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冷弯成型钢的工艺优化设计及动态仿真分析

答辩人陈伟标指导老师王栓虎副教授论文研究的主要内容背景科研项目情况简介1选题的科学意义和应用前景2学位论文主要研究内容3预期解决的主要问题446冷弯成型管辊弯成型工艺

51.背景科研项目情况简介

本课题来源于扬州市科技项目“高精度复杂数控型材轧制生产线”，是南京理工大学机械工程学院与扬州市南扬机械制造有限公司的共建项目。将以南扬机械制造有限公司前期工作为背景，在吸收以前机组的结构优点和核心技术的基础上通过计算机辅助设计辊压成型技术等关键技术的攻关，研发出满足相关行业的需要、产品技术水平达到国际同类产品先进水平、尺寸精度高达±0.2mm，所冲的孔或槽精确度达±0.05mm，正品率高达98％，生产速度达到40m/min的高精度复杂数控型材轧制生产线。

2.选题的科学意义和应用前景冷弯成型是一种节材、节能、高效的金属板料成型新工艺、新技术。冷弯型钢产品作为重要的结构件在建筑、汽车制造、船舶制造、电子工业及机械制造业等许多领域得到了广泛的应用。

高精度复杂数控型材轧制生产线集多轴高速、高精度同步运动控制技术、高精度导向技术、高精度在线切断技术、高速精密成型工艺与模具技术及计算机辅助设计辊压成型技术等关键技术为一体，具备自动、高效、精密三个基本特征，可完成钢带的自动输送和高效率精密成型。2.选题的科学意义和应用前景高速精密成型工艺与模具技术及计算机辅助设计辊压成型技术是高精度复杂数控型材轧制生产线关键性能指标，关系到产品的质量和模具寿命，是评定产品技术水平、制造水平的一项重要指标。国内冷弯型钢生产与国外还有很大差距。设备不够完善，产品规格与质量与国外有很大差别。国外公司如德国舒勒、美国维尔森、日本小松等型材轧制生产线的设计制造技术已形成完整的系列，精度高、自动化程度高、速度快。本文冷弯成型钢的工艺优化设计及动态仿真分析以公司的前期机组生产经验为基础，利用计算机辅助设计辊压成型技术，对成型过程进行研究，针对成型缺陷优化相关工艺参数，对提高产品质量及生产效率具有重要意义。为完成《高精度复杂数控型材轧制生产线》这一重要科技项目的相关研究提供技术支持。3.冷弯成型管辊弯成型工艺

冷弯成型管的工艺流程生产线结构图数控型材轧制自动生产线4.学位论文主要研究内容型材变形工艺图的设计1冷弯成型过程的动态分析

2冷弯成型的生产效率分析

34.学位论文主要研究内容在冷弯成型过程中，孔型对成型后的产品质量起着很重要的作用，而型材变形工艺图的设计又是孔型设计关键所在。利用轧辊专业设计软件COPRA进行型材变形工艺图的设计。根据板带的宽度、厚度、产品断面的高度、弯曲角、形状等诸多因素，来决定成型过程的道次。根据变形工艺图进行轧辊设计，输出轧辊图纸。型材变形工艺图的设计14.学位论文主要研究内容

(1)通过对冷弯成型理论的学习和研究，建立计算机仿真的有限元模型。将轧辊的弹性、摩擦等因素考虑在内，利用有限元ANSYS软件的LS-DYNA模块对冷弯成型过程进行有限元仿真，找到产品成型过程中存在的问题。针对成型缺陷改进与完善相关工艺参数，再进行模拟仿真，尽量减少纵向应变，避免或是产生较少的塑性应变。从而验证孔型设计的效果，在此基础上确定最优化的孔型，并根据最优化的孔型确定一个理想的型材变形工艺方案。冷弯成型过程的动态分析

24.学位论文主要研究内容

(2)运用虚拟样机技术对冷弯成型过程进行动态仿真分析。利用ANSYS-ADAMS接口，在ANSYS软件中建立柔性部件的有限元模型，并导入ADAMS。然后给这些部件施加约束、力、驱动等关系，建立冷弯成型仿真模型。利用虚拟样机技术的多体系统动力学仿真软件ADAMS研究不同工况下带材成型的情况，包括：型材的速度、加速度的变化规律；成型辊所需的驱动力矩的大小及其变化规律。通过仿真，得到不同速度和加速度下冷弯型材的受力情况以及在不同的型材参数下成型力的变化规律。解决由于成型速度及转矩等过大或过小而引起的缺陷，并为板材的材料选择提供了一定的参考。4.学位论文主要研究内容冷弯成型的生产效率分析

