冷彎成形設(shè)備的CAD/CAE/CAM是冷彎型鋼行業(yè)的核心技術(shù)之一，在我國(guó)的冷彎型鋼發(fā)展中起到重要的推動(dòng)作用。本文回顧了冷彎成形的CAD/CAE/CAM的發(fā)展歷程，介紹了該技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和工程應(yīng)用實(shí)例，對(duì)冷彎成形新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)做了述評(píng)。

冷彎成形的CAD/CAE/CAM的發(fā)展歷程

冷彎成形(Cold Roll Forming輥壓成形、輥彎成形)是通過(guò)順序配置的多道次成形軋輥，把卷材、帶材等金屬板帶不斷地進(jìn)行橫向彎曲，以制成特定斷面的型材。冷彎成形是一種節(jié)材、節(jié)能、高效、先進(jìn)適用的板金屬成形工藝技術(shù)。

目前我國(guó)對(duì)Cold Roll Forming這一工藝名稱的術(shù)語(yǔ)有多種叫法：一種是從俄文翻譯過(guò)來(lái)的，稱為冷彎成形（冶金行業(yè)多用此說(shuō)法）；一種是從英文等外文譯過(guò)來(lái)的：滾軋成形、輥軋成形、輥彎成形、滾壓成形；還有一種是我國(guó)臺(tái)灣的叫法：滾輪成形、冷軋成形等等。英文名稱比較確定，有Rollforming、Roll-forming、Roll Forming。日文采用從英文直譯的方式：冷間ロ-ル成形。

冷彎成形的歷史可以追溯到上個(gè)世紀(jì)初，最早的zhuanli出現(xiàn)在1906年。美國(guó)American Roll Form公司的President告訴我說(shuō)是她的爺爺最早用驢子在機(jī)器上拉出來(lái)U型槽鋼。圖1是冷彎成形的發(fā)展歷史。

我國(guó)冷彎行業(yè)歷史起源于上個(gè)世紀(jì)50年代，引進(jìn)了DI一條焊管生產(chǎn)線。70年代改革開放后開始較多冷彎生產(chǎn)線的引進(jìn)，先后有廣州、武漢、長(zhǎng)春、南京等地從奧鋼聯(lián)、日本、德國(guó)等進(jìn)口了一批大中型冷彎設(shè)備。壓型板生產(chǎn)線最早出現(xiàn)于寶鋼初期的建設(shè)工程。80年代后期濰坊和北京等地從意大利引進(jìn)了復(fù)雜截面的彩板門窗生產(chǎn)線，河北凌云從德國(guó)三星公司引進(jìn)了汽車部件的輥壓生產(chǎn)線。80、90年代我國(guó)的冷彎技術(shù)主要以學(xué)習(xí)、消化引進(jìn)技術(shù)為特色。冷彎行業(yè)的發(fā)展十分迅速，到2001年我國(guó)的焊管產(chǎn)量超過(guò)日本，成為世界DI一。目前我國(guó)已經(jīng)成為名副其實(shí)的“冷彎產(chǎn)品大國(guó)”。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，特別是近20年的快速發(fā)展，我國(guó)的冷彎成形產(chǎn)品總量早已居于世界DI一，出口量DI一。我國(guó)的冷彎成形技術(shù)的發(fā)展已從引進(jìn)消化、模仿到技術(shù)創(chuàng)新階段。焊管及冷彎型鋼的設(shè)備制造能力基本滿足國(guó)內(nèi)需求，并大量出口，正在實(shí)現(xiàn)冷彎產(chǎn)品制造大國(guó)向冷彎產(chǎn)品制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變。

上世紀(jì)八、九十年代以來(lái)冷彎成形的工藝技術(shù)在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)外，由于技術(shù)資料缺乏，工程技術(shù)人員經(jīng)常需要進(jìn)行探索和利用試錯(cuò)法解決工程問(wèn)題。冷彎成形工藝仍被普遍認(rèn)為是一種“未掌握的藝術(shù)”(Blank Art)，還未上升為科學(xué)。主要原因是冷彎成形本身具有的特點(diǎn)和規(guī)律尚未被人們完全掌握和認(rèn)識(shí)。

北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程研究所將冷彎成形的CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)作為研究方向，加強(qiáng)國(guó)際交流與合作，加強(qiáng)與企業(yè)科研院所的合作，努力為國(guó)內(nèi)外合作伙伴提供所需的技術(shù)服務(wù)。通過(guò)技術(shù)交流，使專家經(jīng)驗(yàn)變?yōu)楣餐?jīng)驗(yàn)，技術(shù)訣竅上升為理論，避免重復(fù)的探索，促進(jìn)全行業(yè)的發(fā)展和繁榮作為我們努力奮斗的目標(biāo)。

