虚拟制造技术在冷弯型钢生产领域的应用探索

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虚拟制造是对真实产品制造的动态模拟。把虚拟制造技术应用到冷弯型钢生产领域是一个全新的概念。介绍了冷弯成型工艺技术发展的主要特征、冷弯型钢的特点，讨论了虚拟制造技术与主要特点。对冷弯型钢生产领域提出了虚拟制造的概念。按产品介绍了冷弯型钢轧制工艺及冷弯实验研究现状，并对其在冷弯型钢生产领域的应用进行了探索研究。

1 引言
    从当今国际政治、经济形势来看，和平与发展成为当今时代的主题，经济全球化、贸易自由化和社会信息化的潮流正滚滚而来。在新的形势下，制造业的经营战略发生了很大变化，并由此产生了多种多样的制造哲理，如：精益生产、并行工程、敏捷制造和虚拟制造等，它们各有侧重，从不同角度研究如何增强企业的竞争力。虚拟制造技术是制造技术与仿真技术相结合的产物，它以信息技术、仿真技术和虚拟现实技术为支持。它具有建模和仿真环境，使冷弯型钢从生产过程、工艺计划、调度计划、后勤供应到财会、采购和管理等一系列环节中形成一种集成的、综合的制造环境，虚拟制造是对真实冷弯型钢产品制造的动态模拟，而且在真实产品的制造活动之前，就能预测冷弯型钢产品的功能以及制造系统状态，从而可以做出前瞻性的决策和优化实施方案。
    冷弯型钢作为一种经济断面型材，已经得到社会的认同。用辊式冷弯成型工艺方法可以获取多种规格开I：1与闭1：3空心断面的冷弯型钢产品。其广泛适应于冶金设备、建筑、交通运输、公路护栏、钢结构、集装箱、钢模板和脚手架、船舶、桥梁、输电铁塔、电梯导轨等行业。由于冷弯型钢产品具有表面光洁、尺寸精度高、单位重量的断面性能优于热轧型钢产品，因此用前者取代后者，可取得节材与节能的双重效果，于是引起人们越来越广泛的重视与青睐。随着用户对冷弯型钢产品在品种、规格、质量和数量诸方面要求的不断渴求，研究虚拟制造技术在冷弯型钢生产领域的应用更显得尤为重要。
2 冷弯成型工艺技术发展的特征及特点
2.1 辊式冷弯成型工艺技术发展的主要特征
    (1)冷弯型钢产品已逐步向特殊、异型薄壁、轻型方向发展，尤其对大型断面、厚壁型钢及薄壁小型的复杂断面产品亦有不断扩大的趋势。
    (2)建筑行业，使用大型厚壁方、矩形及圆形钢管，用于制造大型结构件，有良好的断面特性，不仅施工方便，而且降低钢材消耗：又如冷弯钢板桩在土木工程中，有较好的耐冲击性、经济性及由于锁口结构而带来的较高安全性，在市场上有较强的竞争力。
    (3)辊式冷弯成型工艺方法可生产用热轧工艺无法生产的许多异型断面型材，而且断面结构合理、尺寸精度较高，又有良好的产品表面光洁度，因而在许多行业均大量采用各种异形断面的冷弯型钢产品，甚至有不少产品用不锈钢带、有机涂层、金属涂层或双金属复合钢带作为原料加工成型。其发展前景十分可观。
    (4)成型工艺技术与装备结构水平正在不断提高，迅猛发展。
2.2 冷弯型钢的特点
    文中所讲的冷弯型钢均指采用连续辊式弯曲成型机组加工成型的产品。冷弯型钢产品具有以下一些特点：
    (1)使用原料为长的冷、热轧带钢卷，其加工的产品长度可以根据用户的需要灵活调整。
    (2)产品断面形状可按用户需要设计，结构合理，单位重量的断面性能(断面系数)较热轧型钢优越，可以节约钢材10％-40％。
    (3)可以生产用一般热轧方法难以生产的薄壁、断面形状复杂的型材。
    (4)用于建筑结构件，可以减轻建筑物的自重，缩小基础，加工方便，施工周期短，综合基建费用低。
