摘 要：計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)在國內(nèi)外輥彎成型工藝設(shè)計的研究與應(yīng)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(xiàn)有研究都是針對成形工藝某一環(huán)節(jié)進(jìn)行，未形成一套完善的設(shè)計方法，所以有必要對計算機(jī)輔助設(shè)計的方法和流程進(jìn)行系統(tǒng)的研究，并提出一套完整的設(shè)計思路，并對現(xiàn)有的優(yōu)化方法進(jìn)行相應(yīng)的研究。以縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計可靠性；降低了設(shè)計過程中的經(jīng)濟(jì)損失，提高了長期生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：輥彎成型工藝設(shè)計 計算機(jī)輔助設(shè)計 優(yōu)化方法

中圖分類號：TG356.25 文獻(xiàn)標(biāo)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(xù)成型為具有一定斷面幾何形狀產(chǎn)品的加工方法輥彎成型產(chǎn)品[1]。

輥式輥彎成型本身是一個非常復(fù)雜的板料深度塑性加工的工藝過程[2]，其連續(xù)輥彎成型具有道次多、變形大、橫縱向變形兼具等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計和分析方法難以為生產(chǎn)和工藝過程提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)。將計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）及工藝參數(shù)優(yōu)化等技術(shù)應(yīng)用于輥彎成型行業(yè)，并代替?zhèn)鹘y(tǒng)的設(shè)計模式，這已經(jīng)成為一種普遍的趨勢。

目前為止，CAD技術(shù)在國內(nèi)外輥彎成型領(lǐng)域的研究與應(yīng)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(xiàn)有研究都是針對成形工藝某一環(huán)節(jié)進(jìn)行，未形成一套完善的設(shè)計方法，所以有必要對計算機(jī)輔助設(shè)計的方法和流程進(jìn)行系統(tǒng)的研究，并提出一套完整的設(shè)計思路，為完善CAD系統(tǒng)和提高企業(yè)設(shè)計效率提供參考。

1 輥彎成型工藝設(shè)計的內(nèi)容及技術(shù)路線

輥彎成型工藝設(shè)計主要包括以下三方面內(nèi)容[3]：（1）變形工藝圖的設(shè)計：根據(jù)帶材的材料特性、尺寸精度的要求及產(chǎn)品最終截面形狀，確定道次數(shù)、各個道次的孔型形狀尺寸及彎曲變形量。（2）配置軋輥：根據(jù)各個道次的變形工藝圖，配置各個機(jī)架軋輥，從而確保帶材能正常軋制。（3）輔助裝置設(shè)計：輔助裝置包括導(dǎo)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(chǔ)上，利用有限元分析軟件對變形工藝質(zhì)量進(jìn)行驗證，得到板料的變形情況，根據(jù)仿真的結(jié)果，應(yīng)用現(xiàn)代機(jī)械優(yōu)化設(shè)計方法對變形工藝圖進(jìn)行優(yōu)化，找到最合理的工藝參數(shù)組合。

2 變形工藝圖設(shè)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(dá)了坯料從平板成型為所需截面的過程，變形工藝圖設(shè)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(chǎn)品的質(zhì)量都有影響，彎曲角的分配正確與否直接決定產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。對于彎曲角度分配方案，很多學(xué)者和設(shè)計人員進(jìn)行了大量的研究。目前國內(nèi)大部分設(shè)計人員都是依賴于實踐生產(chǎn)經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)計，沒有一定的理論基礎(chǔ)，設(shè)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(shè)立邊端部水平面的投影軌跡用三次曲線進(jìn)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(shù)；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(shè)置好各段圓弧彎曲角度。

3 初始方案驗證

根據(jù)初始方案建立軋機(jī)軸線及成型軋機(jī)數(shù)據(jù)（包括軋輥直徑、機(jī)架間距、軸長等主要參數(shù)）。設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后，利用有限元分析軟件對初始方案進(jìn)行模擬驗證。