我國(guó)的冷彎成形的CAD技術(shù)起源于80年代末、90年代初期，北京科技大學(xué)與國(guó)內(nèi)多家企業(yè)合作開發(fā)了國(guó)內(nèi)最早的CARD系統(tǒng)，北京冶金設(shè)備研究院開發(fā)了彩板門窗型材設(shè)計(jì)的CAD。這些CAD技術(shù)的應(yīng)用基本上多局限于將人工計(jì)算實(shí)現(xiàn)了程序化，尚未實(shí)現(xiàn)CAD面向工程的系統(tǒng)化和商品化。由于CAD的工程應(yīng)用涉及到復(fù)雜的技術(shù)基礎(chǔ)理論體系和千變?nèi)f化的工藝設(shè)備條件，因而是一項(xiàng)龐大的工程技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。這樣的工作在我國(guó)現(xiàn)有的高校和研究所的技術(shù)體系中是很難實(shí)現(xiàn)的。在消化引進(jìn)技術(shù)過(guò)程中，我國(guó)的技術(shù)人員也經(jīng)歷了艱難的探索過(guò)程，例如為解決引進(jìn)軋輥磨損后的修復(fù)問(wèn)題，采用過(guò)復(fù)雜的模糊理論的反求設(shè)計(jì)。

為了在高起點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)冷彎成形CAD的工程應(yīng)用，1993年起北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程研究所開始與德國(guó)data M公司合作，將商品化冷彎成形的COPRA技術(shù)引入國(guó)內(nèi)企業(yè)。COPRA經(jīng)過(guò)二十多年的不斷發(fā)展，目前已成為國(guó)際上本行業(yè)事實(shí)上的CAD應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，在六、七十個(gè)國(guó)家擁有數(shù)百個(gè)用戶群。在我國(guó)絕大多數(shù)冷彎企業(yè)也都采用了這一軟件作為設(shè)計(jì)工具。

我國(guó)的冷彎成形的CAM技術(shù)起源于90年代初期，北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程研究所開發(fā)了國(guó)內(nèi)最早的異型軋輥CAM系統(tǒng)，解決了彩板門窗軋輥的制造問(wèn)題，并首先在宜興卡特姆公司得到應(yīng)用。經(jīng)過(guò)不斷完善，北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程研究所在國(guó)內(nèi)首創(chuàng)了冷彎成形的CAD/CAM系統(tǒng)(圖2)，在國(guó)內(nèi)得到廣泛推廣和應(yīng)用，被確定為冷彎協(xié)會(huì)的CAD/CAM技術(shù)中心。

我國(guó)的冷彎成形的CAE是隨著計(jì)算機(jī)特別是有限元（FEA）技術(shù)的發(fā)展獲得應(yīng)用的。有限元法用于冷彎成形問(wèn)題的主要有兩種方式：一種是側(cè)重于基礎(chǔ)理論的原始研發(fā)，一種是在成熟的有限元分析軟件基礎(chǔ)上的二度開發(fā)和應(yīng)用。原始一度研發(fā)的例子包括：日本學(xué)者小野田等人采用剛塑性有限元法對(duì)電焊管進(jìn)行研究，解決了W彎曲法中管坯邊部的減薄或增厚現(xiàn)象。木內(nèi)學(xué)等人開發(fā)了用于焊管以及異型管分析的專用軟件，用于FFX成形等研究。我國(guó)的燕山大學(xué)等單位以有限元在輥式成形領(lǐng)域的研究為題，完成了一批博士碩士論文的研究工作。一度開發(fā)需要對(duì)冷彎成形相關(guān)理論的深入研究以及大量的技術(shù)資源。

目前成熟的商業(yè)化的有限元軟件有很多，在這樣的基礎(chǔ)上開展輥式成形有限元的仿真研究有利于獲得實(shí)際應(yīng)用成果，解決工程問(wèn)題。國(guó)內(nèi)北方工業(yè)大學(xué)用MARC對(duì)冷彎成形過(guò)程進(jìn)行了仿真，完成了十多項(xiàng)結(jié)合實(shí)際工程的仿真分析。對(duì)于企業(yè)的工程技術(shù)人員，他們更關(guān)注的是如何能解決實(shí)際問(wèn)題。一般說(shuō)來(lái)他們對(duì)有限元的深?yuàn)W理論和復(fù)雜的前處理、后處理、邊界條件的設(shè)定等問(wèn)題感到困惑。德國(guó)data M公司在其冷彎成形設(shè)計(jì)軟件COPRA中增加有限元仿真模塊COPRA FEA RF的接口，對(duì)MSC MARC進(jìn)行了二次開發(fā)，用戶能方便地進(jìn)行前后處理和自動(dòng)完成設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的建模，降低了使用的難度，具有較好的通用性。我國(guó)冷彎行業(yè)的企業(yè)例如寶鋼研究院、南車四方、大連三高、大連富地、寧波敏實(shí)等很多都采用了這一仿真系統(tǒng)。

