超高強鋼板V型彎曲試驗平臺的建立及加載精度分析

王雨龍，吳向東，路 旭，刁可山，萬 敏

（1.北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191；2.寶鋼股份研究院汽車用鋼研究所，上海 201900）

超高強鋼板V型彎曲試驗平臺的建立及加載精度分析

王雨龍1，吳向東1，路 旭1，刁可山2，萬 敏1

（1.北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191；2.寶鋼股份研究院汽車用鋼研究所，上海 201900）

為了研究超高強鋼板彎曲回彈行為，建立了專門針對超高強鋼板V型彎曲的試驗平臺，實現了載荷控制、位移控制、速度控制及整形控制；使用WinCC Flexible對觸摸屏進行組態，使用Visual C++對控制軟件進行編寫，實現了觸摸屏與工控機同時對試驗機的測控。相關的測試結果表明，所建試驗平臺擁有較高的精度，為后期開展相關研究提供了可靠的試驗基礎。

超高強鋼板；彎曲試驗機；V型彎曲

隨著對安全性及燃油經濟性需求的提高，汽車工業對高強度、輕質材料的需求越來越大，超高強鋼板的應用是實現汽車輕量化的重要途徑之一。科學、有效、精準地表征超高強鋼板的成形性能，是最大限度地利用高強度鋼板，保障成形穩定的關鍵[1]，其中V型彎曲試驗為評價超高強鋼板成形性能的重要方法。

圖1 V型彎曲試驗過程

金屬板材V型彎曲試驗的過程如圖1所示。試驗開始時，試件首先自由彎曲，并向凹模工作表面靠攏，隨著凸模的下壓，試件與凸模三點接觸，并被凸模向外側撐開，直至凸模行程終了，凸模與凹模對試件進行整形校正，試件的圓角、直邊和凸模全部貼緊，一個彎曲過程結束。由圖1可見，試驗終了階段的貼模程度，如最終貼模后的整形力、貼模時凸凹模之間的間隙，都會影響試件表面的應力分布，從而對試件最終的彎曲回彈產生很大影響。因此，準確控制試驗終了階段模具與試件之間的間隙或者接觸載荷以提高試驗的可信度，是進行V型彎曲必須解決的問題。

目前，國內外各板材生產廠家在進行上述試驗時，通常是在普通液壓機或在電子萬能試驗機上進行。國內只有少數試驗機生產廠家研發了針對金屬板材彎曲試驗的試驗平臺。吉林省金力試驗技術有限公司生產的WB型微機控制電液伺服金屬板材彎曲試驗機，由具有三套伺服油缸組成的主機及伺服液壓源微機伺服控制系統組成，可對金屬板材進行彎曲、壓平試驗[2]；新三思公司生產的BHT5505微機控制彎曲試驗機為主機油源一體機，采用三油缸設計，可快速、自由調節跨距，能實現180°彎曲試驗[3]；鞍山鋼鐵學院設計生產的WJ-100型微機控制板材彎曲試驗機，由三個液壓缸及微機控制系統組成，采用箱型焊接結構，用于厚板彎曲試驗，并已被鞍鋼中厚板廠應用[4]。

上述試驗機在進行板材V型彎曲試驗時均存在以下問題：（1）主要進行180°彎曲試驗，沒有針對V型彎曲試驗尤其是控制試驗終了階段的試件貼模控制；（2）自動試驗過程控制只能在工控機上進行，操作復雜；（3）模具更換不方便，且實驗員需站立操作，降低了試驗效率，增加了勞動強度。因此需要建立一個新的彎曲試驗平臺來解決上述問題。本文針對BTM30彎曲試驗機硬件及軟件系統的建立進行介紹，并針對測試精度進行分析，為進一步研究提供試驗基礎。

