编号
潍坊学院
毕业设计技术报告
课题名称：铁柜板冷弯设备轧辊的设计与制造
学生姓名：朱福祥
学号：130********
专业：机械设计制造及其自动化
班级：2013级专升本2班
指导教师：杜国臣
2015 年05月
摘要
冷弯成型是通过顺序配置的多道次成型轧辊，把卷材、带材等金属板带不断地进行横向弯曲，以制成特定断面的型材。逐渐的，它成为一种节材、节能、高效的金属板料成型新工艺、新技术。近几年，冷弯型材产品作为重要的结构件在建筑、汽车制造、电子工业及机械制造业等许多领域得到了广泛的应用，其产品从普通的导轨、门窗等结构件到一些为特殊用途而制造的专用型材，类型极其广泛。
进入21世纪以来，CAD/CAM的应用，使得人机一体化设计理念得以形成，人工整合计算与计算机辅助设计相结合。针对潍坊华孚机械有限公司提出铁柜板冷弯设备轧辊的设计制造的课题；从工程实际出发，本文依据铁柜板截面参数，对冷弯设备中的成型道次、带坯宽度进行计算，应用COPRA2005软件进行辊花图的分析与生成，并且对轧辊各参数予以确定。依据轧辊的设计参数，制订出典型轧辊的加工工艺过程卡片和与其相对应的工序卡片，完成了轧辊的数控程序的编写，达到了轧辊从设计到生产加工的初衷。
关键字：冷弯成型轧辊设计COPRA2005软件工艺设计
ABSTRACT
Roll forming is configured by the sequential multi-pass roll forming, sheet, strip metal plate with constant lateral bending, and it made a specific section of the profile.It is a sheet mental which is of material-saving,energy-saving and high- efficient forming a new process and new technology. In recent years, as an important structural components ,cold-formed profiles products has been widely used in the construction, automobile manufacturing, shipbuilding, electronics industry and machinery manufacturing industry and many other fields , and from the common rail, doors, windows and other structural parts to special profiles manufactured for special purposes, its type is of extremely broad.
Since entering the 21st century, the application of CAD / CAM makes man-machine integration design concept can be formed, combining artificial integration of calculation and computer aided design. Hua Fu Machinery in Weifang. of steel plate cold bending roller equipment design and manufacture of subject; from the view of engineering practice, according to steel plate section parameters, for cold forming equipment of molding, with blank width calculation and application COPRA2005 software for