陳偉標(biāo)，王栓虎，彭斌彬，孫宇

(南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京210094)

P形管是一種用途很廣的冷彎型鋼產(chǎn)品。在同等金屬情況下，它比圓管、方管具有更堅固、承載更大、強度更高等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于建筑、車輛制造、礦山機械制造等各個行業(yè)。

冷彎成型是一個復(fù)雜的成形過程，受很多因素影響[1]。冷彎成型技術(shù)正由以試錯法為主的工藝技術(shù)階段向以模型化、最優(yōu)化、柔性化為特征的工程科學(xué)階段過渡。計算機輔助設(shè)計的應(yīng)用對其過渡具有決定性的意義。在輔助分析計算中，設(shè)計者首先要按求解內(nèi)容的物理規(guī)律確定計算關(guān)系，即建立計算模型;其次，要確定求解策略和方法[2]。采用計算機輔助設(shè)計技術(shù)，可以實現(xiàn)復(fù)雜外形、高精度軋輥的優(yōu)化設(shè)計，使冷彎成型鋼的設(shè)計不再主要依賴設(shè)計者的經(jīng)驗以及調(diào)試修正的試錯法。文中將以P形焊管為例，介紹冷彎成型鋼的計算機輔助設(shè)計方法及過程。

1 軟件介紹

COPRA系統(tǒng)起源于德國的慕尼黑大學(xué)的一項輥彎研究項目，是第一個用于冷彎成型設(shè)計的商業(yè)化軟件。COPRA系統(tǒng)的主要功能是:進行輥彎工具和軋機的設(shè)計;優(yōu)化成形工藝;繪制工程圖紙;成本計算;提供與數(shù)控機床的聯(lián)接手段。COPRA系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中每個模塊和函數(shù)都可以嵌入其他通用CAD系統(tǒng)中使用。其中H2 COPRA 變形技術(shù)模塊(DTM)可以實現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變的仿真計算。通過DTM，設(shè)計者可對所設(shè)計的變形工藝作如下分析:(1)獲得彎曲和曲率引起的材料應(yīng)變;(2)檢查軋機中的材料應(yīng)變的過程;(3)確定非對稱斷面應(yīng)變的不同之處;(4)確定任何道次之間的彎曲過程;(5)找到軋機使用的最合適的孔型工藝參數(shù)[3]。利用COPRA 進行輔助設(shè)計的流程如圖1所示。

圖1 冷彎成型的計算機輔助設(shè)計流程圖

2 P形管的尺寸及相關(guān)技術(shù)參數(shù)

P形焊管壁厚為1.2 mm，其外形尺寸如圖2所示。

圖2 P形焊管成品管圖形

機組相關(guān)技術(shù)要求如表1所示。

表1 機組相關(guān)技術(shù)參數(shù) mm

3 P形管工藝設(shè)計

焊接異形管可以有兩種不同的成型工藝方法，即“直接成型”和“先成圓后變異”工藝[4]。前者是將不必添加多少設(shè)備就可以獲得不同的異形管，而且其焊縫性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠。將圓管擠壓成P形管時采用“角度變換法”，即圓管變成P形管的成型過程中，P形管的實體單元和圓管的對應(yīng)部分保持線性拓撲的投影關(guān)系。P型管和圓管實體單元間保持線性拓撲的投影關(guān)系如圖3所示。

下面利用COPRA 對P形管進行輔助設(shè)計。

圖3 線性拓撲投影關(guān)系圖

3.1 初始設(shè)計方案的設(shè)計分析

(1)首先選擇異型管設(shè)計模塊，按成品管尺寸繪制圖形，選擇標(biāo)準(zhǔn)公式計算方法，根據(jù)中性層系數(shù)表設(shè)置中性層系數(shù)為0.449。采用定長度展開法，定長度法的大半徑允許材料有較大的滑動范圍，而定半徑方法則用小的最終半徑容易限制材料的流動[5]。此時可以查看斷面的相關(guān)數(shù)據(jù)(如板寬、中心層寬度等)，接著設(shè)置展開基準(zhǔn)平面。

