一种复杂截面超高强钢构件辊弯成型回弹融合控制方法

摘要

本发明提供一种复杂截面超高强钢构件辊弯成型回弹控制方法—UDI融合集成回弹控制法，属于辊弯成型技术领域。该方法在辊弯成型完整工艺设计过程中，融合集成多质量控制域，综合考虑回弹控制，即在板带横向弯曲过程前，利用反弯法将直线段部分反向弯曲8°～15°，并在之后道次进行回弯；在弯角最终成型前的一道次或几道次利用小弯角半径法，将设计半径减小0.5～1mm，并在最终道次成型为所需的弯曲半径；将弯角部分利用计算出的补偿角度进行过弯法设计。本控制方法有效解决了复杂截面超高强钢构件连续辊弯成型回弹大且难以控制的难题，为超高强钢连续辊弯成型回弹控制提供了理论依据，为稳定批量实现超高强钢复杂截面冷弯型钢的高精度辊弯成型提供了新方法。

说明书

技术领域

本发明涉及辊弯成型技术领域，特别是指一种复杂截面超高强钢构件辊弯成型回弹融合控制方法。

背景技术

辊弯型钢是一种用途非常广泛的经济型型材。由于其截面结构合理(通常根据使用要求设计)、品种规格繁多、几何尺寸精确以及现代社会对材料轻量化、截面形状合理化和功能化的使用要求,因而几乎遍及人们日常生活的各个领域。随着轻量化结构的提出和广泛应用，高强钢和超高强钢在汽车等工业领域的应用急剧增加；同时随着技术的不断进步和用户对产品要求的不断提高,冷弯型钢也向着更加复杂、精密的方向发展。而复杂截面超高强钢辊弯成型产品易表现出各种缺陷，尤其是回弹问题，与普通钢辊弯成型产品相比，超高强钢辊弯成型产品的回弹量特别大且难以控制，这严重制约着辊弯成型技术的发展和超高强钢辊弯型钢的广泛应用。因此，复杂截面超高强钢连续辊弯成型回弹控制是当今冷弯领域的重要挑战之一。

长期以来，为了控制回弹，辊弯行业常常使用矫直辊来解决回弹问题。超高强钢辊弯成型回弹角度大，因此很难使用一对矫直辊来控制回弹问题，而不同截面的型钢就要设计不同的矫直土耳其头，同时使用这种方法并不能有效控制回弹，这无疑需要耗费大量的时间和成本，且无法保证产品质量。最初采用矫直辊来补偿回弹，是在辊弯成型最后一机架之后，设置一组矫直辊，但回弹的测量为离线测量，不能及时根据截面的形状和尺寸调整矫直辊的位置和角度，操作麻烦，适应性差。在此基础上，出现了在线补偿闭环矫直系统，即矫直辊的柔性调整，具体措施为辊弯成型最后一机架之后设置两个激光传感器用于实时测量真实截面的轮廓，从而实时计算回弹角的大小；并在传感器后设置角度调整系统，根据计算的回弹角大小利用环形导轨、连杆等调整矫直机架的位置和角度，从而实现回弹补偿。该方法虽然适应性较强，操作自动化，但成本较高，仅仅依靠矫直辊的矫直作用并不能很好地解决超高强钢的回弹控制问题，难以保证正常生产。

在工艺上，也常采用拉弯法或单独使用过弯补偿法等来进行回弹控制。拉弯法是通过改变板料内部的应力状态来抵消最后的回弹，通常生产中会采用减小模具间隙的方法取得良好的拉弯效果，但这种方法也会带来摩擦、擦伤的问题。过弯补偿法的原理是根据有限元法或其他方式预测到的回弹角大小，预先在辊花设计中做出回弹角大小的补偿，以抵消零件成型后的回弹，使得最终卸载后的工件形状与所要求的零件形状相符；但这种过弯补偿法都是通过在调试阶段反复尝试，依据产品的回弹情况修正轧辊，但由于几何截面和材料的不同回弹规律也存在差异，这种经验补偿法很难保证补偿后的修正精度。并且单一使用过弯补偿过程繁琐，只能补偿回弹角度，不能很好地解决复杂截面超高强钢构件的辊弯成型回弹大问题，难以达到高质量产品的稳定生产要求。

发明内容

本发明针对于目前应用的回弹控制方法存在操作复杂、适应性差、精度低和成本高的问题，并充分考虑到超高强钢冷弯型钢与普通钢冷弯型钢相比回弹特别大的特点，提供一种复杂截面超高强钢构件辊弯成型回弹融合控制方法——UDI(USTB-DurableIntegration of Springback Control)融合集成回弹控制法。

一种复杂截面超高强钢构件辊弯成型回弹融合控制方法，其特征在于：在辊弯成型完整工艺设计过程中，融合集成多质量控制域综合考虑回弹控制，即在超高强钢板带板带在成型过程中，集成利用小弯角半径法补偿回弹半径，利用角度过弯法补偿回弹角度，并利用反向弯曲增加板带的反向残余应力，从而从根本上改善复杂截面超高强钢构件回弹大且难以控制问题。

进一步地，所述的反向弯曲，在板带横向弯曲过程前，考虑到几何参数对回弹角度的影响规律，利用反弯法将产品中不需弯曲的直线段部分反向弯曲8°～15°，并在之后道次进行回弯，从而增加板带的反向残余应力。

进一步地，所述的小弯角半径补偿是：在弯角最终成型前倒数的一道次或者一至五道次利用小弯角半径法，将设计半径减小0.5mm～1mm，但不低于极限弯曲半径，并在最终道次再成型为所需的弯曲半径，用于补偿回弹半径。