roller diagram analysis and generation of and the parameters of the roll to be determined. According to the design parameters of roll, formulate typical roll machining process card and its corresponding process card, completed the roll of NC program written to roll from design to production and processing of the original intention.
Keywords: roll forming; roll design; COPRA2005 software; process design
目录
摘要...............................................................................................................................I ABSTRACT .................................................................................................................. II 第1章绪论 (1)
1.1冷弯成型技术及其发展 (1)
1.1.1冷弯成型技术 (1)
1.1.2冷弯成型技术国内外发展 (1)
1.2本课题研究的目的和意义 (3)
1.3本课题研究的主要内容及实现方法 (4)
第2章铁柜板冷弯轧辊设计分析 (5)
2.1影响轧辊设计的因素 (5)
2.1.1材料对轧辊设计的影响 (5)
2.1.2冷弯成型轧机对轧辊设计的影响 (5)
2.1.3生产中的弯曲方法对轧辊设计的影响 (5)
2.2影响轧辊设计的变量分析 (6)
2.3 本章小结 (7)
第3章铁柜板冷弯设备轧辊设计 (9)
3.1成型道次的设计 (9)
3.1.1成型道次数的影响因素 (9)
3.1.2铁柜板加工的成型道次数的计算 (10)
3.2 带坯宽度的计算 (11)
3.3辊花图的设计 (11)
3.3.1 COPRA2005软件的功能及应用 (12)
3.3.2 道次截面参数的确定 (13)
3.3.3 辊花图的确定 (15)
3.4 辊型参数的设计 (21)
3.4.1 轧辊宽度的确定 (21)
3.4.2 轧辊直径的确定 (21)
3.4.3 轧辊弯曲圆角的确定 (22)
3.4.4 轧辊间释放间隙的确定 (22)
3.5 成型辊的材料及热处理 (23)
3.5.1 GCr15轴承钢及其特性 (23)
3.5.1 GCr15轴承钢热处理工艺 (23)
3.6 本章小结 (24)
第4章典型轧辊的加工工艺 (25)
4.1轧辊成型工艺过程设计 (25)
4.1.1 轧辊成型工艺过程分析 (25)
4.1.2 轧辊成型工艺过程卡片编写 (26)
4.2轧辊加工工序设计 (26)
4.2.1 轧辊加工工序分析 (26)
4.2.2 轧辊加工工序卡片编写 (29)
4.3 CNC精加工轧辊 (29)
4.4 本章小结 (30)
第5章研究总结与展望 (31)
参考文献 (32)
附录1 (33)
致谢 (40)
第1章绪论
1.1冷弯成型技术及其发展
1.1.1冷弯成型技术
辊式冷弯成型，即在一排串联的成型轧机上（图1.1），连续通过金属板和金属板带，顺次使其弯曲，将平板加工成所需的截面形状的塑性加工法。冷弯成型是一种节能、节材、高效的金属板料成型新技术、新工艺。利用这一工艺，不但可以生产出高质量的型钢产品，而且能够缩短产品开发的周期、提高生产效率，从而提高企业在市场中的竞争力。近年来，冷弯型钢产品作为重要的结构件在建筑、船舶制造、汽车制造、电子工业及机械制造业等诸多领域得到了极为广泛的应用。其产品从普通的导轨、门窗等结构件到一些为特殊用途而制造的专用型材，类型极其广泛。正是用户对冷弯型钢产品的品种、规格、质量等方面的不断渴求，促使冷弯成型技术的迅猛发展。