(2)設(shè)置變形工步參數(shù)，因為該圓形焊管高度變形量較大，采用6架水平輥和5架立輥?？紤]孔形中材料充實及縱向延伸，確定總的壓縮系數(shù)取1.04%。選擇最小誤差優(yōu)化方法和相關(guān)疊代條件，分配各個道次角度變化量和壓縮量，分配結(jié)果如表2所示。設(shè)計中需要考慮的因素:為保證板料在開始道次順利咬入及最后的產(chǎn)品精度，配置較小的變形量;驅(qū)動的水平輥道次，分配較多的變形量;立輥道次剛性較差，且無動力驅(qū)動，配置較小的變形量;根據(jù)軋輥輪廓的形狀及孔型變形的難易程度，可調(diào)整變形量的分配;由軋機可用的總道次和管型復(fù)雜程度，確定變形量[6]。

表2 各架平、立輥的角度及壓縮量分配

由COPRA自動計算各道次變形，并確定變形工藝圖，如圖4所示。

(3)確定變形工藝圖后進行DTM的應(yīng)力應(yīng)變仿真，選擇Hauschild 模擬方法。根據(jù)表1中的參數(shù)設(shè)置成型軋機數(shù)據(jù)，并建立軋機軸線。圖5為斜二側(cè)變形圖。另外可以查看焊管不同位置的應(yīng)變，如圖6所示。

從圖中可以看到:初始道次、最后道次和立輥應(yīng)變量較小，主要變形由中間幾個平輥分擔(dān);帶板中心層最大應(yīng)變量發(fā)生在右側(cè)800 mm處，為0.21%;帶板最大應(yīng)變值發(fā)生在右側(cè)800 mm處，為0.29%，屈服極限為0.31%，各道次的最大變形量均沒有超過材料的彈性極限，但帶板上側(cè)應(yīng)變略大于下側(cè)，帶板在800 mm處上側(cè)左邊受拉應(yīng)力，右側(cè)受較大的壓應(yīng)力，變形量過大，可能磨損帶板。在生產(chǎn)時，板帶受相鄰材料的約束，右側(cè)的縱向及橫向均產(chǎn)生了壓應(yīng)力，而厚度方向上應(yīng)變較小，根據(jù)泊松關(guān)系，厚度方向上必產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)厚度方向上的拉應(yīng)力太大時，會產(chǎn)生邊波缺陷。帶鋼直接彎曲成P形管再進行焊接;后者是成型圓管后焊接，再成型成P形管。與“直接成型”相比，“先成圓后變異”調(diào)試較為容易，在焊接成圓管后，

圖4 圓管擠壓為P形管的變形工藝圖

圖5 DTM模擬仿真圖

圖6 板帶不同位置應(yīng)變值(初始設(shè)計方案)

(4)回彈量計算

利用COPRA 計算最終道次中各個圓弧的過彎角和半徑以補償回彈，選擇BISWAS過彎回彈計算方法。回彈的計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 P形管回彈結(jié)果

初始方案中P形管水平放置，使得軋輥與其接觸表面過大，容易擦傷管壁，應(yīng)盡量避免帶鋼滯留時間過長，減小速度差。另外，從變形圖中可以看到，由于P形管左右受力不均，左邊受力過小，而右邊受的水平力過大，且有分力會產(chǎn)生順時針方向的力矩，成型后會有較大的扭曲，容易產(chǎn)生缺陷，需要在最后道次用可調(diào)節(jié)的矯直頭逆時針矯正以消除扭曲。下面針對以上問題改進方案。