3以企业焊管质量指标为准，研究影响质量指标的工艺因素及之间的关系。针对相应的产品质量问题，提出改善的方案和措施。5.预期解决的主要问题1利用轧辊专业设计软件COPRA进行型材变形工艺图的设计

2冷弯成型过程的相关参数动态仿真分析

3提高冷弯成型钢的生产效率

5.预期解决的主要问题问题1：利用轧辊专业设计软件COPRA进行型材变形工艺图的设计

COPRA系统的主要功能是：优化辊弯成形工艺；进行辊弯工具和轧机的设计；工具成本计算；绘制工程图纸；提供与数控机床的联接手段。包括高级CAD系统应具有的功能。在软件结构上最大的特点是开放性。帮助设计人员从最初的设想到迅速确定优化的道次数和成型工艺顺序。辊式成型法中成型机轧辊孔型设计的方法很多，主要有1）边缘弯曲法2）圆周弯曲法3）综合弯曲法图1边缘弯曲法变形示意图图2圆周弯曲法变形示意图图3双半径成型法变形示意图5.预期解决的主要问题断面设计成型工艺模拟成型工艺图优化自动配辊结构设计输出图纸轨迹法展开定半径法展开定中性线长度展开2.COPRA中弯曲展开方式1、设计思路角度/半径法展开5.预期解决的主要问题问题2：冷弯成型过程的相关参数动态仿真分析

（1）冷弯成型过程的有限元模拟有限元主要有两种算法，显式算法和隐式算法。通过对冷弯成型机组的结构和运动分析，通过solidworks建模软件对机组进行简化建模，然后将三维模型导入ansys有限元分析软件分析。根据实际工况定义边界条件，通过分析找到产品成型过程中存在的问题。针对成型缺陷优化相关工艺参数，再进行模拟仿真，尽量减少应力应变，对已经优化过的轧辊设计验证，寻求冷弯技术待定问题的解决方法。

冷弯成型有限元模型前处理后处理模型及算法计算求解有限元建模、网格划分、边界条件等运算对所得结果结合工程问题进行分析有限元分析步骤5.预期解决的主要问题（2）冷弯成型过程的相关参数动态仿真分析ADAMS软件能够帮助工程师更好地理解系统的运动、解释其子系统或整个系统即产品的设计特性，比较多个方案之间的工作性能、预测精确的载荷变化过程，计算其运动路径，以及速度和加速度分布图等。本文利用虚拟样机技术的多体系统动力学仿真软件ADAMS研究不同工况下带材成型的情况，包括：型材的速度、加速度的变化规律；成型辊所需的驱动力矩的大小及其变化规律。通过仿真，得到不同速度和加速度下冷弯型材的受力情况以及在不同的型材参数下成型力的变化规律。机械系统动态仿真分析步骤5.预期解决的主要问题问题3：提高冷弯成型钢的生产效率

企业质量指标

①焊管外径、壁厚偏差不得超过允许偏差；

②通常长度不超过允许偏差；

③弯曲度不大于弯曲度指标；

④焊管的两端面应与焊管轴线相垂直，切口无毛刺；

⑤不允许有裂缝、分层、达焊、刮伤等表面质量问题，内毛刺允许不清理。4.冲床的传热影响质量指标的工艺因素①焊管外径、壁厚偏差影响因素：钢带宽度、定径机设备制造精度、定径机机座刚度等；②焊管长度偏差影响因素：冷切飞据控制系统、伺服驱动系统、锯片精度等；③弯曲度影响因素：焊管冷却速度、冷却方法、带钢力学性能等；④焊管的两端面应与焊管轴线相垂直影响因素：断面收缩率、冷切飞据入切进刀量等；⑤表面质量影响因素：滚道的异物划伤造成，或者由于工作辊、立辊及导向装置磨损，表面质量差及润滑不到位等；5.预期解决的主要问题合理的改善方案和措施①合理提高设备精度及刚度，对主要影响机构进行优化。②采用先进信号处理技术，提高电脑飞据控制系统精度。③合理选择所需带钢的钢级、规格。④采用合理的