基于虚拟制造技术的金属卷板生产计算机仿真方法与流程

本发明涉及一种金属成型和制造技术，特别是一种基于虚拟制造技术的金属卷板生产计算机仿真方法。

背景技术：

信息技术和先进制造技术的有机结合，使未来的智能制造更加依赖于计算机信息集成系统。为了适应多变的市场需求，企业需要不断提升其信息化水平来参与全球市场竞争。越来越多数字化、智能化产品和理念为未来工厂的制造、装备、生产和管理提供强力支撑。

虚拟制造是数字化车间开发技术的一项关键技术，主要包括数字化装备、数字化生产、数字化产品和数字化管理等。数字化设备的开发和大量使用推动了生产模式的不断变革，数字化生产及数字化生产车间的概念及其应用已逐渐为人们所重视。然而相比产品设计技术而言，加工工艺的数字化水平还有待进一步提升，是现代制造通向全数字化的瓶颈问题。

金属卷板作为现代工业制造的一项重要加工工艺，在制造业中占有重要的地位。卷板机卷板过程是一个简单的过程，但是在这个简单的过程中板料却经历了一个复杂的变形过程。对称式三辊卷板机在滚弯加工时，由于加工的材料是金属，因此不可避免的会产生回弹，使工件的滚弯半径不易确定，因此滚弯加工过程中工艺参数中心辊下压量的确定便成为关键。单纯依靠经验的方法，没有理论上的指导，不能从本质上揭示滚弯成形半径和中心辊下压量之间的关系，对生产的指导具有盲目性，因此这种方法亟待改进。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于虚拟制造技术的金属卷板生产计算机仿真方法，本方法方便操作人员在实际生产前对生产方案进行调整，以达到快速生产高质量金属产品。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于虚拟制造技术的金属卷板生产计算机仿真方法，包括以下步骤：

步骤1，根据所需加工产品设置板材参数，建立待加工金属板材模型；

步骤2，用边界法对预弯机的凹模具和凸模具进行建模；

步骤3，建立预弯机下压量和预弯半径之间的映射关系，对预弯过程中的板材进行建模；

步骤4，对卷板机的工作辊和其他部分进行建模；

步骤5，建立金属卷板加工工艺模型，设置卷制次数和单次下压量，对各次下压量均进行可行性分析；

步骤6，根据卷板工艺参数与卷板加工过程中形变位置的映射关系，对卷制过程中的板材进行几何建模；

步骤7，金属卷板生产加工完成，得到卷制要求的筒体模型，并统计得金属卷板的生产成本。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)本发明将经验和理论结合，揭示滚弯成形半径和中心辊下压量之间的关系，对生产的指导具有前瞻性；(2)本发明可以用于指导生产实践的，降低了试验成本，提高了效率，提高了产品的市场竞争力；(3)本发明通过动画仿真实现制造过程的可视化，验证其正确性，方便操作人员在实际生产前对生产方案进行修改，不需人为操纵生产设备，减少安全事故；(4)本发明生产过程高度集成，节省了人力资源，降低了人工操作失误的可能性，提高了生产效率，达到快速生产高质量金属产品的目的。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1是本发明提供的金属卷板生产加工方法的实现过程示意图。

图2是本发明提供的加工前的板材的模型示意图。

图3是本发明提供的预弯机的建模示意图。

图4是本发明提供的预弯板材示意图。

图5是本发明提供的预弯过程中板材弯曲变形的模型示意图。

图6是卷板机工作辊的模型示意图。

图7是三辊卷制原理示意图。

图8是本发明提供的下压量可行性分析流程图。

图9是板材弯曲变形几何关系示意图。

图10是本发明提供的卷制过程中板材预弯完成的模型示意图。

图11是本发明提供的卷制过程中板材弯曲变形的模型示意图。

图12是本发明提供的卷制完成的筒体模型示意图。

具体实施方式

金属卷板作为现代工业制造的一项重要加工工艺，在制造业中占有重要的地位。目前我国的许多工厂还主要依靠技术人员经验进行操作操作，成形精度差，原材料浪费严重，不符合数字化车间的发展趋势，为此需要开发基于虚拟制造的金属卷板生产加工方法。

结合图1，本发明基于虚拟制造技术的金属卷板生产计算机仿真方法，包括：

步骤1：如图2所示，金属板材模型可以通过b-rep法来对其进行建模，金属板材建模是通过点a、b、c、d建立主表面的顶点循环链表来实现的；

步骤2：采用模具预弯方法，对设置好的板材模型进行预弯，设置预弯模具的参数，用边界法对预弯机的凹模具和凸模具进行建模，具体步骤如下：

步骤2.1，如图3所示，在预弯过程中凹模具是固定不动的，以点o为原点，通过设置预弯机的参数求得点a、b、c、d的坐标，按照顺序将这些坐标构建循环链表，在点d和点a之间插入一段一定曲率的圆弧，进而构成主表面的循环链表，通过设置预弯机的长度参数对凹模具进行建模了；

