大型復(fù)雜高強(qiáng)度鋼板逐點(diǎn)靜壓矯正工藝研究

王以琦，施建華，鄭 練，李 超，馬 丹

(中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089)

大型復(fù)雜高強(qiáng)度鋼板逐點(diǎn)靜壓矯正工藝研究

王以琦，施建華，鄭 練，李 超，馬 丹

(中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089)

針對(duì)大型復(fù)雜高強(qiáng)度鋼板成形后的矯正手段落后，無法實(shí)現(xiàn)量化矯正，而且加工精度低，通過理論與試驗(yàn)研究相結(jié)合、以試驗(yàn)研究為主的技術(shù)路線，研發(fā)出了新型工藝方法、工裝設(shè)備以及相應(yīng)軟件，制定和建立了工藝規(guī)范和數(shù)據(jù)庫(kù)，完成了工程化應(yīng)用。技術(shù)指標(biāo)滿足要求，可產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，推廣應(yīng)用前景良好，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)突破和創(chuàng)新，不僅解決了成形等技術(shù)難題，還大幅度提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，綜合水平達(dá)到了國(guó)內(nèi)同行業(yè)領(lǐng)先。

逐點(diǎn)靜壓矯正；高強(qiáng)度鋼板；量化矯正

1 研究目標(biāo)

逐點(diǎn)靜壓矯正是大型復(fù)雜高強(qiáng)度鋼板復(fù)合成形技術(shù)中的一項(xiàng)子技術(shù)，也是其中一個(gè)工序。本研究目標(biāo)是解決前道工序熱壓成形產(chǎn)生的應(yīng)力變形，實(shí)現(xiàn)本身工序的量化控制，并為后續(xù)三維激光切割工序創(chuàng)造良好的加工條件，特別是滿足整體工藝技術(shù)指標(biāo)的要求。

大型復(fù)雜高強(qiáng)度鋼板矯正工藝技術(shù)研究遇到的難題是零件為復(fù)合成形件，矯正條件復(fù)雜且難度大。之前矯正采用的是較為傳統(tǒng)的工藝方案，即在零件各個(gè)工作平面，用壓力機(jī)對(duì)變形零件進(jìn)行反向形變加壓，通過在施壓點(diǎn)工件下面兩側(cè)塞入支承件，加壓使零件彎曲，實(shí)現(xiàn)反彎曲校正。采用該方法獲得零件校正和內(nèi)應(yīng)力釋放的結(jié)果不理想，校正后的零件放置(時(shí)效)一段時(shí)間后仍有明顯形變發(fā)生；另外，還需要在材料表面逐點(diǎn)進(jìn)行大錘打擊，以獲得零件內(nèi)應(yīng)力釋放。該加工方法存在加工困難、效率低、校正難度大、合格率低和環(huán)境噪聲大的缺點(diǎn)，不適合大批量生產(chǎn)。針對(duì)上述問題，本文研究了矯正生產(chǎn)新工藝，獲得了相關(guān)工藝參數(shù)，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)工裝，從根本上解決了問題。

2 研究和設(shè)計(jì)

2.1 基本原理、技術(shù)特點(diǎn)和主要研究?jī)?nèi)容

板材熱成形零件存在殘余應(yīng)力是板材成形中不可避免的現(xiàn)象，它與零件成形狀態(tài)、板材厚度、材質(zhì)、力學(xué)性能和熱處理等有關(guān)，殘余應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致板材變形。彈塑性變形原理表明，彈性變形可逆，卸載時(shí)彈性應(yīng)變能釋放，物體變形得以部分或完全恢復(fù)。當(dāng)載荷超過屈服極限時(shí)產(chǎn)生塑性變形，而塑性變形不可恢復(fù)，對(duì)于板材的成形及矯正而言，材料會(huì)出現(xiàn)壓痕，從而影響材料質(zhì)量。采用新的矯正方法矯正時(shí)所產(chǎn)生的變形應(yīng)當(dāng)在彈塑性變形之間，通過施加載荷使工件變形部分產(chǎn)生逆變形，卸載后工件變形部分又適量回彈至合適位置，同時(shí)沒有明顯壓痕。載荷大小根據(jù)材料的屈服極限、經(jīng)驗(yàn)公式和試驗(yàn)決定。

