初步確定各道次彎曲角度。設置好各段圓弧彎曲角度。

3 初始方案驗證

根據初始方案建立軋機軸線及成型軋機數據（包括軋輥直徑、機架間距、軸長等主要參數）。設置好相關參數后，利用有限元分析軟件對初始方案進行模擬驗證。

通過有限元對輥彎成型過程的計算機模擬，可以預先發現不合理的工藝設置，并修改相關參數而得到滿意的結果。但目前主要通過反復試錯的方法來進行優化，任務量非常繁重，需要花費很大的精力才能得到一個相對滿意的結果，且難以獲得最優化的工藝。可以通過現代機械優化設計方法研究不同工藝參數對成形質量的影響，利用計算機模擬技術與優化技術相結合得到最優的工藝參數組合。

4 工藝參數優化

人們在合理配置輥彎成型工藝參數方面做了許多工作，其中主要的方法有：試錯法、反應曲面研究方法、神經網絡優化算法及基于統計分析的試驗設計方法。

試錯法是現在企業使用的主要設計方法，由設計工程師根據積累的設計經驗對工藝參數進行設置。這種方法對于新產品的開發則很難準確地為生產過程和成型工藝提供指導，產品精度、設計和調試周期也遠遠達不到客戶的要求。

我國學者曾國對輥彎成型工藝軋輥設計的優化進行了研究，通過反應曲面法建立的數學模型，在優化的過程中，回彈角和最大邊部縱向應變分別的在每個機架中設置成基本函數和約束條件。得到的最小的回彈角便會得到最優化的成型角度和軋輥半徑，這樣便得到了最優的成型孔型。對于不同的輥彎型鋼，需要通過反曲面法建立不同的數學模型，而對于復雜的截面則很難建立對應的反曲面數學模型，這就限制了該方法在工程設計中的應用。

基于統計分析的試驗設計方法是用數理統計的方法研究隨機現象中變量之間的相互關系。該方法著重研究如何科學地設計試驗方案，正確地分析試驗數據，得出試驗中各因素對考察指標影響的顯著性，從而尋求最佳生產條件和工藝參數，以改進產品的生產工藝，達到提高產品質量和經濟效益的目的。國內著名教授的李大永利用正交試驗設計方法和CAE軟件，獲得軋輥直徑的優化設計結果，降低了板料成型過程中的縱向應變，也改善了它的成形性能。上海交通大學的林忠欽結合了正交試驗設計方法和數值模擬分析方法，對U形件成形過程進行了優化設計，提高了產品的成形精度，采用這種方法還可以明顯地減少有限元計算的次數、提高優化過程的效率[6]。

5 結語

分析計算機輔助設計（CAD）技術在輥彎成型工藝設計中的應用及不足，提出將優化技術與CAD結合進行輥彎成型工藝設計的技術路線和思路，通過研究現代機械優化設計方法在輥彎成型工藝設計中的應用情況，了解各種優化方法的應用方式。

本文為工程師進行工藝設計及研究人員的開發思路提供一定的參考依據，可以提高設計和生產效率，為企業帶來更多的經濟效益。

參考文獻

[1]王愛玲，王俊元.輥彎生產系統的反求設計及應用[J].華北工學院學報，2001，22（4）：308-312.

[2]李登超.輥彎型鋼及焊管生產技術[M].北京：化學工業出版社，2011.

[3]王春新，劉繼英.冷彎成形過程仿真技術的發展[J].北方工業大學學報，2004（1）：46-50.

[4]喻威.鋼板樁軋制過程的有限元模擬研究[D].武漢科技大學，2011.

[5]曾國.多道次輥彎成形冷彎型鋼殘余應力有限元仿真與實驗研究[D].上海交通大學，2008.

[6] 林忠欽，劉罡，李淑慧，等.應用正交試驗設計提高U形件的成形精度[J].機械工程學報，2002，38（3）：83-88.