通過有限元對輥彎成型過程的計算機(jī)模擬，可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)不合理的工藝設(shè)置，并修改相關(guān)參數(shù)而得到滿意的結(jié)果。但目前主要通過反復(fù)試錯的方法來進(jìn)行優(yōu)化，任務(wù)量非常繁重，需要花費(fèi)很大的精力才能得到一個相對滿意的結(jié)果，且難以獲得最優(yōu)化的工藝。可以通過現(xiàn)代機(jī)械優(yōu)化設(shè)計方法研究不同工藝參數(shù)對成形質(zhì)量的影響，利用計算機(jī)模擬技術(shù)與優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合得到最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。

4 工藝參數(shù)優(yōu)化

人們在合理配置輥彎成型工藝參數(shù)方面做了許多工作，其中主要的方法有：試錯法、反應(yīng)曲面研究方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法及基于統(tǒng)計分析的試驗設(shè)計方法。

試錯法是現(xiàn)在企業(yè)使用的主要設(shè)計方法，由設(shè)計工程師根據(jù)積累的設(shè)計經(jīng)驗對工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。這種方法對于新產(chǎn)品的開發(fā)則很難準(zhǔn)確地為生產(chǎn)過程和成型工藝提供指導(dǎo)，產(chǎn)品精度、設(shè)計和調(diào)試周期也遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到客戶的要求。

我國學(xué)者曾國對輥彎成型工藝軋輥設(shè)計的優(yōu)化進(jìn)行了研究，通過反應(yīng)曲面法建立的數(shù)學(xué)模型，在優(yōu)化的過程中，回彈角和最大邊部縱向應(yīng)變分別的在每個機(jī)架中設(shè)置成基本函數(shù)和約束條件。得到的最小的回彈角便會得到最優(yōu)化的成型角度和軋輥半徑，這樣便得到了最優(yōu)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(shù)學(xué)模型，而對于復(fù)雜的截面則很難建立對應(yīng)的反曲面數(shù)學(xué)模型，這就限制了該方法在工程設(shè)計中的應(yīng)用。

基于統(tǒng)計分析的試驗設(shè)計方法是用數(shù)理統(tǒng)計的方法研究隨機(jī)現(xiàn)象中變量之間的相互關(guān)系。該方法著重研究如何科學(xué)地設(shè)計試驗方案，正確地分析試驗數(shù)據(jù)，得出試驗中各因素對考察指標(biāo)影響的顯著性，從而尋求最佳生產(chǎn)條件和工藝參數(shù)，以改進(jìn)產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的目的。國內(nèi)著名教授的李大永利用正交試驗設(shè)計方法和CAE軟件，獲得軋輥直徑的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，降低了板料成型過程中的縱向應(yīng)變，也改善了它的成形性能。上海交通大學(xué)的林忠欽結(jié)合了正交試驗設(shè)計方法和數(shù)值模擬分析方法，對U形件成形過程進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，提高了產(chǎn)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(shù)、提高優(yōu)化過程的效率[6]。

5 結(jié)語

分析計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)在輥彎成型工藝設(shè)計中的應(yīng)用及不足，提出將優(yōu)化技術(shù)與CAD結(jié)合進(jìn)行輥彎成型工藝設(shè)計的技術(shù)路線和思路，通過研究現(xiàn)代機(jī)械優(yōu)化設(shè)計方法在輥彎成型工藝設(shè)計中的應(yīng)用情況，了解各種優(yōu)化方法的應(yīng)用方式。

本文為工程師進(jìn)行工藝設(shè)計及研究人員的開發(fā)思路提供一定的參考依據(jù)，可以提高設(shè)計和生產(chǎn)效率，為企業(yè)帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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[2]李登超.輥彎型鋼及焊管生產(chǎn)技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[3]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.

[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(xué)，2011.

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

[6] 林忠欽，劉罡，李淑慧，等.應(yīng)用正交試驗設(shè)計提高U形件的成形精度[J].機(jī)械工程學(xué)報，2002，38（3）：83-88.