    (5)用于制造汽车、拖拉机、农机具及起重运输机械等的构件，可以有效地减轻设备自重，降低生产成本，节省动力消耗，并能提高运输及机械工作效率。
    (6)使用冷、热轧带钢卷为原料，在多对成型辊中弯曲成型。冷弯型钢的产品表面光洁，产品断面尺寸精度高。
    (7)冷弯型钢产品的材质是多样化的，不仅可以生产一般碳素钢、低合金高强度钢、不锈钢；而且可以生产各种涂层板(各种有机塑料涂层)、镀层板(如镀锌、镀锡、镀铝等)等材质的冷弯型钢；以及多种有色金属(如铜、铝、钛等)的冷弯型材。
    (8)辊式冷弯型钢成型生产线较生产同类产品的轧机设备简单，设备重量轻，占地面积小，相对投资少，生产操作易于掌握，生产人员少，效率高，减少了环境污染，改善了劳动条件。
    (9)适用于耐震、防火结构。
3 虚拟制造技术与主要特点
3.1 虚拟制造技术
    虚拟制造是指通过对制造知识进行系统化组织与分析，对整个制造过程建模，在计算机上进行设计评估和制造活动仿真。强调通过用虚拟制造模型对制造全过程进行描述，在实际的物理制造之前就具有了对产品性能及其可制造性的预测能力。因此，虚拟制造是一个集成的、综合的可运行制造环境，其目的是提高各个层次的决策与控制。它涉及到多个学科领域，是对这些领域知识的综合集成与应用。计算机仿真、建模和优化技术是虚拟制造的核心与关键技术．可以认为，虚拟制造是对制造过程中的各个环节，包括产品的设计、加工，装配，乃至企业的生产组织管理与调度进行统一建模，形成一个可运行的虚拟制造环境，以软件技术为支撑，借助于高性能的硬件，在计算机局域和广域网络上，生成数字化产品，实现产品设计、性能分析、工艺决策、制造装配和质量检验。它是数字化形式的广义制造系统，是对实际制造过程的动态模拟。所谓“虚拟”，是相对于实物产品的实际制造系统而言的，强调的是制造系统运行过程的计算机化。
3.2 虚拟制造的主要特点
    由于计算机软硬件技术和网络技术的广泛应用，虚拟制造具有以下几个特点：
    (1)产品与制造环境是虚拟模型，无须制造实物样机就可以预测产品性能，节约制造成本，缩短产品开发周期。
    (2)产品开发中可以及早发现问题，实现及时的反馈和更正。
    (3)以软件模拟形式进行产品开发。可将已开发的产品(部件)存放在计算机里，不但大大节省仓储费用，更能根据用户需求或市场变化快速改变设计，快速投入批最生产；
    (4)可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上同时工作，相互交流，信息共享，减少大量的文档生成及其传递的时间和误差。

4 虚拟制造技术在冷弯型钢领域的应用
4.1 冷弯型钢轧制工艺
    冷弯型钢轧制工艺按产品的不同分为开口型钢生产工艺和闭口型钢生产工艺两种。
    (1)闭几型钢成型(包括圆管和异犁管)的生产工艺流程如下：
    钢板卷料→拆卷→对焊→储料仓(活套)→冷弯成型→高频焊接→冷却→焊缝磨光→整型→定尺锯切→成品检查→打印→入库。
    (2)开口型钢成型的生产工艺流程如下：
    钢板卷料→拆卷→对焊→储料仓(活套)→冷弯成型→定尺锯切→成品检查→打印→入库。
    如果能与其它如平板冲孔、热浸镀锌等工艺结合，可进行深加工和生产高附加值产品，提高冷弯机组的利用效率。
4.2 冷弯实验研究
