往复弯曲高精度智能圆度矫正关键技术研究

往复弯曲高精度智能圆度矫正关键技术研究

赵非平 李森林 唐子钦 于高潮 叶声华

南通超力卷板机制造有限公司 江苏 南通 226600

摘要：辊式矫圆工艺通过往复弯曲方式实现统一曲率的目的，其矫圆过程中的往复弯曲变形规律是确定矫圆工艺参数的理论依据。针对往复弯曲变形过程，建立一套符合系统，将弯曲曲率和弯矩矢量化。基于小曲率平面弯曲弹复方程和应变叠加原理，引入初始当量应变和当量应变的概念，采用图解法对往复弯曲弹复过程进行分析，在考虑稳定金属材料往复弯曲过程中的形变硬化、Baushinger 效应和循环软化，分多种情形证明往复弯曲可以湮灭初始曲率的差异，最终使曲率统一到同一方向、同一数值，提出往复弯曲统一曲率定理。进而，验证往复弯曲统一曲率理论的正确性，为智能矫圆工艺方案和控制策略的制定奠定了理论支撑和实践基础。

关键词：往复弯曲；统一曲率；矫圆精度；圆度矫正

一、筒形件高精度智能圆度矫正重要性与迫切性

我国快速发展的国防工业和国民经济重点领域对高精度智能圆度矫正装备的需求日益增长。尤其在航空航天、海洋工程、汽车制造、高端医疗器械、石油化工和兵器军工等领域中，其圆度矫正的需求越来越迫切。

传统滚弯加工成形后的圆形筒体均存在以下缺点：一是成形后的圆形筒体均不是正圆；二是筒体板端合拢焊接时，会产生应力形变；三是通过滚弯卷板设备成形的筒体板端均存在一定长度的直边段。如需获得较高精度要求的圆筒体，要么采用机械切削加工方法，要么对筒体实施后续矫正。因此，研发高精度智能圆度矫正装备及其工艺关键技术对我国高端装备制造领域发展的迫切性、重要性已越发凸显。

当对闭合圆筒体进行加载压下矫正时，圆筒体圆周方向上将会产生“多余和未知”的约束力，这种“多余的和未知”的约束力，使得研发人员无法用板材一次弯曲弹复理论研究解析形变状态和计算加载力以及压下量的的大小，成为“无解”。亦成为国内外圆度矫正领域智能化发展的技术瓶颈。

二、高精度智能圆度矫正的难点与关键技术

往复弯曲高精度智能圆度矫正关键技术与装备，属于高端装备制造领域，本研究关键技术属于基础性、原创性、理论性与创造性研究课题。首次提出和采用“往复弯曲统一曲率”圆度矫正理论：对筒形件周向实施正、反向弯曲和正、反向转动的往复加载的工艺策略，逐步实现统一曲率的目标。通过对加载方式、加载力、压下量、压下方式，同时考虑加载弯曲中的Bauschinger效应、循环软化（硬化），以及上下辊直径和两下辊中心距等参数的相互关系研究与开发，实现了对不同材质、不同板厚、不同筒体直径的初始曲率不等的筒形件的圆度矫正。通过研究，在无需获得初始圆度，也无需测量和反馈矫正过程中筒体工件的状态和工件位置，即可实现智能化圆度矫正；多项关键技术填补国内外空白，达到国际先进水平。

图1--矫圆装备技术产品

三、主要关键技术研究内容

（一）研究的主要主要关键技术内容

依托江苏省（南通超力）数控卷板机工程技术研究中心、江苏省企业研究生工作站、江苏省企业院士工作站，和与燕山大学产学研合作，具体研究了以下内容：

（1）针对圆度矫正存在多次弹复和“二次超静定结构”问题，通过建立圆度矫正多次弹塑性力学模型，采用载荷增量法，对筒体实施往复正、反向弯曲加载方式验证，从而获得了闭合筒体圆度矫正过程机理和加载力、最佳压下量的定量计算以及加载工艺与方式。

（2）考虑形变硬化、Bauschinger效应、循环软化（硬化）的材料特性，结合小曲率平面弯曲弹复理论，研究了不同材料、不同工况下，“往复弯曲统一曲率矫圆理论”实施的可行性以及相互关系，从而不断减少了筒体各截面初始曲率的差异，最终达到统一曲率的效果。

（3）采用数字控制系统与先进的传感技术，配以高精度传动系统，研究开发了往复弯曲加载工艺，设计开发了圆度矫正装备；

（4）开发了圆度矫正装备嵌入式柔性控制系统软件，自动计算加载力、最佳压下量、以及加载、卸载工艺形式。

（二）主要关键技术求解与研究

1、首次提出并采用“往复弯曲，统一曲率”圆度矫正理论，攻克了多次弹塑性形变和“二次超静定结构”问题，实现了最佳压下量和加载力的定量计算。

当对闭合圆筒体进行加载压下矫正时，圆筒体圆周方向上将会产生“多余和未知”的约束力，这种“多余的和未知”的约束力，使得研发人员无法用板材一次弯曲弹复理论研究解析形变状态和计算加载力以及压下量的的大小，成为“无解”。该技术成为国内外圆度矫正领域智能化发展的技术瓶颈。

通过图解法、迭代法、离散化以及模压试验等方法，获得了筒坯截面形状尺寸随压下量、加载力、材料特性、截面弯矩以及加载卸载方式的相互关系，以及形变规律。通过以上研究发现：

