CN111069363B - 一种原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法 - Google Patents

一种原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法，涉及金属成形技术领域，能够大大提高滚弯板材的成形质量和结构可靠性，且节能高效，能够降低技术风险，显著提高成形性和成形精度；该方法步骤包括：S1、根据所需板材的曲率半径，计算回弹前曲率半径；S2、根据回弹前曲率半径，确定上轧辊下压量；S3、将上轧辊下压量和摩擦系数、转速、轧制道次输入模型进行仿真；S4、对周向应变分布和残余应力分布得到板材的成形精度和成形性能；S5、判断成形精度和成形性能是否达到要求；若是，则应用于实际生产；否则，调整摩擦系数、转速和轧制道次的值，重新进入S3。本发明提供的技术方案适用于滚弯成形的过程中。

Description

一种原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法
【技术领域】
本发明涉及金属成形技术领域，尤其涉及一种原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法。
【背景技术】
现有的钢材成型弯曲工艺存在工序安排不合理、工序繁多，工艺参数选择不合理，各工艺参数搭配不合理，且对操作者经验要求较高，使得生产成本偏高、产品质量偏低、成品率不高。
板件的冷弯成形在试制过程中需要耗费大量的人力物力，同时其成形过程的工艺条件和参数不易控制，尤其是对于新研发的高强韧钢来说，这一过程变得更加繁琐。国内外关于三辊卷板机的板材成形过程的研究报道较多，但是大多数是关于常见的钢种，而且材料的强度不是很大的情况。应装备发展的需求，高强度板材需求越来越多，但随着高强度板料屈服和强度的升高，对原位纳米增强高强韧钢厚板冷弯成形性尚不明确，为了能适应目标材料在特定条件下的服役环境，要求其在卷板成形时具有良好的成形质量。滚弯成形是一个经历大位移、大转动、大变形的过程，具有明显地复杂的几何非线性、材料非线性和边界条件非线性等特征，涉及到金属板材的弹塑性变形、摩擦接触等众多因素，成形规律难以把握，使得成形过程的设计和控制非常困难，从而使板材容易产生破裂、起皱、回弹等缺陷，影响结构件尺寸精度和表面质量，进而影响后续的装配过程。回弹一直是加工制造等工业领域关注的重点问题及难点问题，回弹问题并非是简单的弹性卸载过程，而是板材在整个加工过程的塑性累积，与模具形状尺寸、材料属性、摩擦接触等众多因素紧密相联系，因而有效地控制回弹是国内外许多学者进行深入研究和探讨的方向，包括从单向拉伸变形到循环加载变形、从数值模拟到试验验证、从回弹预测到回弹控制等诸多方面。当前，我国大型三辊卷板机的卷制圆筒工艺的自动化水平仍处于初级阶段，主要依赖于人工操作，大多利用卡板来保证滚弯成形卷制圆筒的曲率。
因此，有必要研究一种原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
【发明内容】
有鉴于此，本发明提供了一种原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法，能够大大提高滚弯板材的成形质量和结构可靠性，且节能高效，能够降低技术风险，显著提高成形性和成形精度。
本发明提供一种原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法，其特征在于，步骤包括：
S1、根据所需成形板材的曲率半径，计算回弹前曲率半径；
S2、根据回弹前曲率半径，确定上轧辊下压量；
S3、将上轧辊下压量，以及摩擦系数、转速和轧制道次输入有限元分析软件所建立的模型中进行仿真运算，得出仿真结果；
S4、对仿真结果中滚弯成形板材的周向应变分布和残余应力分布进行分析，得到滚弯成形板材的成形精度以及成形性能；
S5、判断滚弯成形板材的成形精度以及成形性能是否达到实际生产的要求；若达到要求，则将该板材对应的上轧辊下压量、摩擦系数、转速和轧制道次的值应用于实际生产；否则，调整摩擦系数、转速和轧制道次的值，重新进入S3。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S1中计算回弹前曲率半径的公式为：