    目前，冷弯实验研究主要有两种形式，一是真实成型实验；二是模拟实验，模拟实验的优点在于投资小，方便灵活，不受较多客观条件限制，研究具有普遍性；缺点是只能侧重研究某一方面，不能全面地反映冷弯变形的真卖睛况。真实成型实验的优点在于材料变形能真实反应实际生产情况，直观，可靠，针对性强；缺点是实验设备投资大、规模大、费用较高。
    国内外冷弯实验研究毛要集中在真实成型实验研究上，而且一般是对槽钢、闭r了型钢的成型过程进行研究，研究的对象一般有型钢变形过程的曲面形状，纵横向变形，弯曲，成型力等。
    冷弯模拟实验尚处于起步阶段，没有成熟的、规范化的标准实验手段，现有的模拟实验研究对象各不相同，因此有必要引入虚拟制造技术进行冷弯实验研究。
4.3 虚拟制造技术在冷弯型钢生产领域的应用探索
    由于辊弯成型断面复杂，道次多，而且在成型过程中影响因素又比较复杂，多年来在孔型设计中大量的参数无法从理论上xx确定，很难预测复杂塑性变形的金属塑性机理，特别是没有全面考虑影响金属三维流动的复杂因素。因此，研究辊弯成型力学性能，寻找各工艺参数在成型过程中对型材变形的影响，掌握金属流动的变化规律。不仪能加深对辊弯成型理论的研究，而且还能对实际生产与设计有非常大的指导作用。为此，探索把虚拟制造技术应用到冷弯型钢生产领域势在必行。
    虚拟制造应用先进的系统建模和仿真优化技术，可以实现从冷弯产品的设计、制造到检验全过程的动态模拟。首先利用虚拟制造技术对槽钢、焊管、型钢以及各种复杂断面冷弯型钢产品的设计过程进行建模仿真，以统一制造信息模型为基础，对数字化冷弯型钢模型进行仿真与分析、优化，进行冷弯型钢的结构性能、运动学、动力学、热力学方面的分析，从而获得对冷弯型钢产品的设计评估与性能预测结果。
    其次，对以上各种冷弯产品的成型过程进行建模仿真，建立以冷弯型钢每道次变形量为对象的控制模型，利用计算机仿真系统对型钢坯弯曲程度进行压力加工动态过程仿真，通过检验过程仿真，自动检测钢带强度值并自动调整冷弯型钢每道次的变形量，同时对不同厚度以及不同宽度的板坯加工过程进行模拟仿真，匹配各工艺参数在成型过程中对型材变形的影响，并进行参数优化。{zh1}，将各个仿真过程进行总体协调和评价，通过提供xx的生产成本信息对生产计向I与调度进行合理化决策。
    在虚拟制造过程中，我们可以操作虚拟的冷弯成型机组，对虚拟的材料进行变形和弯曲。针对金属在变形过程中产生的横向流动和纵向延伸，导致型材壁内层金属流动不均匀等问题，进行总体协调、优化动态过程。同时可以对弯睦回弹、轮廓尺寸、材料硬度、宽度厚度比等问题进行仿真模拟。通过计算机虚拟的这个模型，观察变形过程中的金属纵向延伸和横向流动、型材坯弯曲应力、型钢壁厚的变化等情况，研究复杂塑性变形的金属塑性机理。及时调整各项参数。例如：水平辊架的尺寸、道次、每道次减径量；钢板的壁厚与板材的宽度之比值等。我们还可以对不同尺寸的型材分别进行观测运行，找到合适的参数，从而达到提高冷弯型材产品形状、尺寸精度，防止缺陷，探索冷弯变形特征、掌握金属流动的变化规律以及合理的变形分配模型、使冷弯型钢实际生产过程不间断地优化的目的。
5 结语
    综上所述，鉴于冷弯型钢在国民经济中的地位日益增强，冷弯型钢正在各行各业中发挥着重要的作用。产量稳步增长，设备生产能力不断扩大，品种日益增多，潜在市场能力较大。为了推动我国冷弯型钢生产技术的不断进步，本文进行了把虚拟制造技术应用于冷弯型钢生产领域的探索性研究。希望从事冷弯型钢生产、科研的同行和广大用户共同努力，密切协作，为我国冷弯型钢事业的迅速发展作出新的成绩。相信不久的将来，我国冷弯型钢生产必将会有—个更大的发展。