图1.1 冷弯成型设备
1.1.2冷弯成型技术国内外发展
⑴国外辊弯成型技术工艺己具有100多年历史了，大致分为三个阶段。
第一阶段(1838-1909)是探索和试制阶段，这阶段辊弯成型理论和冷弯型钢的研究工作进展缓慢。随着工业运输业的迅速发展，辊弯成型工艺生产的冷弯
型钢己经不能满足用户要求。
第二阶段(1910-1959)是创立和逐步推广辊式冷弯成型工艺的阶段。
第三阶段(1960年到现在)是辊弯成型生产迅速发展的阶段。
国外冷弯薄壁型钢的计算理论研究起始于美国，1939年美国的钢铁研究院（AISI）出资在康奈尔大学由乔治-温特教授领头对冷弯薄壁型钢的设计理论进行了研究，并且做了大量的实验。温特教授通过实验得到一个关于冷弯薄壁型钢屈曲计算的经验公式，但当时因为只是经验公式，所形成的理论在实际生产中的指导作用并不很大。
国外成型工艺的发展现状是随着冷弯成型理论研究的深入，冷弯型钢的成型工艺也随之改进。产生了四辊式成型、柔性冷弯成型、CTA成型、辊冲的孔加工法等新的冷弯成型工艺。俄罗斯一钢铁厂发明了生产冲孔冷弯型钢的技术，冲孔冷弯型钢的生产工艺是：将带钢开卷送入张力辊和矫直机矫直，剪切机减去头部，经过活套储套器，在自动冲压机上按规定的孔间距离进行冲孔，再用弯曲成型机进行冷弯成型。瑞典Ortic公司和德国的Bemo公司共同开发了一种关于冷弯型钢的弯曲截面和可变形状截面的辊弯成型方式，此方法利用高精度计算机控制的和无限可调的辊子的辊弯成型生产线。
国外CARD发展情况，随着计算机在工业设计中的重要作用的凸显，20世纪70年代国外开始研究冷弯成型计算机辅助设计软件（CARD）。目前许多公司和组织开发出了自己的冷弯CAD系统，如德国的dataM公司、UBECO公司、英国的MFTFORM公司、澳大利亚的John-Lysagth公司、加拿大的DELTA ENGINEERING公司、日本东京大学、美国的俄亥俄州立大学等。
目前对冷弯成型的数值模拟研究并不完善，主要集中于简单断面型材，但已显示了其无比的优越性和强大的生命力。使用数值模拟的手段，我们可以准确的计算分析成型过程、检验工具设计模块、设计结果，从而使工具设计成本和风险性大幅度降低。因此，与有限元分析法相结合是冷弯CARD发展的趋势。
⑵我国对冷弯成型理论的研究起步比较晚，但也取得了较大的成就。北京科技大学的朱书栋等对冷弯成型的基本理论进行了全面的研究，得到了冷弯过程中的四种基本变形的应力应变表达式和变形功的数学表达式，对冷弯型钢的孔型设计有着重要的指导意义。
近年来，轧钢生产中应用了大量的高新技术适应日趋激烈的产品竞争，如薄板坯连铸连轧技术等均是20世纪80年代以来国际上出现的短流程生产技术，它们代表轧钢发展的新方向。目前，轧钢工艺和理论的发展呈现出新的发展趋势和特点。首先是与力学、数学和计算机科学形成密不可分的交叉体系。力学的研究从独立的力学分析到热、磁、电、化学作用的综合分析，从宏观力学深
入到微观领域。逐渐的，冷弯成型理论和技术慢慢发展。
基于上述理论的整合与生产效率的提高，上海钢铁工艺研究所、东北大学、北京冶金设备研究所，等多家单位陆续开始了这方面的工作，北京科技大学压力加工系开发了冷弯CARD柔性系统、冷弯CARD专家系统。它们在理论和实践上尽可能的节省工具、成本、减少换辊次数和时间，提高生产力。国内一些生产厂家已经购买了COPRA软件，其大部分是由北方工业大学和dateM公司合作引进（图1.2）。软件引进国内后，由技术人员结合国内生产厂家的实际情况进行改进，达到满足一些厂家的生产需要的目的。
目前，冷弯成型领域呈现蓬勃发展的态势。无论是在国内还是国外。冷弯成型的生产和消费比例呈现出稳步增加的态势，尤其是复杂断面的成型，为企业创造了巨大的附加值。
图1.2 德国dataM的COPRA软件
1.2本课题研究的目的和意义
铁柜板冷弯设备轧辊的设计与制造是针对潍坊华孚机械有限公司提出的课题，其目的是对铁柜板冷弯设备核心部件轧辊进行设计，从工程实际的角度出发，提出铁柜板冷弯设备轧辊设计的思路，并设计整套轧辊图纸，最后制定出典型轧辊的加工工艺。
