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CARDAlM-一个集成设计、制造辊轧成形工具的系统
由S.R.Nallapati和S.Samasundaram著作
印度理工学院出版
摘要
本文介绍了用于辊轧成型模具的一体化设计和制造系统（CARDAM）的开发。轧辊成型过程分为三个不同的模块：轧辊形状设计，轧辊轮廓编辑和轧辊轮廓的NC加工。轧辊设计模块自动生成截面图，花型，轧机参数和轧辊图纸的设计规格。轧辊编辑模块生成NC处理器必需的轧辊轮廓几何数据，这提供了集成CAD和CAM设施的链接。NC处理器使用轧辊轮廓数据作为输入几何，最后为轧辊加工过程生成NC代码。本文通过设计实例介绍了CARDAM系统中包含的设施。
关键词 CADCAM，数值控制
Abstract
The article deals with the development of an integrated design and manufacturing system (CARDAM) for roll forming tooling. The roll forming process has been organised into three distinct modules: roll form design, roll profile editing and NC processing of roll profiles. The roll design module automatically generates section drawing, flower pattern, mill parameters, and roll drawings to design specifications. The roll editing module generates the roll profile geometry data essential for the NC processor. This provides the link for integrating CAD and CAM facilities. The NC processor uses roll profile data as input geometry and finally generates NC codes for the roll machining process. The article brings out the facilities incorporated into the CARDAM system through a design example.
Keywords CADCAM, Numerical control
介绍：
冷轧成型（CRF）是一种连续的，生产效率高的工艺，用于将板材，带材或卷材金属的横截面加工成形为厚度基本均匀的形状。加工材料依次通过一系列配备有成型辊的轧辊。整个过程非常通用，加工出的成品可以应用于保险杠，框架，屋顶，墙板，百叶窗上等。虽然CRF工艺自从20世纪40年代后期才开始投入使用，但为了获得所需要的辊子，不断进行优化设计的这门技术仍然是一个累积了相当多经验的技术。因为这个原因，就辊轧成形工具设计的理论这方面而言，很少有文献可用，Angel，Griffit，Kirkland和Cookson他们最早提出了一些用于滚轧成形设计这方面的尝试。
随着计算技术和CAD技术的出现，几个用于辊轧成型的CAD / CAM组件也被开发了出来，Rhodes等人在20世纪70年代初开发出了用于辊轧成型的CAD组件。罗德斯系统的局限性在于它仍然是建立在过去的卷设计者的经验之上而形成的，那些设计者制作了截面图的细节（如图1所示），截面图的取向，形成序列的方法（如图2中详述的花纹图案）和辊轧成形机参数的选择。
Ona和Jimma开发了一种CAD系统，该系统仅能对宽型材和管状部分自动生成花朵图案。Vuen和Ellen在成型过程中对回弹余量，弯曲能量和纵向应变分布进行了研究，并开发了名为“CADROF”的CAD系统。然而，CADROF系统缺乏应力分析模块来分析辊轧成型过程中的截面缺陷。