Figure GDA0002776770310000031
式中，ρ1-所需成形板材的曲率半径，ρ0-回弹前板材的曲率半径，n-硬化指数；t-板材厚度；a-修正系数；σs-屈服强度，MPa；b＝(n+2)E，E为杨氏模量，GPa。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S2中回弹前曲率半径与上轧辊下压量的关系式为：
ρ0＝-0.0039X3+2.5239X2-550.34X+41794 (2)
式中，X-上轧辊下压量，ρ0-回弹前板材的曲率半径。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，摩擦系数、转速和轧制道次的值是根据实际生产设备的参数以及历史数据确定的。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，摩擦系数的取值范围为0.15～0.25，转速的取值范围为0.05～0.07rad/s，轧制道次的取值范围为5～7。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，其特征在于，n＝0.038，σs＝824.1MPa，t＝45mm，E＝204GPa，a＝1.75×10-5。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S5中将上轧辊下压量、摩擦系数、转速和轧制道次的值应用于实际生产时：根据所需要成形板材的圆筒的结构形式，把圆筒分成三段，针对每一段单独进行滚弯，且三段的滚弯工艺均采用上述步骤中得到的上轧辊下压量、摩擦系数、转速和轧制道次；滚弯完成后把三段圆弧进行焊接拼装，再进行后续工艺。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，若将不同的摩擦系数、转速和轧制道次输入模型进行仿真，得到多组达到实际生产要求的摩擦系数、转速和轧制道次，则对多组达到实际生产要求的摩擦系数、转速和轧制道次进行正交试验，选择最优解用于实际生产。
另一方面本发明提供一种原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺，其特征在于，采用如上任一所述的实现方法进行确定；滚弯工艺的轧制道次为7，上轧辊下压量共187mm，每道次下压量相同，摩擦系数为0.2，转速为0.05rad/s。
再一方面，本发明还提供一种原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺，其特征在于，采用如上任一所述的实现方法进行确定；滚弯工艺的轧制道次为5，上轧辊下压量共187mm，每道次下压量相同，摩擦系数为0.15，转速为0.05rad/s。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：能够保证公差范围内的连续性工艺制造方法，提高板材的滚弯成形效果，能够降低生产成本，提高了生产效率，技术风险低，有助于提高其成形质量，为实现大批量生产用于原位纳米增强高强韧钢厚板圆筒提供一种可行的方法；采用三段式滚弯后拼接，能够使板材在滚弯过程中应力得已释放，大大提高零件的成形质量和结构的可靠性。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法的流程图；
图2是本发明实施例1得到的高强韧钢板在滚弯成形过程中的周向应变和残余应力的分布图；其中，图2(a)为周向应变的分布图，图2(b)为残余应力的分布图；
图3是本发明实施例2得到的高强韧钢板在滚弯成形过程中的周向应变和残余应力的分布图；其中，图3(a)为周向应变的分布图，图3(b)为残余应力的分布图；
图4是本发明实施例3得到的高强韧钢板在滚弯成形过程中的周向应变和残余应力的分布图；其中，图4(a)为周向应变的分布图，图4(b)为残余应力的分布图。
【具体实施方式】