“举一反三”式的应用是本课题研究的重要意义。本课题是以铁柜板的制造为主要研究对象，铁柜板是办公书柜的主要材料，其应用领域非常广泛。我们可以根据报告中的各项公式计算以及软件的实现方法，来对新的产品进行定义，从而丰富我们的产品种类，得到更多的实际收益。
1.3本课题研究的主要内容及实现方法
本课题研究的主要介绍：
⑴铁柜板冷弯设备轧辊设计分析。
⑵铁棍板冷弯设备轧辊设计。
⑶典型轧辊的加工工艺。
针对以上研究内容，我查阅了大量的文献资料：
第二、三章的因素分析和计算公式均是参考《冷弯成型技术手册（加）哈姆斯（Halmos,G.T.）》和《冷弯成型技术（日）小奈弘》两本书进行计算和阐述的。并且利用COPRA软件根据产品要求进行轧辊的设计以生产出合格的版型，结合AutoCAD2007软件画出轧辊二维图并结合实际进行轧辊的分割。对轧辊三维参数化设计的方法进行研究，建立轧辊的模拟装配的步骤，然后进行装配仿真、干涉检查，进而对轧辊冷弯设备进行运动仿真。
第四章的对于轧辊的加工工艺，结合轧辊数控加工的工作人员所提出的要求与建议，在编写过程中，尤其注意了轧辊外圆尺寸精度，热处理的过程适宜材料的加工成型，使加工出的铁柜板能够符合设计要求。
第2章铁柜板冷弯轧辊设计分析
2.1影响轧辊设计的因素
对轧辊设计的影响因素是多方面的，来自轧辊材料、加工设备、生产条件等都其有影响。
2.1.1材料对轧辊设计的影响
我们以尽可能低的价格选用满足指定产品要求的材料，材料的力学性能、表面、厚度偏差、宽度、直线度、平面度公差会影响轧辊设计。
⑴材料的力学性能通常可以从材料供应商处得到，当冷弯成型时，有利于根据屈服强度、抗拉强度、伸长率、材料硬度等，进而保证成型性良好。
⑵厚度偏差，材料通过轧辊间隙后厚度不能减少，从而，轧辊间隙是最大规格厚度与最大厚度公差、最大镀层厚度、最大压花纹深度计算之和。厚度也影响板带尺寸（板带宽度）。板带尺寸按平均厚度计算，如果厚度为最大正公差、一些尺寸变小，如果厚度为最小负公差，一些尺寸变大。
⑶宽度，宽度公差会明显影响产品的某些尺寸。在大多数情况下，板带宽度公差会累加到外沿公差上。如果外沿尺寸很关键，并进行了严格的控制，多余的材料会堆积在中心，产生波浪或其他问题。
⑷表面，最终产品的外观要求和原始材料表面会影响轧辊设计。抛光、高光泽面轧辊和偶尔用的不同材料的轧辊以及良好的润滑都有助于减少表面瑕疵和擦伤；压花纹材料的表面一般不会产生轧辊设计困难。这种材料的冷弯成型与普通材料的类似，但要避免过大的压力；具有敏感表面的冷弯成型时，生产线的所有部件都要特别小心，除非设计正确的材料制造，否则进入导向、辅辊、矫直头、切断模和其他导向会给产品留下伤痕。
2.1.2冷弯成型轧机对轧辊设计的影响
在针对铁皮柜冷弯设备的类型中，我们选用的是通轴双端式轧机，在设计过程中，要考虑到最大轧辊长度受限制、轧辊末端压力使轴弯曲、导向面一定要在板料中心、为防止产品上留下印记，轧辊末端要避免尖角、为了适应不同宽度，上下轴支持设备要便于装卸和调节、轧机中有轴套，轧辊直径增大，道次间距通常也增大。
2.1.3生产中的弯曲方法对轧辊设计的影响
冷弯成型制件可以分为直线体素和曲线体素，对铁柜板成型截面进行分析中，除了传统的水平、平行安装的成型主辊，本次成型需要考虑到采用辅辊(图
2.1)；辅辊的功能类似于主辊、和主辊一样重要，辅辊通常在主道次间放置，为了使辅辊发挥更好的作用，减少残余应力，主辊和辅辊的水平间距应该足够，这样在成型过程中，能保证成品件的弯曲角度要求，使成型精确度提高。
图2.1 辅辊道次成型
2.2影响轧辊设计的变量分析
上一节介绍了影响轧辊设计的固定因素，本节主要考虑到在设计、生产、运行过程中的变量分析，即在设计过程中存在很多种不确定的因素，即使一个简单的断面成型也有很多种方法，轧辊设计没有确定规则或公式，如果把相同的断面给10个设计者，差不多会生成10种不同的轧辊设计，其中有些可以生产优质的产品，有些则不能。轧辊设计过程中成型道次数的确定、带坯宽度的确定、辊型参数的确定等是直接影响轧辊尺寸变化的理论依据。