步骤2.2，凸模具在预弯过程中是运动的，以点o’为局部坐标系的原点，在预弯过程中点o’随着凸模具的下移而下移，凸模具和凹模具的建模过程是一样的，通过以o’为原点实现凸模具的建模。

步骤3：根据预弯工艺参数分析，建立预弯过程的数学模型，根据预弯半径与下压量的关系，对预弯过程中的板材进行建模如图4所示，具体步骤如下：

步骤3.1，确定凸模具的几何位置关系：

在预弯过程中，随着凸模具下移，凸模具将渐渐与板材接触并发生力作用，板材受力将发生弯曲变形；凸模具有三个非常重要位置：开始位置、接触位置、预弯位置

预弯机初始时，凸模具的点o'的纵坐标y为：y＝h

其中，h为初始时预弯机凸模具的点o'的纵坐标的值，即预弯机凸模具的初始高度；

凸模具下移到刚接触板材时点o'的纵坐标y，即此时凸模具的高度y：

其中，r为预弯机模具的最小半径，l为预弯机模具的宽度，t为板材厚度；

预弯板材过程中凸模具点o'的纵坐标y，即此时凸模具的高度y：

其中，h为预弯过程中的下压量；

步骤3.2，根据预弯成品半径r求得下压量h：

由预弯成品半径r求得回弹前的半径

预弯过程中的下压量

其中，r弹前为弹复前的曲率半径，r弹后为弹复后的曲率半径，l为凹凸模具的宽度；

步骤3.3，根据下压量h求得相应的预弯成品半径

首先由下压量h求得弹复前的曲率半径r弹前为

根据弹复前的曲率半径r弹前求得r弹后为

当预弯板材的曲率半径为r弹前时，其以r弹前为半径的圆心o1的坐标如下：

将r弹后代替r弹前，可以通过上式求得回弹后圆心坐标o2；

步骤3.4，用双循环链表对预弯过程中板材进行建模如图5所示，步骤如下：

(1)点c为板材的局部坐标系的原点，以边bc为板材的长度，cd为板材的厚度，可以得到四个点a、b、c、d的坐标，进而建立循环链表来实现建模；

(2)当板材的一端受力弯曲时，板材会发生一定角度的倾斜，原来的局部坐标系的原点会相应的倾斜，根据倾斜后的坐标系建立相应的循环链表，然后取其预弯的长度，在点b和点a之间插入点e和f，然后再在点e和点f之间插入一定弧度的圆环弧点，圆环弧的半径分别为此时预弯过程回弹前的内外半径，进而得到板材弯曲模型的主表面的循环链表，从而对板材弯曲变形进行建模。

步骤4：选择卷板机参数，分别用opengl函数和表面建模法对卷板机的工作辊和及其它部分进行建模，卷板机的工作辊的模型图6所示，选取各种型号卷板机最大宽度的最大值为工作辊的宽度，再在其两端加上一定宽度的接头，接头的一端直径确定，有利于实现不同直径的工作辊与机器不变部分的结合。

步骤5：图7为三辊卷制原理示意图，取板料的中心截面为基准面，则通过对图形的几何分析可以建立上辊下压量与卷制筒体半径之间的几何关系，选定下压量，进行卷制过程可行性分析，可行性分析流程如图8所示，可行性分析条件如下：

(1)板材上下表面纤维的伸长率ε不得大于5％，伸长率ε为：

其中，r0弹后为多次卷制时前一次板材弹后的筒体半径，r弹后为本次卷制成型的筒体半径；

(2)上辊所施加的压力不得大于设备的最大承受力，设备的最大承受力一般取卷板机标称压力的0.8倍，对称卷板时三辊卷板机上辊的受力f上辊为：

对称卷板时三辊卷板机下辊的受力f下辊为：

其中，α为上辊位置角，m为卷制筒体半径r弹后时板材最大变形弯矩，计算公式如下：

其中，k1为形状参数，当卷板横截面为矩形时，k1取1.5；k2为材料的相对强化系数，与板材的屈服极限σs和冷作强化有关，q235类钢材取11.6；材料的抗弯截面模量b为板宽；

在卷板机的设计中，卷板机的标称压力f通常是由最小弯曲半径rmin弹前求得；在实际卷板过程中，板材的曲率半径受到下压量和上辊直径的限制，最小弯曲半径rmin弹前计算方式如下：

