輥彎成型工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法研究

摘 要：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外輥彎成型工藝設(shè)計(jì)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(duì)成形工藝某一環(huán)節(jié)進(jìn)行，未形成一套完善的設(shè)計(jì)方法，所以有必要對(duì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jì)思路，并對(duì)現(xiàn)有的優(yōu)化方法進(jìn)行相應(yīng)的研究。以縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)可靠性；降低了設(shè)計(jì)過程中的經(jīng)濟(jì)損失，提高了長(zhǎng)期生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

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

中圖分類號(hào)：TG356.25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(gè)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(yàn)設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（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(jì)模式，這已經(jīng)成為一種普遍的趨勢(shì)。

目前為止，CAD技術(shù)在國(guó)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(duì)成形工藝某一環(huán)節(jié)進(jìn)行，未形成一套完善的設(shè)計(jì)方法，所以有必要對(duì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jì)思路，為完善CAD系統(tǒng)和提高企業(yè)設(shè)計(jì)效率提供參考。

1 輥彎成型工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)容及技術(shù)路線

輥彎成型工藝設(shè)計(jì)主要包括以下三方面內(nèi)容[3]：（1）變形工藝圖的設(shè)計(jì)：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(gè)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(gè)道次的變形工藝圖，配置各個(gè)機(jī)架軋輥，從而確保帶材能正常軋制。（3）輔助裝置設(shè)計(jì)：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(duì)變形工藝質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)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(jì)方法對(duì)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(jì)

變形工藝圖是各個(gè)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(jì)流程如圖2所示。

輥彎成型過程中的每一道次的變形對(duì)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(duì)于彎曲角度分配方案，很多學(xué)者和設(shè)計(jì)人員進(jìn)行了大量的研究。目前國(guó)內(nèi)大部分設(shè)計(jì)人員都是依賴于實(shí)踐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，沒有一定的理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)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(yàn)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(zhǎng)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(duì)初始方案進(jìn)行模擬驗(yàn)證。

通過有限元對(duì)輥彎成型過程的計(jì)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(cuò)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(gè)相對(duì)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(jì)方法研究不同工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響，利用計(jì)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?cè)诤侠砼渲幂亸澇尚凸に噮?shù)方面做了許多工作，其中主要的方法有：試錯(cuò)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(jì)分析的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

試錯(cuò)法是現(xiàn)在企業(yè)使用的主要設(shè)計(jì)方法，由設(shè)計(jì)工程師根據(jù)積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。這種方法對(duì)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(jì)和調(diào)試周期也遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到客戶的要求。

我國(guó)學(xué)者曾國(guó)對(duì)輥彎成型工藝軋輥設(shè)計(jì)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(gè)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(huì)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(duì)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(duì)于復(fù)雜的截面則很難建立對(duì)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(jì)中的應(yīng)用。

基于統(tǒng)計(jì)分析的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是用數(shù)理統(tǒng)計(jì)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(jì)試驗(yàn)方案，正確地分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出試驗(yàn)中各因素對(duì)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(guó)內(nèi)著名教授的李大永利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和CAE軟件，獲得軋輥直徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yàn)設(shè)計(jì)方法和數(shù)值模擬分析方法，對(duì)U形件成形過程進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jì)算的次數(shù)、提高優(yōu)化過程的效率[6]。

5 結(jié)語

分析計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)在輥彎成型工藝設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)方法在輥彎成型工藝設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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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[6] 林忠欽，劉罡，李淑慧，等.應(yīng)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)提高U形件的成形精度[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002，38（3）：83-88.