⑴道次数的多少，对轧辊尺寸的要求也是不同的（表2.1）。道次变形量是衡量辊弯成型设备的一个重要的指标，成型道次直接影响到设备的投资费用，在我国设计者一般都是倾向于选用大的变形角、小道次的方案，以此来降低成型设备的投入费用，但是也带来相应的问题，如带材在加工过程中稳定性比较差，轧辊在局部磨损比较厉害等。并且当成型道次较多时，轧辊的对数也相应增多；反之，则会减少，并且相邻两道次间的轧辊外圆尺寸的变化也要比前者大。
⑵带坯宽度的大小，对轧辊尺寸的要求也是不同的，应当考虑的因素也是多方面的，例如料卷厚度、板料在弯曲处变薄的现象；同时也要考虑到理论数据，
内弯曲半径和中性层半径的值；通常这些数值是随着设计情况的不同而变化的。
⑶辊型参数的确定，轧辊的宽度、直径、弯曲角度等因素的选择与计算都是不确定性的。根据轧辊工作条件，来得出其相应参数多少。
2.3 本章小结
1、本章针对影响轧辊设计的因素进行分析，提出材料是轧辊设计的主要影响因素。
2、基于第一节的介绍，继续对影响轧辊设计的变量因素进行分析，得出成型道次、带坯宽度和辊型参数是其主要影响因素。
第3章铁柜板冷弯设备轧辊设计
轧辊是使（轧材）金属产生塑性变形的工具，是决定轧机效率和轧材质量的重要消耗部件。轧辊是轧钢厂轧钢机上的重要零件，利用一对或一组轧辊滚动时产生的压力来轧碾钢材。它主要承受轧制时的动静载荷，磨损和温度变化的影响。因而，轧辊的设计部分是保证及决定冷弯设备加工产品精度的关键。
3.1成型道次的设计
3.1.1成型道次数的影响因素
冷弯成型行业最常见的问题就是成型道次数，而其影响因素又是多方面的：
⑴材料厚度产品的厚度对道次数有影响，但是实际的效果有争论。而后经学者论证，材料厚度对道次的影响是基于轧机强度的足够与否，若轧机强度足够，在多数情况下，材料厚度越厚，所需道次数应该越少。
⑵板带连续性连续成型使材料能够在到道次间顺畅的流动。当单张材料离开成型道次后，板料的前引导边会轻微的回弹，然后以直线的方式与下一道次轧辊的导向缘接触；在下一道次的入口处会发生突然地成型，为改善这种急剧的成型，单张成型的成型道次数经常多2~3道。（表3.1说明其他的几种因素的影响）
图3.1 各种辊式弯曲截面型材的成型道次与弯角的关系
⑶断面形状对成型道次的影响 各种断面型材按形状可分为四类：对称断面、非对称断面、宽幅断面和圆管；然后，用横轴表示各类断面实际成型的弯角数n ，考虑断面型材立边长度、板厚、断面弯曲角数等因子决定的形状因子函数，在纵坐标轴上表示成型道次数N 。即若计算出形状因子函数，根据所示关系即可得出成型道次.
3.1.2铁柜板加工的成型道次数的计算
在道次数的确定方法中，冷弯成型技术手册中又分为对称断面的成型道次的确定和非对称断面成型道次数的确定方法；而针对铁柜板截面（图3.2）来看，我们主要计算非对称断面成型道次的确定方法，而对对称截面成型道次的确定方法不再赘述。
非对称断面成型方法，如图3.3所示，分为断面不倾斜成型法和断面倾斜成型法。而我们通常采用断面不倾斜成型法，并且根据截面形状，也理应采用此方法。则我们用此方法来定义形状因子函数，以断面左右的立边长度1F 、2F ，左右弯曲角数1n 、2n 及板厚t 的乘积之和，即作为形状因子函数。图3.3表示了形状因子函数φ与成型道次数N 的关系。计算出形状因子函数的值，然后相对应于横坐标成型道次数即可得。
图3.2 铁柜板截面形状及其尺寸
铁柜板的截面参数（如图3.2所示），且其板材厚度t 为0.5 mm ，则有： 截面左侧：5.4624005.22401=++=F ； 5.0=T ； 3n 1=；
截面右侧： 9745522=+=F ； 5.0=T ；
5n 2=；
形状因子函数 T F T F 2211n n +=φ =462.5x3x0.5+97x5x0.5 =936.25
查图3.3，可得铁柜板冷弯设备的成型道次数为N=16道
图3.3 非对称断面的形状因子与成型道次
3.2 带坯宽度的计算