再按照上辊压力公式(8)求得卷板机的标称压力f为：

式中，α上辊位置角，m最大变形弯矩；

(3)板材给进过程中，要防止板材和工作辊之间的打滑现象，要求机器送进板料的总力矩mp满足：

mp≥mn1+mt+mn4

其中，mn1板料扭矩，mt为摩擦阻力矩，mn4为卷板机的空载转矩；

(4)卷板所需驱动功率必须小于卷板机的额定功率。驱动功率p为：

其中，η为机器效率，一般取0.65～0.8，mn为总驱动扭矩，v为下辊的线速度。

步骤6：可行性分析通过后，对预弯后的板材进行卷制，并对卷制过程中的板材进行建模，卷板过程中各部分板材的曲率不相等，建模过程比预弯过程板材建模复杂，具体步骤如下：

步骤6.1，确定筒体半径与下压量的关系，如图7所示。本文采用过弯法来减小回弹值，过度弯曲的筒体半径r弹前可根据实际生产经验得到，如下式：

其中，r弹后为弹复后的筒体半径，t为卷板厚度(mm)，e为弹性模量(mpa)，σs为材料的屈服极限(mpa)，m0可取：

其中，k1为形状参数，当卷板横截面为矩形时k1取1.5；k2为材料的相对强化系数，与板材的屈服极限σs和冷作强化有关，q235类钢材取11.6。

图7为三辊卷制原理示意图，取板料的中心截面为基准面，则通过对图形的几何分析可以建立上辊下压量与卷制筒体半径之间的几何关系，即三辊机滚弯时上辊的下压量h可通过下式求得：

式中，d下辊为下辊的直径，r弹前为弹复前的筒体半径，t为板材的厚度，l为两下辊中心距。

通过对图7的几何分析，可根据上求得弹复前的筒体半径r弹前为：

将上式代入经验公式，则可求得r弹后为：

步骤6.2，计算得到三辊卷板过程中重要几何位置的数学表达，包括卷制中半径(回弹前的半径)的圆心坐标、卷制后半径(回弹后半径)的圆心坐标，板材与上下辊的作用点a、b、c点的坐标，如图9所示；

上辊的施力线(y轴的反方向)与回弹前筒体的中心o和一侧下辊中心的连线的夹角定义为上辊位置角α，在对称式三辊卷板机中，左右侧的上辊位置角相等，上辊位置角α为：

在上辊不断下压过程中，点a和点c不断内移，上辊位置角α也相应地增大，则弧ac的长度为：

以r弹前为筒体半径的圆心坐标o(xo,yo)为：

根据筒体半径为r弹前的圆心坐标o(xo,yo)可以求得以r弹后为筒体半径的圆心坐标or(xor,yor)为：

对板材与上下辊接触点进行几何分析，可求出接触点a、b、c的坐标如下：

a点的坐标a(xa,ya)为：

b点的坐标b(xb,yb)为：

c点的坐标c(xc,yc)为：

在卷制过程中，初次卷板时板材的卷前半径为无穷大，随后在卷制加工过程中板材的卷前半径变小，卷前半径为r卷前，以其为筒体半径的圆心坐标o卷前(xo卷前,yo卷前)为：

步骤6.3，用双循环链表的边界表示法对卷制过程中的板材进行建模。卷板过程初始时的板材为预弯后的板材，如图10所示。根据卷制板材的轴向长度和板材厚度参数，以点b’为板材局部坐标系的原点，通过双循环链表对预成型的板材进行建模。在点b’、a’右侧根据预弯尺寸要求分别添加点e1、e2和f2、f1。再在点e2和f2右侧插入一段预弯长度的圆环弧，其半径为卷制要求的筒体半径。最后，在点f1和点e1左侧插入一段与右端对称的圆环弧。

卷制过程中的板材成型可分为两个阶段，第一阶段属于连续加载弯曲，如图11所示e2e3，第二阶段属于连续卸载回弹，如图11所示e3e4。板料沿送进方向任何一段都将经历相同的加载和卸载过程，因此最终将形成曲率一致的圆柱。板材第一次从左端给进，受力弯曲时发生一定角度的倾斜，倾斜角为卷制过程的位置角α。沿倾斜角度在板材左端点右侧给定长度位置插入点e2和f2；在点e2和f2左侧板材未弯曲变形长度位置插入点e1和f1；在点e1和f1左侧插入一段预弯长度的圆环弧，其半径为卷制要求的筒体半径。再对此次卷制过程中和卷制完成的板材进行建模，在e2和f2右侧插入一段圆环弧，半径为回弹前的筒体半径，圆心角为2α，得到圆环弧的右端点e3和f3；在点e3和f3右侧插入回弹后的圆环弧，半径为回弹后的筒体半径，圆环弧的长度为已达到本次卷制半径的板长，得到圆环弧的右端点e4和f4。最后在点e4和f4右侧插入一段预弯长度的圆环弧，半径为卷制要求的筒体半径，完成对此次卷制过程的三维建模。

步骤7：金属卷板生产加工完成，得到卷制要求的筒体模型，并统计得卷板生产的电费成本和时间。板材宽度1500mm，板材厚度10mm，需要卷制半径700mm的筒体，卷制成品如图11所示，选择工业电费的单价为1元/度，卷制完成消耗电费0.2元，所需时间为8.1min。