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，例如相同或相似的成分或工艺微调等，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明提出一种原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法方法保证板材滚弯成形质量，为该钢种板材在后续的工件生产过程提供了相关的成形参数以及控制板材回弹量的相关工艺措施，提高板材成形效率和成形率，减少加工试制时间，节省资源，对实际生产条件下的厚板件弯曲成形提供了技术指导。
本发明能够实现在原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法，采用滚弯成形的制造方法，但是厚板圆筒的弯曲工艺复杂，直接弯曲成圆筒，形状变化剧烈，应力应变分布不均匀，应力不能很好的释放，导致成型件的残余应力过大弯曲程度大，影响其服役性能。首先根据所需要成形的厚板圆筒的结构形式，把圆筒分成三段，然后针对每一段进行滚弯，三段圆弧的滚弯工艺方案相同，滚弯完成后把三段圆弧进行焊接拼装，进行实际的工艺试验。采用三段式滚弯后拼接，使板材在滚弯过程中应力得已释放，大大提高了零件的成形质量和结构的可靠性，节能高效，能够降低技术风险，显著提高成形性和成形精度。
本申请的原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法，步骤包括：
步骤一、根据所需要成形板材的曲率半径，计算回弹前曲率半径；如公式：
Figure GDA0002776770310000061
式中ρ1-回弹后板材曲率半径，ρ0-回弹前板材曲率半径，n-硬化指数；E-杨氏模量，GPa；t-板材厚度；a-修正系数；σs-屈服强度，MPa；b＝(n+2)E。
本专利中n＝0.038，σs＝824.1MPa，t＝45mm，E＝204GPa，a＝1.75×10-5。
步骤二、根据回弹前曲率半径，确定上轧辊下压量，如公式：
ρ0＝-0.0039X3+2.5239X2-550.34X+41794 (2)
式中X-上轧辊下压量。
步骤三、根据步骤一、二确定上轧辊下压量，并对摩擦系数μ，转速ω，轧制道次n等关键工艺参数进行正交试验，将以上工艺参数的优选解代入ABAQUS有限元分析软件所建立的模型，进行运算。根据实际生产设备型号以及生产经验(即历史数据)，得出摩擦系数为μ＝0.15～0.25，转速ω＝0.05～0.07rad/s，轧制道次n＝5～7。
步骤四、对不同工艺参数下滚弯成形件的周向应变分布和残余应力分布进行比较，以此来判断板材的成形精度以及成形性能，选择上述中最优方案用于指导实际生产。
板材滚弯成形后的周向曲率分布无法直接通过ABAQUS得出，通过三点坐标法求板材滚弯成形后的曲率半径计算比较繁琐，同时计算出板材整个周向的曲率半径的工作量太大，因此通过三点坐标法求板材滚弯成形后周向曲率半径是不现实的。若板材成形后曲率半径一致，则板材发生的变形量也将一致，因此可以利用板材周向应变来描述成形精度。板材成形后的残余应力大小可以反应板材的成形性能，适当的残余应力可以提高板材滚弯成形后得到结构件的疲劳强度。
根据以上两种指标综合反映板材成形性能，进而判断模拟的成形工艺是否可用于实际生产。
若将不同的摩擦系数、转速和轧制道次输入模型进行仿真，得到多组达到实际生产要求的摩擦系数、转速和轧制道次，则对多组达到实际生产要求的摩擦系数、转速和轧制道次进行正交试验，选择最优解用于实际生产。
板材滚弯成形分析过程作出如下假设：(1)轧辊与板材足够宽，且板材宽度远远大于其厚度，将滚弯过程看作平面应变问题处理；(2)轧辊在滚弯过程中不发生变形，视为刚性体；(3)忽略板材变形过程中引起的温度效应，假定材料特性为室温；(4)滚弯过程中假定恒定的摩擦系数以及静摩擦定律；(5)三个轧辊在滚弯过程中角速度保持不变。采用二维建模方式作平面应变问题处理，根据本专利中目标结构件的尺寸，设定板材长度为4740mm，在实际生产过程中为消除直边问题，对板材需进行分段设计，即将板材分成两端的预留段和中间的成型段，并根据所需结构件的规格确定成型段长度，根据三辊卷板机实际型号确定预留段长度。