1 試驗機功能及技術指標

BTM30彎曲試驗機為三梁四柱式，加載裝置為單桿式活塞液壓缸，能夠實現以下功能：

（1）針對V型彎曲試驗特點，可以通過載荷或者位移控制試驗的完成，并可對試件進行整形試驗；

（2）可使用觸摸屏對試驗機參數進行設定，完成自動或手動試驗，同時工控機也可對試驗機進行控制；

（3）使用電磁鐵對模具進行裝卡固定，從而快速換模；根據人體工程學對試驗平臺尺寸設計，使實驗員為坐姿操作，減少勞動強度。

試驗機的結構示意圖如圖2所示。

圖2 試驗機機架結構示意圖

由《金屬薄板成形性能與試驗方法—彎曲試驗》（GB/T15825.5-2008）中的規定可知，做彎曲試驗可以使用材料試驗機或油壓機等設備，并且需要參考四個方面的技術條件：試驗機應保證彎曲變形所需的工作載荷；試驗機工作速度（0.8～3.3）×10-4m/s；試驗機檢測裝置能顯示凸模運動行程，顯示誤差不大于0.1 mm；試驗機與試驗裝置配有適當的測量裝置，以便直接讀取彎曲角數值。通過對超高強鋼板V型彎曲及整形所需載荷進行計算，獲得試驗機技術指標如表1所示。

表1 試驗機技術指標

2 試驗機硬件系統

2.1 試驗機液壓系統

根據試驗要求，要能夠分別對液壓缸活塞的速度和載荷進行控制。考慮到試驗機的執行油缸為立式，為平衡活塞的重力作用，采用出口節流調速系統調節速度與位移，采用定量泵-溢流閥、比例溢流閥調節系統壓力與彎曲試驗載荷。試驗機液壓原理圖見圖3。

圖3 試驗機液壓原理圖

液壓系統主要原理為：電機帶動葉片泵供油，液壓油通過電磁換向閥1進入液壓缸做功，回油通過比例調速閥控制速度與位移，比例溢流閥用來調節系統壓力，進而控制液壓缸載荷；電磁換向閥2可在不需活塞做功時導通，使系統壓力為零，從而減少電機做無用功所帶來的熱量。

2.2 試驗機測控系統

檢測控制系統直接決定了試驗機的試驗精度、試驗功能以及可操作性，其可靠性和抗干擾性對試驗機至關重要，同時要充分發揮軟件在控制上的靈活性。為此，本系統采用PLC對試驗機進行控制，完成信號的采集、發送以及復雜控制的實現。

通過分析V型彎曲試驗機的試驗過程，結合液壓系統工作原理，設計出試驗機的測控系統結構圖，如圖4所示。其主要原理為：PLC負責與觸摸屏以及工控機連接通訊，輸入端采集手動按鈕及光柵尺、壓力傳感器信號，輸出端控制調速閥、溢流閥及換向閥，從而控制凸模運動。

3 試驗機軟件系統

試驗機的控制軟件系統包括PLC、觸摸屏、工控機三套軟件，不同的控制軟件其功能也不同，如圖5所示。

3.1 PLC程序

PLC程序主要控制凸模換向、凸模速度、調節系統壓力以及采集位移。使用的是工業上應用廣泛的PID控制算法，分別對凸模速度及凸模載荷進行控制，并根據元件特性通過多次試驗設置最優的PID參數。

使用STEP7 MicroWIN V4.0對S7-200 PLC進行編程。使用梯形圖編寫完PLC程序后需將所使用的變量表保存，為觸摸屏及工控機程序的編寫做準備。

圖4 試驗機測控系統結構

圖5 控制軟件組成及功能

3.2 觸摸屏程序

觸摸屏直接與PLC通訊，其程序需實現試驗參數的設置、控制試驗的啟停、監測試驗的狀態等人機交互功能。觸摸屏與PLC使用MPI協議通訊，使用串口線進行連接。

試驗機使用的觸摸屏為西門子MP277，組態軟件為WinCC Flexible 2008 SP2。首次使用觸摸屏時需要對其進行相應的通訊設置，方可與組態計算機進行連接。