Kiuchi开发了一种用于冷轧成形的计算机模拟系统。虽然模拟方法给出了最佳的花型和辊轮廓，但是通常需要花费很多时间，并且它还需要一台一般的小型设备商店不能提供的小型计算机。这些组件中没有一个组件具有用于检查辊轧成型过程这个部分的适合性的技术模块。为了克服上述所说的各种限制，现在开发出了一种用于辊轧成型的CAD / CAM工具包，称为CARDAM系统，即“计算机辅助辊设计和制造”的缩写。
CARDAM系统的模块化结构：
CARDAM系统基本上包括三个模块：输入模块，卷筒处理模块和输出模块.系统的模块化结构如图3所示。这些模块的功能描述如下。
输入模块：输入模块交互地采集要生产的横截面的材料数据和尺寸，所需的描述横截面的数据可以直接从客户的规格中获得，最后，它在屏幕上显示完成的截面图以及所要求的条带尺寸（或材料宽度）。
卷筒处理模块：RPM是CARDAM系统的核心，RPM有三个子模块：辊设计，辊编辑器和辊制造。每个模块都配备了优良的设施用来协助卷设计师。
输出模块：RDM用于选择各种工艺参数，以消除各种截面缺陷，例如扭曲，油封，边缘翘曲，闪光等。要选择的参数是：截面的取向，操作的顺序，每次操作的级数，每一阶段的变形量，以及轧制道次表。 基于这些参数，RDM进行应变分析，最终产生完全尺寸的花图案和卷图。轧辊设计模块的整体结构如图4所示。RDM还具有下面详述的子模块。
几何检查：将检查给定横截面的成形过程的是否可行。该检查可以识别几何性能和机械性能，这一部分使得该检查部分更加复杂，导致难以或不能滚压成形。它将考虑各种几何性质对辊成形的影响，例如厚度，弯曲元件的内半径，截面复杂性等。该检查能够结合检查算法来证明横截面的可接受性，如果该部分的任何特征使其难以滚轧成形，那么说明该部分是不可滚轧成形的，并且它会建议在该部分进行改进以便于完成制造。
轧机选择：除了截面数据，即年生产要求和原材料类型（卷材或切割带）外，还需要额外的信息。基于这种情况，轧机选择确定了各种参数，如轧机类型，主轴直径，垂直主轴距离，轧辊的机架间距离，两个主轴之间的齿轮比，节圆直径和成形速度以及前面的部分数据。
花朵图案：它决定了各个工艺参数，如截面方向，操作顺序，每个操作的步骤数量和每个阶段的变形量。一些算法被并入系统中用来确定这些参数。它最终产生初始花纹图案和横截面的轧制道次计划。
应变分析：它检查从花朵图案中获得的初始参数的值，并且验证在不弯曲的各种元件中的应变是否在弹性极限内。如果应变超过极限，模块有助于重新设计花型和轧制道次计划。过度弯曲自动地结合在花纹中以抵消辊轧成型过程中的回弹。
卷形式：从花朵图案或应变分析（如果选择应变分析）中提取信息，并自动生成具有所有阶段的完整的尺寸卷图。
辊子编辑器模块（REM）：REM建立了轧辊设计和轧辊制造功能之间的联系，从轧辊设计模块生成的轧辊图并不是最终的。一些工程设计特征必须添加到这些辊中以便于完成辊轧成型过程。这些操作可以由REM轻松完成。数学算法已被纳入本模块。REM由三个子模块组成：辊内部，辊外部和辊转换。
辊内部：执行编辑功能，如边缘捕获材料，特别是在早期阶段，并减轻辊，以尽量减少金属的张力。
卷外部：将在条材料的限制之外执行卷编辑。例如，门用于为上辊和下辊提供垂直和水平位置。
滚筒转换：在符合一般制造逻辑和一致性的前提下在CAD系统中安排具有256层的最终卷筒图纸，这意味着所有的卷筒图都由特定的层号。 它有助于传送轧辊轮廓数据，因为每层包含单个轧辊图。它最终将完整的编辑好的卷筒图纸传送到制造领域（卷筒制造模块）。
卷制造模块（RMM）
RMM对于准备零件程序非常适用，它直接使用从轧辊编辑器模块生成的轧辊轮廓。RMM有四个子模块：滚动加工，零件程序验证，后处理和NC磁带生成。
轧辊加工：包括将轧辊几何转移到NC加工程序，定义子程序和切削组（车削，槽），设置参数（刀具补偿）和定义加工操作（粗车削，粗槽），最后生成零件程序。
零件程序验证：在生成磁带之前验证零件程序。可以在屏幕上看到轧辊轮廓的刀具路径，它还在路径上的多个位置处显示工具，刀具路径也可以在绘图仪上获得。
后处理：在零件程序的验证之后，必须执行后处理以生成NC磁带文件。该磁带文件以能由NC机床控制器理解的格式存储NC程序，在所述NC机床控制器上制造辊轧成型工具。