利用各项同性/运动硬化材料模型，结合主-从接触算法，假定在板材与轧辊之间的摩擦满足库伦摩擦定律，摩擦系数假定为常量，即上轧辊与板材上表面、左右两个下轧辊与板材下表面的摩擦系数，并且忽略滚弯成形过程中由于摩擦引起的板材温度变化。滚弯成形模拟模型中的所有载荷和约束均以全局坐标系作为参考，模拟过程分为下压和滚弯两大工序。上轧辊下压使板材发生弯曲，三轧辊同时滚动使板材发生卷圆变形，轧辊的刚性运动施加在其参考点上。边界条件和载荷通过位移/旋转和速度/角速度两种方式来约束，在下压过程中，上轧辊只保留沿全局坐标系y方向上的自由度，左、右两个下轧辊固定所有自由度；在滚弯过程中，上轧辊绕全局坐标系z方向转动，左、右两个下轧辊绕全局坐标系z方向转动，上下轧辊角速度的正负方向应根据滚弯过程中板材的行进方向确定。网格划分采用四边形结构化网格划分技术，4节点双线性平面应变减缩积分单元(CPE4R)，利用减缩积分单元来模拟结构件承受弯曲载荷作用时可以有效地避免在弯曲成形过程中发生剪切自锁现象。
实施例1：
本发明的一种原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法方法，具体工艺如下：
1)板材为45mm厚板材，上工作辊半径R1＝800mm；下工作辊半径R2＝R3＝500mm；R2和R3的圆心距l＝1600mm，弯曲成半径为1500mm的1/3圆弧板；
2)滚弯道次n＝5，共压下量187mm，每道次压下量相同；
3)摩擦系数为μ＝0.2，转速分别为ω＝0.05rad/s；
4)滚弯成形后周向应变分布如图2(a)，弯曲成形后残余应力分布如图2(b)。图2(a)中板材滚弯段应变分布均匀，接近于定值，说明在其曲率半径相差很小，亦接近于定值，进而可以判定其滚弯过程可以获得各个位置曲率半径相同的结构件；图2(b)中残余应力图说明板材成形后其应力分布在滚弯区域不同位置的横截面上的残余应力分布几乎无明显差异，保持在250～350MPa之间，判定板材成形后应力分布均匀，性能稳定。
实施例2：
本发明的一种原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法方法，具体工艺如下：
1)板材为45mm厚板材，上工作辊半径R1＝800mm；下工作辊半径R2＝R3＝500mm；R2和R3的圆心距l＝1600mm，弯曲成半径为1500mm的1/3圆弧板；
2)滚弯道次n＝7，共压下量187mm，每道次压下量相同；
3)摩擦系数为μ＝0.2，转速分别为ω＝0.05rad/s；
4)弯曲成形后周向应变分布如图3(a)，弯曲成形后残余应力分布如图3(b)。图3(a)中板材滚弯段应变分布均匀，接近于定值，说明在其曲率半径相差很小，亦接近于定值，进而可以判定其滚弯过程可以获得各个位置曲率半径相同的结构件；图3(b)中残余应力图说明板材成形后其应力分布在滚弯区域不同位置的横截面上的残余应力分布几乎无明显差异，保持在250～350MPa之间，判定板材成形后应力分布均匀，性能稳定。
实施例3：
本发明的一种原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法方法，具体工艺如下：
1)板材为45mm厚板材，上工作辊半径R1＝800mm；下工作辊半径R2＝R3＝500mm；R2和R3的圆心距l＝1600mm，弯曲成半径为1500mm的1/3圆弧板；
2)滚弯道次n＝5，共压下量187mm，每道次压下量相同。
3)摩擦系数为μ＝0.15，转速分别为ω＝0.05rad/s；
4)弯曲成形后周向应变分布如图4(a)，弯曲成形后残余应力分布如图4(b)。图4(a)中板材滚弯段应变分布均匀，接近于定值，说明在其曲率半径相差很小，亦接近于定值，进而可以判定其滚弯过程可以获得各个位置曲率半径相同的结构件；图4(b)中残余应力图说明板材成形后其应力分布在滚弯区域不同位置的横截面上的残余应力分布几乎无明显差异，保持在250～350MPa之间，判定板材成形后应力分布均匀，性能稳定。
针对以上三个实施例，表现出成形后板材滚弯段的周向应变均匀，接近于定值，结构件的各个位置曲率半径相同，残余应力均保持在250～350MPa之间，说明根据以上提出的滚弯速度、滚弯道次及摩擦系数范围内，均可得到目标尺寸结构件，且成形性能良好。