3.3 工控機軟件

工控機上的控制軟件采用Visual C++開發，運行環境為Windows操作系統，主要完成數據管理、傳感器標定以及試驗過程監視功能。軟件利用PC Access建立OPC服務器，通過OPC Server實現上、下位機的通訊。工控機與PLC使用以太網線進行連接，通訊協議為TCP/IP。

4 試驗機系統及精度分析

4.1 試驗機系統

圖6為試驗機調試完成后安裝在寶鋼股份研究院的照片。

圖6 超高強鋼板V型彎曲試驗機

4.2 位移精度分析

（1）圖7為試驗機復位后，分別以10、20、30、40、50（單位：mm/min）的速度手動將凸模下降至與凹模接觸載荷大于5 kN停止時所顯示的位移值。由圖7可見，同一速度下，凸模位移值偏差最大值為0.01 mm，在±0.05 mm以內，完全滿足對位移重復精度的技術要求。

圖7 不同速度下凸模到達下極限的位移值

（2）圖8為試驗機復位后，分別以10、20、30、40、50（單位：mm/min）的速度手動將凸模下降至設定位移值（90.21 mm），凸模停止后所顯示的位移值。由表可見，同一速度下，凸模位移值與設定位移偏差最大為0.03 mm，在±0.05 mm以內，完全滿足對位移控制精度的技術要求。

圖8 不同速度下凸模到達設定位置的位移值

4.3 載荷精度分析

表2為試驗機顯示的凸模載荷值與標準載荷傳感器載荷值的對比結果。由表2可見，幾組測試中，實測載荷與設定載荷的偏差最大為0.4%，在±1%內，完全滿足對載荷控制精度的技術要求。

表2 載荷校準值

5 結論

（1）根據超高強鋼板V型彎曲的試驗規范及要求，通過對液壓系統、測控系統以及軟件系統的設計，建立了專門針對超高強鋼板彎曲試驗的試驗平臺，實現了載荷控制、位移控制以及整形控制。

（2）使用WinCC Flexible對觸摸屏進行組態，使用Visual C++對工控機軟件進行編寫，工控機利用OPC Server與PLC建立連接，實現了觸摸屏與工控機同時與PLC進行通訊控制的功能。

（3）通過測試不同速度下試驗機的位移重復精度、位移控制精度，以及不同載荷設定值下試驗機的實際載荷值，得出試驗機在位移、載荷控制精度上已達到技術要求，可為后期研究提供可靠的試驗基礎。

［1］康永林，陳貴江，朱國明，等.新一代汽車用先進高強鋼的成形與應用［J］.鋼鐵，2010，8（45）：1-6.

［2］吉林省金力試驗技術有限公司.產品介紹［EB/OL］. http：//www.jltester.com.cn/cpjssub.asp id=682，2013-3-25.

［3］新三思集團.產品介紹［EB/OL］.http：//www. mtschina.com/sans01.asp articleid=113&classid= 32，2013-3-25.

［4］王若拙.WJ-100型微機控制板材彎曲試驗機的研究［J］.鞍鋼技術，1997（1）：59-62.

Development of V-Bending Test Machine for Ultra-High-Strength Steel Sheet and Analysis of Load Precision

WANG Yu-long1，WU Xiang-dong1，LU Xu1，DIAO Ke-shan2，WAN Min1
（1.School of Mechanical Engineering and Automation，Beihang University，Beijing100191，China；2.Automobile Steel Research Institute，Baoshan Iron and Steel Co.，Ltd.，Shanghai 201900，China）

A V-bending test machine with the ability to control force，displacement，speed and shaping has been developed specifically for ultra-high-strength steel sheet.The touch panel is configured by WinCC Flexible，the software on IPC is programmed by Visual C++，and both can control the machine at the same time.Relevant test results show that the test machine is accurate enough to be used for later research.

ultra-high strength steel sheet；bending test machine；V-bending

TP23

：A

：1009－9492(2014)10－0006－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.10.002

王雨龍，男，1988年生，山西運城人，碩士研究生。研究領域：金屬板料成形技術。

(編輯：阮 毅)

2013－04－22