计算带坯宽度，将最终截面划分直线体素和曲线体素，为了方便计算，假设在成型过程中，直线体素的长度不改变。实际上，材料在弯角处总是变薄，弯曲应力超过屈服点，在弯曲体素的末端不会迅速的降为零，这种改变是逐渐的，即直线体素也有轻微的厚度改变。然而，用于曲线体素的经验系数k 计算所得板宽是精确的，虽然引入了直线体素长度和厚度不变的假设。从图3.4可以看出，铁柜板成型截面只有直线体素，带坯总宽度为所有直线体素之和，见表3.1。
3.3辊花图的设计
辊花图是个成型机架变形带坯横截面形状的重叠图，是描述成型过程中带钢从平帯坯变形为成品的变形示意图。随着冷弯技术的发展，与其相匹配的相关软
件逐渐问世，并逐步走向成熟，例如：COPRA2005软件。辊花设计是COPRA2005强大功能中的重要功能，它能完成设计过程中的全部的计算，同时辊花修改变得更简单。
表 3.1 带坯宽度计算过程
图3.4截面直线体素分段
3.3.1 COPRA2005软件的功能及应用
COPRA2005是德国data M公司开发并为每一位辊式冷弯成型设计者所开发的软件包，它可以降低计划、设计和工程中的费用，带领设计者完成从辊花设计（弯曲步骤），轧辊设计和技术计算到成型过程的模拟仿真，轧辊原料管理，CNC 制造和质量控制，所以深受冷弯技术参与者的喜爱。随着软件的成熟与发展，COPRA2005代表了辊式冷弯成型的最新技术。正逐渐成为一个全世界范围内50多个国家的设计者所使用的标准工具。
COPRA运行于AutoCAD环境中，也可以作为OEM版本获得。并且通过分析成型过程中板带中的应力、应变情况，COPRA2005可以使设计者在进行轧辊制造以前指定一种合适的成型工艺。在操作方面上，它和所有其他程序一样，在必要的地方，对话框提供解释，为我们设计者提供指导，也可以使我们的学习过
程降低到最简。
COPRA RF 2005是其功能强大的项目管理器，除了轧辊以外，还可管理冲切一剪切模具以及任意文档；其目标是在一个完整的文档和项目管理。所以新的COPRA RF项目管理器可以管理COPRA项目和数据，总之，它是一个为COPRA RF软件包定制的文档管理系统。
图3.5 COPRA2005工作界面
3.3.2 道次截面参数的确定
⑴每个道次的截面
确定各断面方位和道次数后，第一步是确定垂直基准面（也称基准线）。对许多截面来说，在基准面内通过轧机的部分（基准点），在该基准面内以水平直
V）影响边的移动，（a）不好，（d）更好。
线前进。图3.6中，垂直基准面（
P
在确定基准面以后，接下来确定弯曲段的弯曲顺序和每个道次的弯曲量。还要再次检查弯曲部分的导入和解决回弹的过弯要求，以及操作者如何上下移动轧辊以调节成型角度。
⑵第一道次轧辊的成型
第一道次轧辊有多种功能。拉板料导入边前端进入轧机，完成第一道成型。有时候，也引导板料，为尖角成型开槽。
铁柜板成型截面中有较多的弯曲角度，第一道次，也适用于所有道次，其最大允许成型角度，取决于材料的厚度和力学性能，轧辊直径，弯曲段长度，润滑，
是否可用上轴驱动等因素。考虑上述种种因素，做出了第一道次成型图（图3.7）
图3.6 辊花图中展示了边缘应力跟边的移动有关
⑶最后道次的成型
限于经济因素，用于补偿回弹的最终的过弯在最后道次进行。假设产品出了最后道次后，产生回弹并获得所需的最终产品形状。如果最终道次是前一个最后道次的复制，会获得更好的产品公差。
⑷操作者调节角度
无论每个道次有多少弯曲，我们应当给轧机操作者提供关键角度调节的可能。
图3.8（a）所示辊花图在每一个道次所有弯角线均成型。这种情况下，调节辊上下移动以调节上沿的最终角度，同时也会使边腿的角度发生变化。图3.8（b）是一种正确的方法，调节最后一道轧辊即只调节上沿，调节倒数第二道，则只节边腿角度。
图3.7 第一道次示意图
图3.8 提供给操作者关键角度调节的可能
3.3.3辊花图的确定
基于COPRA2005软件，以及相关参数的输入：
⑴为预先定义的板带宽度计算方法和展开方法提供自动定义的样板。这样就能确保用户能使用本公司的一些正确的设置。
⑵弯曲圆角、弯曲半径和实体长度的多种显示。用户可以定义显示哪一个数值。这在表格中都安排的很清楚，甚至复杂的截面也能够简单地来处理。
⑶通过在表中输入单个弯曲角度就可以快速而简单地进行辊花设计。
⑷基于以上成型分析，十六道次冷弯成型过程如下（表3.1）。
表3.2 铁柜板16道次冷弯成型过程