逐點(diǎn)靜壓矯正技術(shù)是采用逐點(diǎn)靜壓的方法對(duì)成形后的板材進(jìn)行矯正，可達(dá)到幾何公差的要求，板材成形后的形狀、尺寸誤差會(huì)明顯減小，可提高成形板材的矯正精度及使用標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到板材調(diào)平的目的。將逐點(diǎn)靜壓矯正技術(shù)應(yīng)用于高強(qiáng)度鋼板熱壓后的矯正，可以克服傳統(tǒng)人工機(jī)械矯正或火焰矯正方法存在的弊端，有效提高矯正質(zhì)量和效率，可取代傳統(tǒng)依靠人工經(jīng)驗(yàn)的矯正方法，實(shí)現(xiàn)量化矯正。

逐點(diǎn)靜壓矯正是在參考其他零件矯正技術(shù)基礎(chǔ)上(如逐點(diǎn)擠壓矯正和多種成形)而自行開發(fā)的新技術(shù)。采用液壓壓力矯正機(jī)，考慮利用圓柱形壓頭直接逐點(diǎn)擠壓變形點(diǎn)或區(qū)域，以消除因熱壓成形后殘余應(yīng)力造成的變形并消除殘余應(yīng)力。矯正機(jī)由數(shù)控系統(tǒng)操控。

在常溫下，將裝甲車用底甲板成形待矯正件放置于矯正平臺(tái)上，通過對(duì)零件表面施加若干點(diǎn)適度的靜壓外力，使零件材料被壓點(diǎn)處產(chǎn)生彈性和塑性變形之間的狀態(tài)，從而使得零件的內(nèi)應(yīng)力獲得釋放。根據(jù)鋼板零件成形的不同位置產(chǎn)生的不同應(yīng)力狀態(tài)，選擇不同的施力方式來達(dá)到零件矯正的目的。試驗(yàn)和試生產(chǎn)已經(jīng)證明，采用本技術(shù)，基本實(shí)現(xiàn)了無回彈矯正，達(dá)到了提高矯正精度的目的。

基于已掌握的鋼板靜壓矯正規(guī)律和方法，通過試驗(yàn)，研究了某零件矯正力及施力點(diǎn)對(duì)內(nèi)應(yīng)力釋放的影響，開展了矯正力及施力面積參數(shù)的研究分析，確定了最適宜的壓頭規(guī)格；對(duì)逐點(diǎn)靜壓矯正用龍門移動(dòng)液壓機(jī)的工裝進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究改進(jìn)，以確保零件矯正精度；針對(duì)熱壓成形后每批零件的各個(gè)相同位置及近似的變形狀態(tài)進(jìn)行了靜態(tài)試壓，并通過數(shù)控記錄參數(shù)找到一般規(guī)律，研究制定了工藝過程和工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了定量矯正，保證了零件工作面凹槽與加強(qiáng)筋凹槽無變形現(xiàn)象，零件主體工作平面無明顯壓痕及其他缺陷。

2.2 矯正工藝、控制方式的研究

根據(jù)理論分析研究和前期成果，特別是通過工藝試驗(yàn)，研究制定了現(xiàn)行的工藝和控制方式。由于零件熱壓成形冷卻后整體形變很大且不規(guī)則，激光切割設(shè)備對(duì)工件精度要求高，為完成激光切割外形，必須進(jìn)行整形矯正。經(jīng)試驗(yàn)確定，設(shè)備使用壓力約550 t即可完成整形矯正，并保證工序全部要求。根據(jù)掌握的鋼板變形規(guī)律進(jìn)行逐點(diǎn)矯正，之后通過試制試驗(yàn)、試驗(yàn)驗(yàn)證和工程化應(yīng)用不斷完善，最終確定了加工工藝方案。

研究之初，筆者曾試圖找到施力點(diǎn)、矯正力、施力速度和施力面積對(duì)矯正效果的影響規(guī)律，以形成不同規(guī)格零件靜壓矯正的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)定量、高效和精確矯正。通過試驗(yàn)和研究可知，上述參數(shù)相互之間關(guān)聯(lián)度不高，同時(shí)分析反而增加研究難度，實(shí)際生產(chǎn)中需要調(diào)控的量偏多，控制程序結(jié)構(gòu)復(fù)雜，弊多利少。在之后的試驗(yàn)研究過程中,采取了簡(jiǎn)化優(yōu)化措施，改進(jìn)了試驗(yàn)研究的技術(shù)路線，減少了需要調(diào)節(jié)對(duì)象的數(shù)量，對(duì)于調(diào)節(jié)量盡量采取定值控制。最終，在滿足后續(xù)工序和整體工藝要求的情況下，達(dá)到了方便分析、工藝簡(jiǎn)化、程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和操作簡(jiǎn)單的效果。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，按照簡(jiǎn)化各控制量之間的關(guān)系以及安全可靠的原則，確定了工藝方案和相關(guān)參數(shù)。