NC磁带生成：从后处理器生成的磁带文件可以在纸带上打孔，或者可以直接发送到DNC机器。通过将纸带读回计算机来检查此磁带文件是否有任何错误扫描，然后执行文件比较来发现磁带中的任何差异。如果磁带无错误，则可以通过使用适当的磁带（零件程序）直接在卷坯上开始卷筒加工过程。
输出模块：输出模块在绘图仪上生成可视显示和硬拷贝。它显示花图案，卷图纸和辊轮廓工具路径，它还为成套轧制，成套工具生成NC零件程序。
滚压成型工具的设计因素：
在辊轧成形工具的设计中的一些考虑如下：
任何延性材料可以由低至0.127mm直到19mm的厚度形成。
小的内半径（半径lt;厚度）可能导致严重的弯曲应力并导致裂缝或其他类型的弯曲失效。
要以这样的方式选择截面取向，使得其形成这样一种的形式，这种方式是在每个阶段的截面中的两个主轴中的任意一个都要保持平行于辊的轴线。如果不满足这个条件，在最终产品中可能会出现类似“扭曲”的缺陷。
在开发用于选择序列的算法时施加的约束是所有元件的最小垂直位移，对要变形的元件要给以适当的滚动支撑，并且要避免中空成形（空气弯曲）。
操作中的级数取决于多种因素，例如截面几何形状及其复杂性，板的厚度，材料性质，轧机参数和成品区段中所需的质量。弯曲元件的变形量应当 从第一阶段到最后阶段逐渐降低，以使得最终产品中的缺陷最小化，从而实现平滑的金属流动。
基线形成方法和中心线形成方法被结合运用在找到心轴中心之间的截面的垂直定位的系统中。
为了最小化因为在辊轧成形操作中回弹而可能发生的误差，使用过度弯曲方法。
为了避免该部分的弯曲，辊直径应该和辊成型机可以容纳的一样大。
据称，第一阶段的辊直径应该比最小允许值大1.6至3.2mm。这种尺寸最小化了所需的工具钢的量，同时允许用于再研磨的原料。
在设计系统时考虑的其他因素是浇口和引线。浇口是在成形辊的外部上加工的平坦表面，并且提供垂直和顶部和底部卷的水平位置。 引线使得段从一个阶段容易进入另一个阶段。
CARDAM系统的整体功能：
在本节中，描述了CARDAM系统的总体功能。为了说明该系统的应用，周密考虑了被称为“礼帽”的特定部分，如图1所示。
最初，设计者必须使用输入模块在计算机系统中定义横截面，完成的部分被分成线性和圆弧元素。线性元件唯一所需的信息是其长度，而对于圆弧元件，其半径和弯曲幅度则是需要被考虑的。在限定了完整的截面几何形状之后，图形可以在屏幕上或在绘图机上完全显示出来，如图1所示，系统还会自动计算所需的钢带宽度。
在此阶段应进行检查以验证截面几何形状是否符合客户的要求，然后通过与用户的直接交流将材料数据输入到系统中，所需材料的必要数据是弹性模量（Y），屈服强度（S）和泊松比（n）。在客户提供了该数据后，将检查该部分辊轧成形过程的可行性。如果发现该部分可以滚轧成形，那么系统将确定该部分的加工方向。
下一步是选择轧辊成形的轧机参数，系统需要年度生产要求，以及待成型的原材料的类型（卷材原料或切割条）的信息，该信息以及上一节数据确定了轧机类型及其各种参数。
为了获得花纹图案，用户必须选择形成方法和操作顺序。根据输入的信息，系统自动生成初始花纹图案。或者，设计者通过使用图形设施来交互地定义花纹图案。在完成花纹图案之前，通过系统进行应变分析以验证每个阶段截面的各种元素中的应变是否在弹性极限内。 如果值在限制范围内，它会生成最终花型和轧制道次计划。“顶帽”部分的花朵图案如图2所示。用户对该部分的花纹满意之后，可以由卷设计模块自动地生成完整尺寸的卷图纸集合，无需用户的进一步输入。
从轧辊设计模块生成的轧辊图纸需要进一步修改，纳入一些设计功能，如捕获边缘材料，提供水平和垂直位置的门，分离复杂辊，用以方便辊制造等。具有“门控”功能的完整的辊设计在图5中表达出了是从阶段4给定部分的滚动编辑器模块中生成的，辊子编辑器模块最终生成辊子轮廓和辊子制造模块所需的数据，它还会将轧辊轮廓数据传送到制造领域。因此，它提供了轧辊设计和制造功能之间的联系。
最后一步是使用轧辊制造模块来加工轧辊。该模块将会生成所有阶段的整套卷筒图的NC零件程序。它基本上包括四个步骤：定义轧辊加工操作，验证零件程序，后处理零件程序，最后生成NC磁带。 图6中给出了阶段7顶帽部分的上辊的NC工具路径。
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