北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程研究所與山東新合源熱傳輸科技有限公司合作建立了國(guó)內(nèi)SHOU個(gè)CAD/CAE/CAT的研發(fā)平臺(tái)（圖3），成為高精度冷彎成形產(chǎn)品研發(fā)核心技術(shù)全面解決方案。利用這一平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了新產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中的軋輥設(shè)計(jì)、制造精度檢測(cè)，成形工藝過(guò)程仿真，產(chǎn)品形狀精度檢測(cè)等環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)突破和創(chuàng)新。

冷彎成形的CAD/CAE/CAM的關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用

在板金屬加工中，冷彎成形得到廣泛應(yīng)用是由于其具有如下工藝特點(diǎn)：⑴生產(chǎn)率高，一般成形速度達(dá)到5～30m/min，焊管可達(dá)到70～200m/min；⑵材料利用率高，一般可達(dá)到≥90%；⑶可以生產(chǎn)非常復(fù)雜的橫截面形狀，可以實(shí)現(xiàn)30～50個(gè)尺寸的型材；⑷適合于大批量生產(chǎn)，而且批量越大越能顯示其優(yōu)越性；⑸設(shè)備投入較低；⑹可以換模具更換產(chǎn)品；⑺適合于高強(qiáng)鋼材料的成形，回彈控制和補(bǔ)償較其他工藝更方便；⑻尺寸的穩(wěn)定性和一致性好，單件制造成本低……。因此被稱為高生產(chǎn)率的冷彎成形（High Production of Rollforming）。

冷彎成形的CAD技術(shù)

我們采用COPRA作為設(shè)計(jì)的基本工具。為國(guó)內(nèi)外企業(yè)完成了數(shù)百項(xiàng)冷彎產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工程。一些工程實(shí)例如下：

1) 轎車門窗復(fù)雜截面的成形設(shè)計(jì)。

汽車行業(yè)是冷彎成形工藝重要的應(yīng)用領(lǐng)域。轎車門窗的成形不但截面復(fù)雜，而且精度要求高(圖4)。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，不斷推出新車型并快速降低成本已成為一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)。近年來(lái)我們把汽車行業(yè)作為一個(gè)重要的服務(wù)領(lǐng)域，幫助企業(yè)開發(fā)了很多新產(chǎn)品。

一個(gè)中等復(fù)雜的轎車門窗截面成形需要20～30道次的成形（圖5），一些關(guān)鍵尺寸的控制公差只有0.1～0.2mm。從設(shè)計(jì)到調(diào)試樣件的開發(fā)周期，一般只有一個(gè)月時(shí)間。沒有高效的CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段，是根本不可能實(shí)現(xiàn)的。采用CAD中的優(yōu)化技術(shù)，可以用經(jīng)濟(jì)的道次獲得好的成形質(zhì)量。我們?cè)?jīng)用40多道次就完成了國(guó)外用60道次成形的一個(gè)復(fù)雜截型，為用戶節(jié)省了大量投資。

2）彩板及不銹鋼門窗。

門窗要滿足隔熱隔聲、保溫防水等功能，型材的截面比較復(fù)雜，要求較高。彩色鋼板的防腐性能較好，不銹鋼的外觀比較豪華，是做鋼窗的理想材料。為獲得較高的抗風(fēng)壓等級(jí)，多數(shù)型材截面應(yīng)為封閉截面。為保護(hù)彩色鋼板的表面，冷彎成形封閉截面采用了咬口（鎖縫）工藝。這在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須要考慮邊部咬口變形工藝的準(zhǔn)確性，既不能發(fā)生邊部干涉又要保證咬口處的準(zhǔn)確疊合。軋輥的設(shè)計(jì)制造必須考慮型材表面的保護(hù)，除了采用較高的表面粗糙度要求外，還需要在局部設(shè)計(jì)游動(dòng)輥，以保證整體線速度的一致性。圖6是一個(gè)彩板門窗截面的輥花成形工藝圖。不銹鋼門窗截面，需要在成形中考慮其較大的回彈和采用氬弧焊等方式。

3）異型管的拓?fù)涑尚卧O(shè)計(jì)。

異型管廣泛用于工程機(jī)械和特種行業(yè)，其附加值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通焊管。以焊接圓管為母管，經(jīng)過(guò)擠壓拉拔變形為異型管（圖7），生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量好。COPRA采用的是線性拓?fù)浏B代的方法，確定對(duì)應(yīng)體素的圓弧角和實(shí)體長(zhǎng)度。輸入最終的異型截面輪廓，就可以自動(dòng)計(jì)算出母管尺寸和各個(gè)中間工步的孔型數(shù)據(jù)。我們成功地為多個(gè)企業(yè)設(shè)計(jì)制造了異型管，替代了多種進(jìn)口產(chǎn)品。