2.3 工藝參數(shù)的確定

2.3.1 壓力機(jī)行程

壓力機(jī)行程不需調(diào)節(jié)，統(tǒng)一為壓實(shí)(板材和模具之間不留空隙)。壓力機(jī)最大行程為800 mm，通過試驗(yàn)，確定壓力機(jī)通常行程范圍。壓頭抬起的行程根據(jù)變形量大小可調(diào)，目的是為了減少回程量，提高工作效率。壓頭抬起行程由數(shù)控機(jī)床調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)量為距離壓塊10～30 mm。

2.3.2 壓力機(jī)壓力

參考其他理論研究，結(jié)合前期試驗(yàn)結(jié)果，研究制定了逐點(diǎn)靜壓矯正力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如下[1]：

式中，d是壓頭工作直徑，單位為mm；δ是工件厚度，單位為mm；σS是材料屈服極限，單位為MPa；E是材料彈性模量，單位為MPa；A、B分別為計(jì)算系數(shù)，A=1 300～1 400，B=40～60。

根據(jù)壓塊外形尺寸，計(jì)算出其等效直徑為38.59 mm，由于是正火態(tài)，取A=1 400,B=60代入上式，得：

Pz=2 063 (kN)≈210 (t)

最終確定的實(shí)際使用矯正壓力適當(dāng)留有裕量，約300 t，此時(shí)零件處于彈性和塑性變形之間，完成整形矯正，達(dá)到要求的矯正精度。對(duì)應(yīng)于同一批次零件不同點(diǎn)的矯正，壓力機(jī)壓力在工作過程中不需調(diào)節(jié)。

2.3.3 矯正速度

通過試驗(yàn)確定了壓力機(jī)的工作速度，壓力機(jī)矯正時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度一般無需調(diào)節(jié)，采用定值；但為了提高工作效率，分了不同的速度區(qū)間。開始下壓時(shí)和回程為快速，接近工件時(shí)和接觸工件后速度減慢，實(shí)際共有4種速度，由控制程序自動(dòng)調(diào)用執(zhí)行。

2.3.4 矯正點(diǎn)數(shù)量及其分布規(guī)律

零件矯正與其材料、厚度，特別是前一道熱壓復(fù)合成形工藝密切相關(guān)。對(duì)某規(guī)格零件壓形后的變形情況進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明，各批次之間存在著大致相同的規(guī)律，熱壓成形所造成的變形一般為大彎且基本為突起方向，主要變形區(qū)域各點(diǎn)變形量約在25～55 mm。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制的變形量數(shù)值示意圖如圖1所示。

圖1 變形量數(shù)值示意圖

試驗(yàn)過程中矯正點(diǎn)數(shù)量及其分布與后來確定的有較大差異。試驗(yàn)驗(yàn)證后確定的基本工藝方法和矯正點(diǎn)數(shù)量如下：在零件的加強(qiáng)筋處若干固定位置實(shí)施逐點(diǎn)靜壓矯正，橫向矯正點(diǎn)數(shù)量基本固定；縱向矯正點(diǎn)數(shù)量由零件長(zhǎng)度而定，處于相同區(qū)域的點(diǎn)基本屬于等距離分布。現(xiàn)行工藝矯正位置如圖2所示。

圖2 現(xiàn)行工藝矯正位置示意圖

依照通過試驗(yàn)確定的參數(shù)，編程形成DNC程序，再由數(shù)控系統(tǒng)操控壓力機(jī)對(duì)工件進(jìn)行處理。

2.4 其他設(shè)備的設(shè)計(jì)和選擇

2.4.1 矯正設(shè)備選擇

矯正設(shè)備為數(shù)控龍門移動(dòng)液壓機(jī)。其主液壓缸壓頭可在工作臺(tái)平面內(nèi)任意移動(dòng)，三坐標(biāo)方向均可定位，可用于校正中、厚板，結(jié)構(gòu)件以及一定厚度以下的高強(qiáng)度鋼板。