3.2 改進設(shè)計方案的設(shè)計分析

針對初始方案中的不足，將P形管傾斜一定角度，使斷面慣性矩的一個主軸與軋輥軸平行。利用COPRA計算出截面力學(xué)特性值，如圖8所示，慣性矩主軸Iv與立邊成37°傾斜?？紤]到軋輥須與斷面最下方的點P接觸(否則將形成盲角)，故將旋轉(zhuǎn)角度修正為45°。成型部分為4平5 立。由COPRA自動計算各機架變形，并確定變形工藝圖，如圖9所示。板帶不同位置的應(yīng)變，如圖10所示。

圖8 慣性矩主軸圖

圖9 圓管成型為P形管的輥花圖

圖10 板帶不同位置應(yīng)變值(改進設(shè)計方案)

4 軋輥設(shè)計

確定了型材變形工藝圖后，開始設(shè)計軋輥。在設(shè)計軋輥時需要考慮以下因素:斷面高度、軸直徑、材料厚度、轉(zhuǎn)速比、軋輥直徑增量等。以立輥3為例說明設(shè)計過程，選擇自動建立軸線按鈕，將前面建立的軋機軸線數(shù)據(jù)加載。分別設(shè)置水平輥和立輥特征屬性。提取需要配輥的道次，進入當(dāng)前道次交互配輥。在配輥中需要考慮以下因素:考慮到金屬流動特性，設(shè)計時需要留有足夠大的間隙;立輥輥縫可以較大，因為其承載的變形量不是很大;反之，水平輥不能留太大間隙，防止板型從輥縫變形;且立輥的高度要比輥花高一定距離。配輥結(jié)果如圖11所示。

圖11 立輥3 配輥結(jié)果

設(shè)計好機架道次軋輥后將其保存，轉(zhuǎn)入下一道次。配置好所有軋輥后可以查看應(yīng)變，插入軋輥查看變形圖。如圖12所示。

圖12 加入軋輥的應(yīng)變圖

5 結(jié)束語

(1)通過COPRA的計算方法和分析模型分析變形工步及應(yīng)變合理性，可以看出:改進后的設(shè)計方案P形管最大變形為0.21%，遠小于屈服極限值，且左右兩側(cè)受力均勻，不容易產(chǎn)生大的扭曲變形。該方案采用4 平5 立9 道次成型，比第一方案少2個道次，節(jié)約了成本，所以更為合理。

(2)利用COPRA軟件輔助設(shè)計完成的變形工藝是否合理直接影響著產(chǎn)品的尺寸精度和外觀質(zhì)量。采用計算機模擬技術(shù)可以對模擬中發(fā)現(xiàn)的不合理變形及時給予修正，縮短了設(shè)計周期，提高了設(shè)計精度，減輕工作量，而且有效地避免某些產(chǎn)品缺陷的產(chǎn)生，達到優(yōu)化設(shè)計的目的。這樣在實際生產(chǎn)中，可以減少實驗調(diào)試的次數(shù)，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，為企業(yè)帶來更多的經(jīng)濟效益。

(3)在軋輥設(shè)計方面，系統(tǒng)可建立一個“機器文件”，其中包括機組機架數(shù)、速比及調(diào)節(jié)范圍等參數(shù)，并輸出軋輥圖紙，通過數(shù)控技術(shù)模塊，可轉(zhuǎn)換成NC 通用指令代碼。因而，計算機輔助設(shè)計技術(shù)比傳統(tǒng)的設(shè)計手段有著無可比擬的優(yōu)越性。

【1】王春新，劉繼英.冷彎成形過程仿真技術(shù)的發(fā)展[J].北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004 (1):46－50.

【2】彭建華，王曉軍.基于CAD/CAM的計算機輔助工程分析方法[J].機床與液壓，2004(5):136－137.

【3】小奈弘，劉繼英.冷彎成型技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

【4】石京，王先進.國內(nèi)外冷彎成型研究最新進展[J].軋鋼，1998(5):45－48.

【5】HALMOS G T.冷彎成型技術(shù)[M].劉繼英，艾正青，譯.北京:化工出版社，2009.

【6】李燁.P形管的孔型設(shè)計[J].焊管，2005 (3):39－41.