以上对本申请实施例所提供的一种原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法，其特征在于，步骤包括：
S1、根据所需成形板材的曲率半径，计算回弹前曲率半径；
S2、根据回弹前曲率半径，确定上轧辊下压量；
S3、将上轧辊下压量，以及摩擦系数、转速和轧制道次输入有限元分析软件所建立的模型中进行仿真运算，得出仿真结果；
S4、对仿真结果中滚弯成形板材的周向应变分布和残余应力分布进行分析，得到滚弯成形板材的成形精度以及成形性能；
S5、判断滚弯成形板材的成形精度以及成形性能是否达到实际生产的要求；若达到要求，则将该滚弯成形板材对应的上轧辊下压量、摩擦系数、转速和轧制道次的值应用于实际生产；否则，调整摩擦系数、转速和轧制道次的值，重新进入S3。
2.根据权利要求1所述的原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法，其特征在于，所述S1中计算回弹前曲率半径的公式为：
Figure FDA0002776770300000011
式中，ρ1-所需成形板材的曲率半径，ρ0-回弹前板材的曲率半径，n-硬化指数；t-板材厚度；a-修正系数；σs-屈服强度，MPa；b＝(n+2)E，E为杨氏模量，GPa。
3.根据权利要求2所述的原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法，其特征在于，所述S2中回弹前曲率半径与上轧辊下压量的关系式为：
ρ0＝-0.0039X3+2.5239X2-550.34X+41794 (2)
式中，X-上轧辊下压量，ρ0-回弹前板材的曲率半径。
4.根据权利要求1所述的原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法，其特征在于，摩擦系数、转速和轧制道次的取值范围是根据实际生产设备的参数以及历史数据确定的。
5.根据权利要求4所述的原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法，其特征在于，摩擦系数的取值范围为0.15～0.25，转速的取值范围为0.05～0.07rad/s，轧制道次的取值范围为5～7。
6.根据权利要求2所述的原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法，其特征在于，n＝0.038，σs＝824.1MPa，t＝45mm，E＝204GPa，a＝1.75×10-5。
7.根据权利要求1所述的原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法，其特征在于，所述S5中将上轧辊下压量、摩擦系数、转速和轧制道次的值应用于实际生产时：根据所需要成形板材圆筒的结构数据，把圆筒分成三段，针对每一段单独进行滚弯，且三段的滚弯工艺均采用该步骤中得到的上轧辊下压量、摩擦系数、转速和轧制道次；滚弯完成后把三段圆弧进行焊接拼装，再进行后续工艺。
8.根据权利要求1所述的原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺实现方法，其特征在于，若将不同的摩擦系数、转速和轧制道次输入模型进行仿真，得到多组达到实际生产要求的摩擦系数、转速和轧制道次，则对多组达到实际生产要求的摩擦系数、转速和轧制道次进行正交试验，选择最优解用于实际生产。
9.一种原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺，其特征在于，采用如权利要求1-8任一所述的实现方法进行确定；滚弯工艺的轧制道次为7，上轧辊下压量共187mm，每道次下压量相同，摩擦系数为0.2，转速为0.05rad/s。
10.一种原位纳米增强高强韧钢的弯曲成形工艺，其特征在于，采用如权利要求1-8任一所述的实现方法进行确定；滚弯工艺的轧制道次为5，上轧辊下压量共187mm，每道次下压量相同，摩擦系数为0.15，转速为0.05rad/s。
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