2.4.2 壓頭設(shè)計(jì)和選擇

壓頭材料采用60Si2MnA，調(diào)質(zhì)處理，壓頭工作面淬火3～5 mm厚。壓頭采用系列尺寸設(shè)計(jì)，以滿足不同用途需要，目前主要設(shè)計(jì)了2種直徑的壓頭。壓頭結(jié)構(gòu)和與模具的配合使用如圖3所示。

圖3 壓頭結(jié)構(gòu)和與模具的配合使用

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，使用圓形壓頭直接壓在鋼板上，有時(shí)表面產(chǎn)生壓痕，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)研究，實(shí)際試驗(yàn)生產(chǎn)中壓頭壓在矩形壓塊上，可保證零件表面質(zhì)量。

2.4.3 矯正平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)所研制產(chǎn)品的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了矯正平臺(tái)，即模具。矯正平臺(tái)采用特種鋼材料經(jīng)整體加工而成，作為活動(dòng)工作臺(tái)放置于專用設(shè)備固定平臺(tái)上。矯正平臺(tái)上表面按鋼板成型件整體尺寸要求加工有專用筋槽，以保證各批鋼板都可以達(dá)到批量化整形和矯正。試驗(yàn)用矯正平臺(tái)、矯正壓頭和最初矯正位置如圖4所示。

圖4 矯正平臺(tái)、矯正壓頭和最初矯正位置示意圖

經(jīng)過試驗(yàn)，矯正位置發(fā)生了改變，但矯正平臺(tái)結(jié)構(gòu)基本保持了原來的設(shè)計(jì)思想。

3 試驗(yàn)

3.1 初步試制試驗(yàn)

基于逐步逼近的原則進(jìn)行了幾個(gè)樣件的試制。最初的試驗(yàn)方案為：零件按結(jié)構(gòu)自然分為若干個(gè)區(qū)域，在不同區(qū)域內(nèi)按順時(shí)針間斷地逐點(diǎn)矯正，矯正點(diǎn)數(shù)量則根據(jù)變形情況選擇為每區(qū)域幾個(gè)到十幾個(gè)點(diǎn)；中部2個(gè)區(qū)域矯正點(diǎn)數(shù)相對(duì)較多。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，此方案矯正點(diǎn)數(shù)過密過多，工作量大，故調(diào)整了方案，根據(jù)實(shí)際變形情況安排矯正位置，其中，壓下量是依照變形量確定的，在變形量(2次平均值)的基礎(chǔ)上增加10%。矯正位置和壓下量數(shù)值示意圖如圖5所示，矯正過程示意圖如圖6所示。

圖5 矯正位置和壓下量數(shù)值示意圖

圖6 矯正過程示意圖

試驗(yàn)后經(jīng)過測(cè)量，大部分點(diǎn)滿足關(guān)于成形精度的2個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)，總體效果尚可，但仍然存在如下4個(gè)方面問題：1)由于變形量不同，各矯正點(diǎn)壓下行程不同，需要調(diào)節(jié)，壓力機(jī)動(dòng)作繁瑣；2)矯正點(diǎn)數(shù)仍然較多，工作周期長(zhǎng)，效率難以提高；3)難以完全擺脫人工判斷(測(cè)量)；4)從控制的角度來看，盡管可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，編制出程序，但程序結(jié)構(gòu)和動(dòng)作過程都比較復(fù)雜，需要簡(jiǎn)化和改進(jìn)工藝方法。

3.2 后續(xù)試制試驗(yàn)