（1）筒形件圆度矫正特征相对于金属板材的一次弹塑性形变属于弹塑性多次超静定结构问题；

（2）加载力仅对大于标准圆的弧段发生压下作用（正向弯曲），“多余和未知”的约束力将牵引扯动并反作用于小于标准圆半径的弧段，使其反向弯曲；

（3）获得了矫正加载力与反作用力的影响因素以及相互关系，从而攻克了加载力大小的分布状态和规律与计算难题；

（4）上辊压下量一定时，筒坯正反向旋转一周，筒坯圆周上各弧段至少经历一次有效正弯和一次有效反弯，若筒坯旋转N周时，筒坯圆周上任意弧段经历了N次有效正弯和N次有效反弯，且正反弯交替发生，曲率半径不断驱于目标曲率。圆筒体正反向加载旋转，有利于塑性形变，同时又可以消除残余应力。

与此同时，基于小曲率平面弯曲弹复方程和应变叠加原理，引入初始当量应变,采用图解法对往复弯曲弹复过程进行分析，在考虑稳定金属材料往复弯曲过程中的形变硬化、Baushinger 效应和循环软化，分三种情形证明往复弯曲可以湮灭初始曲率的差异，最终使曲率统一到同一方向、同一数值，达到往复弯曲统一曲率的目的，从而得到了往复弯曲统一曲率半径的理论支撑。

通过建立了圆度矫正的力学模型和有限元分析，弄清了圆度矫正机理、解决了上辊压下加载力大小、和压下量的定量预测计算，从而攻克了多次弹塑性形变和二次超静定结构问题，使“无解”得到了有解。具体技术路线图如图2。

图2--技术路线图

2、研究了往复圆度矫正多道次连续渐进加载、卸载工艺，提高了圆度矫正的精度和材料性能的稳定性。

经研究发现，加载和卸载的工艺方式的设置也同样影响着矫圆精度。本项目采用连续渐进加载方式，优于多道次、一次性加载加载的工艺；合理的卸载方式可以弥补因压下量过大的情况，卸载必须渐渐撤销加载力，这样会延长塑性形变有效时间，使曲率半径不再回弹，强化了曲率半径统一时的载荷。通过以上工艺方式，显著提升了矫正精度，其制品其圆度≤0.28%，圆柱度≤0.4%，筒体制品直线度 ≤0.1%。

本产品技术经过上海航天精密机械研究所应用：满足了长征系列火箭壁板（整流罩）的圆度加工精度要求，其生产效率与加工精度都得到有效提高(因保密因素，不涉及精度指标)，效果良好。

图3--用户应用产品

3、创新的设计了圆度矫正装备结构，提高了矫正精度和效率。

传统的圆筒体矫正，大多采用“标准模具”测量初始圆筒体圆周方向各个弧段的曲率半径，对每一弧段的误差值作出标记，有针对性的继续利用卷板机加载矫正，直至“满意”为止。其做法效率低、成本较高、精度差。

圆度矫正依据“三点成圆”基本原理，在其他条件不变的情况下，当加载力臂越小其矫正精度越高；采用四辊轴的结构设计，相对于传统的三辊轴矫圆装备优势更明显。既可以压平圆周方向严重不规则的弧段又减小了加载力臂，统一大于标准圆半径的弧段的效果更好；与此同时，在保证加载辊刚度的情况下，加载辊直径越小越好，更有利于塑性形变。针对长度和直径之比较大的筒体矫正（如石油管道），我们还开发了设计了多轴外周缩进结构形式。

4、开发了圆度矫正装备嵌入式系统软件，实现柔性化智能圆度矫正控制。

该技术结合往复弯曲工艺方法，开发圆度矫正智能程序软件。自动计算加载力、最佳压下量，以及自动生成按 n 个道次、x 下压量和下辊驱动的正反向转动的周期动作程序。达到无需了解筒体工件初始圆度，也不需要精确测量和反馈矫正过程中筒体工件的状态和工件位置，即可生成一套适合于相应工件的工作指令程序自动执行，实现矫圆过程的数字化控制。有效提高了工作效率、和矫圆精度，同时也降低了生产成本，经联影（常州）医疗科技有限公司应用，也得到高度评价。

四、总结

本关键技术研究，首次提出并采用“往复弯曲，统一曲率”圆度矫正理论，攻克了多次弹塑性形变和“二次超静定结构”问题国内外关键共性技术。实现了无需人工获得筒体初始圆度，也不需要精确测量矫正过程中筒体的状态和工件位置，即可实现矫圆过程的数字化控制，显著提高了工作效率、和矫圆精度，同时也降低了生产成本，与国内外同类产品相比具有极大的技术和市场优势。

实现了多项自主知识产权，多项技术达到国际领先水平。其中，核心专利“高精度数控矫圆机/ZL201220481196.7”和“数控矫圆机的矫圆工艺/ZL 201310403535.9”分别获得中国专利优秀奖。它不仅解决了制约筒体矫圆的关健共性技术难题，带动机械锻压行业的技术革新与转型升级，而且为提高和改善我国管材的利用率与产品品质，使我国在矫圆技术领域达到国际先进水平和参与国际竞争奠定了基础。

参 考 文 献

[1] 殷璟, 赵军, 孙红磊, 等大型管件的模压式精确缩径矫圆[J]光学 精密工程, 2011, 09: 2072-2078.

[2] 赵军，展培培，马瑞，等平面曲梁纯弯曲等价定理及其试验验证[J] 机械工程学报，2013，49(16)：100-106.

[3] 赵军，于高潮, 马瑞，等(2011)小曲率平面弯曲的回弹方程。中国科学--技术科学 54(9):2386–96.doi:10.1007/s11431-011-4447-4

[4] 赵非平，李森林，鲁世红. 数控矫圆机的矫圆工艺：中国，2013104035359[P]2014-10-29.

[5] 贺幼良, 乔进先, 贾春德焊管整圆工艺研究[J]焊管, 1998, 03: 22-24+63.