进一步地，所述的小弯角半径中，在三点弯曲试验冲头速度与连续辊弯成型速度相当的前提下，极限弯曲半径可以通过采取简化试验-三点弯曲试验获得。在实验过程中，半径逐渐减小，当弯曲部位出现线性开裂情况时，上一个弯曲半径即为极限弯曲半径。

进一步地，所述的角度过弯补偿是：将弯角部分利用回弹预测模型计算出的补偿角度进行过弯，用于补偿回弹角度。在超高强钢板带横向弯曲过程前，考虑到几何参数对回弹角度的影响规律，利用反弯法将产品中不需弯曲的直线段部分反向弯曲8°～15°，并在之后道次进行回弯，从而增加板带的反向残余应力。

进一步地，在设计时利用过弯法将回弹角度补偿进去，即发生回弹的角度在设计时就已经考虑进去，在辊弯回弹后，成型为需要的角度。通过对回弹预测精度的研究，需要补偿的回弹角度利用回弹预测模型，比如复杂截面超高强钢构件回弹预测精度高且应用广泛的Biswas模型，如公式(1)-(3)所示，计算得出回弹角度。

其中，ri1为要弯曲半径，mm；ri2为回弹后半径，mm；rmF为屈服曲率，mm；t为板料厚度，mm；ε1为材料的延伸率；σY为材料的屈服强度，MPa；σμ为材料的抗拉强度，MPa；E为材料的杨氏模量，MPa；V为材料的切线模量，MPa。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

该方法有效解决了复杂截面超高强钢连续辊弯成型回弹大且难以控制的难题，为超高强钢连续辊弯成型回弹控制提供了理论依据，为稳定批量实现超高强钢复杂截面冷弯型钢的高精度辊弯成型提供了新方法，并采用融合集成控制实现复杂截面超高强钢构件辊弯成型回弹控制的生产验证及应用。

附图说明

图1为本发明实例1-复杂截面超高强钢汽车用薄壁结构件使用UDI融合集成回弹控制法的辊花工艺图；

图2为本发明实例1-复杂截面超高强钢汽车用薄壁结构件使用UDI融合集成回弹控制法的机架仿真图；

图3为本发明实例1-复杂截面超高强钢汽车用薄壁结构件的截面参数示意图；

图4为本发明实例1-复杂截面超高强钢汽车用薄壁结构件的截面回弹定义示意图；

图5为本发明实例1-复杂截面超高强钢汽车用薄壁结构件的截面横向应变仿真结果图；

图6为本发明实例1-复杂截面超高强钢汽车用薄壁结构件的截面横向应变分析图，(a)上层节点、(b)下层节点；

图7为本发明实例2-复杂截面超高强钢汽车门槛件加强筋使用UDI融合集成回弹控制法的辊花工艺图；

图8为本发明实例2-复杂截面超高强钢汽车门槛件加强筋的截面参数示意图；

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实例进行详细描述。

本发明提供一种超高强钢复杂截面冷弯型钢的辊弯成型回弹控制方法。

实例1：

某款复杂截面超高强钢汽车用薄壁结构件，其产品截面参数要求如图3所示，其中，厚度t＝1.5mm。根据辊花工艺图，如图1，可确定成型道次为13。其中，第7道次使用反弯补偿，反弯补偿角度为12°；第11道次使用小弯角半径补偿，补偿半径为6mm；第12道次使用过弯补偿，根据Biswas公式计算出的补偿半径为5.26°。即使用UDI融合集成回弹控制法，既补偿了回弹角度又补偿了回弹半径，同时通过反弯补偿增加了平板带区域的反向残余应力，是一种考虑板带成型过程中弯曲部分的“位置调整方法”，严格意义上是一种几何补偿方法，是基于几何参数对超高强钢连续辊弯成型回弹的影响规律提出的一种方法。

由图5仿真有限元计算结果可知，α回弹角度为0.02°，β回弹角度为0°，满足市场精度需求。很明显，UDI融合集成回弹控制法有效解决了超高强钢连续辊弯成型回弹大的问题，并进行了超高强钢汽车用薄壁结构件的实际生产，试验验证了UDI融合集成回弹控制法的有效性。

由图6(a)可知，应用UDI融合集成回弹控制法的截面横向应变大大减少，且在弯曲区域由于小弯角半径补偿和角度过弯补偿产生了反向残余应变，可以在弯曲后大大降低最大横向应变峰值，而横向应变与回弹密切相关，这也是UDI融合集成回弹控制法更能消除回弹的根本原因。由图6(b)可知，板带非弯曲角部位的直线段区域，在反弯作用下引入了部分反向应变，这样有助于补偿弯曲过渡区域的弹性应变，进而为消除回弹带来了可行性。

实例2：

超高强钢门槛件是汽车侧面的防撞梁系统关键部件，具有轻量化、成本低和性能优异等特点，但由于其回弹角度大等问题，严重影响了装配精度，进而影响了汽车的整体质量。超高强钢汽车门槛件加强筋的产品截面参数，如图8所示。超高强钢汽车门槛件加强筋使用UDI融合集成回弹控制法的辊花设计，如图7所示，共进行14道次的弯曲成型。其中，第6道次使用反弯补偿，直线段部分过弯角度为12°；第12道次使用小弯角半径补偿，α1和α2补偿半径为3.5mm，β1补偿半径为2.0mm，β2的补偿半径为2.5mm；第13道次使用角度过弯补偿。

对超高强钢汽车门槛件加强筋的成型过程进行工业试验，得到其最终成型截面，并通过回弹角度测试平台测得其最大回弹角度为0.3°，这个回弹量在客户的严格允许范围内，并可实现连续辊弯成型工业化生产。由此说明UDI融合集成回弹控制法实现了超高强钢连续辊弯成型回弹问题的有效控制和生产验证应用。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。