通過進(jìn)一步專門的研究試驗(yàn)，繼續(xù)探索規(guī)律，擬訂了如下方法：在零件的加強(qiáng)筋處若干固定位置點(diǎn)實(shí)施逐點(diǎn)靜壓矯正，處于相同區(qū)域的點(diǎn)基本屬于等距離分布；同時(shí)，壓力機(jī)行程不需調(diào)節(jié)，壓力機(jī)壓實(shí)(板材和模具之間不留空隙)為止。依照新的方法，對(duì)2種規(guī)格都各進(jìn)行了2個(gè)批次的試制。在整個(gè)試制試驗(yàn)期間，不斷修改完善了數(shù)控系統(tǒng)的控制程序，并根據(jù)實(shí)際情況使用了矩形壓塊。試驗(yàn)結(jié)果表明，矯正效果比改變方法之前得到了較大提高，各槽底部的輪廓度和主體平面度等2個(gè)技術(shù)指標(biāo)呈不斷優(yōu)化趨勢(shì)。通過試制試驗(yàn)，確定了實(shí)際使用的壓力和壓力機(jī)行程，同時(shí)也基本確定了矯正部位和矯正點(diǎn)數(shù)量。

通過這一階段的試驗(yàn)探索，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率都得到大幅度提高。矯正點(diǎn)數(shù)由幾十個(gè)減少到十幾個(gè)，矯正部位由隨機(jī)到固定位置，簡(jiǎn)化了工藝和控制程序，工作周期縮短了1/2，矯正效率提高了2倍。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過試驗(yàn)驗(yàn)證來進(jìn)一步驗(yàn)證生產(chǎn)中試件的質(zhì)量和指標(biāo)的穩(wěn)定性。驗(yàn)證過程中，改進(jìn)了工藝方法，同時(shí)對(duì)控制程序也進(jìn)行了微調(diào)，使結(jié)構(gòu)得到了改善，并完善了模具設(shè)計(jì)。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，上述各槽底部的輪廓度和主體平面度2個(gè)技術(shù)指標(biāo)，全部滿足項(xiàng)目要求，從而完全滿足后續(xù)三維激光切割工序和整體工藝要求，矯正效率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期。

后期又進(jìn)行了工程化應(yīng)用，對(duì)2種規(guī)格的零件進(jìn)行了小批量生產(chǎn)。工程化應(yīng)用后，正式制定了逐點(diǎn)靜壓矯正操作指導(dǎo)書。

4 結(jié)語

通過理論與試驗(yàn)研究相結(jié)合、以試驗(yàn)研究為主的技術(shù)路線，研發(fā)出了新型工藝、工裝設(shè)備以及相應(yīng)軟件，制定了工藝規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用。

新型工藝實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)突破和創(chuàng)新：1)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化量化矯正，保證了矯正精度，提高了生產(chǎn)效率，降低了環(huán)境噪聲，提高了零件的表面質(zhì)量狀態(tài)；2)形成了在零件特定位置若干點(diǎn)實(shí)施矯正的有效工藝方法；3)形成了逐點(diǎn)靜壓矯正壓力的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式；4)矯正效率提高了2倍。

技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過了規(guī)定的要求，技術(shù)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益和推廣應(yīng)用前景良好，生產(chǎn)企業(yè)每年可節(jié)創(chuàng)超過百萬元，可將該矯正方法應(yīng)用到所有同類零件的熱壓復(fù)合成形生產(chǎn)中，除解決了成形等技術(shù)難題外，還大幅度提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，綜合水平達(dá)到了國(guó)內(nèi)同行業(yè)領(lǐng)先。

[1] 田錫唐，鐘國(guó)柱，郭海丁，等. 鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)法蘭焊后逐點(diǎn)擠壓矯形工藝的研究[J]. 焊接，1988(2)：18-21.

責(zé)任編輯鄭練

ResearchonProcessofBigScaleComplicatedHighStrengthSteelSheetPointwiseStaticPressureAdjustment

WANG Yiqi, SHI Jianhua, ZHENG Lian, LI Chao, MA Dan

(Advanced Technology Generalization Institute of China Ordnance Industries，Beijing 100089，China)

Big scale complicated high strength steel sheet tookhot pressing composite forming, adjustment ways after forming is backward, can not realize quantized adjustment, and the manufacturing precision is low. The paper combined theoretical research with trial research, took trial research as main technology route, developed new kind of process way, tooling equipment, and relevant software, made and developed process standard and data base, and finished engineering application. All technology index met or exceeded the requirements and has good prospective in technology economics, social benefits, and promotion, it can not only realize many breakthrough and creation in solving forming difficulties, but also can improve product quality and producing efficiency, the comprehensive level reached leading in the industry of our country.

pointwise static pressure adjustment, high strength steel sheet,quantized adjustment

TG 306

：A

王以琦(1959-)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)控制等方面的研究。

2014-12-29