辊弯成型工艺设计及优化方法研究

摘 要：计算机辅助设计技术在国内外辊弯成型工艺设计的研究与应用取得了一定的成果，但到目前为止，许多CAD软件通用性不高，现有研究都是针对成形工艺某一环节进行，未形成一套完善的设计方法，所以有必要对计算机辅助设计的方法和流程进行系统的研究，并提出一套完整的设计思路，并对现有的优化方法进行相应的研究。以缩短设计周期，提高设计可靠性；降低了设计过程中的经济损失，提高了长期生产的经济效益。

关键词：辊弯成型工艺设计 计算机辅助设计 优化方法

中图分类号：TG356.25 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（a）-0120-02

辊弯成型是通过串列布置的一系列辊弯模具将带材连续成型为具有一定断面几何形状产品的加工方法辊弯成型产品[1]。

辊式辊弯成型本身是一个非常复杂的板料深度塑性加工的工艺过程[2]，其连续辊弯成型具有道次多、变形大、横纵向变形兼具等特点，传统的经验设计和分析方法难以为生产和工艺过程提供准确的指导。将计算机辅助设计（CAD）及工艺参数优化等技术应用于辊弯成型行业，并代替传统的设计模式，这已经成为一种普遍的趋势。

目前为止，CAD技术在国内外辊弯成型领域的研究与应用取得了一定的成果，但到目前为止，许多CAD软件通用性不高，现有研究都是针对成形工艺某一环节进行，未形成一套完善的设计方法，所以有必要对计算机辅助设计的方法和流程进行系统的研究，并提出一套完整的设计思路，为完善CAD系统和提高企业设计效率提供参考。

1 辊弯成型工艺设计的内容及技术路线

辊弯成型工艺设计主要包括以下三方面内容[3]：（1）变形工艺图的设计：根据带材的材料特性、尺寸精度的要求及产品最终截面形状，确定道次数、各个道次的孔型形状尺寸及弯曲变形量。（2）配置轧辊：根据各个道次的变形工艺图，配置各个机架轧辊，从而确保带材能正常轧制。（3）辅助装置设计：辅助装置包括导向辊和矫直辊等装置。

如（图1）所示，在确定初始变形工艺图的基础上，利用有限元分析软件对变形工艺质量进行验证，得到板料的变形情况，根据仿真的结果，应用现代机械优化设计方法对变形工艺图进行优化，找到最合理的工艺参数组合。

2 变形工艺图设计

变形工艺图是各个道次变形截面形状的顺序叠加图，表达了坯料从平板成型为所需截面的过程，变形工艺图设计流程如图2所示。

辊弯成型过程中的每一道次的变形对最终产品的质量都有影响，弯曲角的分配正确与否直接决定产品质量的好坏。对于弯曲角度分配方案，很多学者和设计人员进行了大量的研究。目前国内大部分设计人员都是依赖于实践生产经验进行设计，没有一定的理论基础，设计出来的变形工艺图缺乏一致性，且可靠度不高。目前，较为合理的分配弯曲角度的方法是假设立边端部水平面的投影轨迹用三次曲线进行描述[4]，其示意图如（图3）所示。

第道弯曲角的公式为：

式中：为成型道次数；为最终弯曲角；为第道弯曲角。

利用该公式初步确定各道次弯曲角度。设置好各段圆弧弯曲角度。

3 初始方案验证

根据初始方案建立轧机轴线及成型轧机数据（包括轧辊直径、机架间距、轴长等主要参数）。设置好相关参数后，利用有限元分析软件对初始方案进行模拟验证。

通过有限元对辊弯成型过程的计算机模拟，可以预先发现不合理的工艺设置，并修改相关参数而得到满意的结果。但目前主要通过反复试错的方法来进行优化，任务量非常繁重，需要花费很大的精力才能得到一个相对满意的结果，且难以获得最优化的工艺。可以通过现代机械优化设计方法研究不同工艺参数对成形质量的影响，利用计算机模拟技术与优化技术相结合得到最优的工艺参数组合。

4 工艺参数优化

人们在合理配置辊弯成型工艺参数方面做了许多工作，其中主要的方法有：试错法、反应曲面研究方法、神经网络优化算法及基于统计分析的试验设计方法。

试错法是现在企业使用的主要设计方法，由设计工程师根据积累的设计经验对工艺参数进行设置。这种方法对于新产品的开发则很难准确地为生产过程和成型工艺提供指导，产品精度、设计和调试周期也远远达不到客户的要求。

我国学者曾国对辊弯成型工艺轧辊设计的优化进行了研究，通过反应曲面法建立的数学模型，在优化的过程中，回弹角和最大边部纵向应变分别的在每个机架中设置成基本函数和约束条件。得到的最小的回弹角便会得到最优化的成型角度和轧辊半径，这样便得到了最优的成型孔型。对于不同的辊弯型钢，需要通过反曲面法建立不同的数学模型，而对于复杂的截面则很难建立对应的反曲面数学模型，这就限制了该方法在工程设计中的应用。

基于统计分析的试验设计方法是用数理统计的方法研究随机现象中变量之间的相互关系。该方法着重研究如何科学地设计试验方案，正确地分析试验数据，得出试验中各因素对考察指标影响的显著性，从而寻求最佳生产条件和工艺参数，以改进产品的生产工艺，达到提高产品质量和经济效益的目的。国内著名教授的李大永利用正交试验设计方法和CAE软件，获得轧辊直径的优化设计结果，降低了板料成型过程中的纵向应变，也改善了它的成形性能。上海交通大学的林忠钦结合了正交试验设计方法和数值模拟分析方法，对U形件成形过程进行了优化设计，提高了产品的成形精度，采用这种方法还可以明显地减少有限元计算的次数、提高优化过程的效率[6]。

5 结语

分析计算机辅助设计（CAD）技术在辊弯成型工艺设计中的应用及不足，提出将优化技术与CAD结合进行辊弯成型工艺设计的技术路线和思路，通过研究现代机械优化设计方法在辊弯成型工艺设计中的应用情况，了解各种优化方法的应用方式。

本文为工程师进行工艺设计及研究人员的开发思路提供一定的参考依据，可以提高设计和生产效率，为企业带来更多的经济效益。

参考文献

[1]王爱玲，王俊元.辊弯生产系统的反求设计及应用[J].华北工学院学报，2001，22（4）：308-312.

[2]李登超.辊弯型钢及焊管生产技术[M].北京：化学工业出版社，2011.

[3]王春新，刘继英.冷弯成形过程仿真技术的发展[J].北方工业大学学报，2004（1）：46-50.

[4]喻威.钢板桩轧制过程的有限元模拟研究[D].武汉科技大学，2011.

[5]曾国.多道次辊弯成形冷弯型钢残余应力有限元仿真与实验研究[D].上海交通大学，2008.

[6] 林忠钦，刘罡，李淑慧，等.应用正交试验设计提高U形件的成形精度[J].机械工程学报，2002，38（3）：83-88.