大型復雜高強度鋼板逐點靜壓矯正工藝研究

王以琦，施建華，鄭 練，李 超，馬 丹

(中國兵器工業新技術推廣研究所，北京 100089)

大型復雜高強度鋼板逐點靜壓矯正工藝研究

王以琦，施建華，鄭 練，李 超，馬 丹

(中國兵器工業新技術推廣研究所，北京 100089)

針對大型復雜高強度鋼板成形后的矯正手段落后，無法實現量化矯正，而且加工精度低，通過理論與試驗研究相結合、以試驗研究為主的技術路線，研發出了新型工藝方法、工裝設備以及相應軟件，制定和建立了工藝規范和數據庫，完成了工程化應用。技術指標滿足要求，可產生良好的經濟效益和社會效益，推廣應用前景良好，實現了多項突破和創新，不僅解決了成形等技術難題，還大幅度提高了產品質量和生產效率，綜合水平達到了國內同行業領先。

逐點靜壓矯正；高強度鋼板；量化矯正

1 研究目標

逐點靜壓矯正是大型復雜高強度鋼板復合成形技術中的一項子技術，也是其中一個工序。本研究目標是解決前道工序熱壓成形產生的應力變形，實現本身工序的量化控制，并為后續三維激光切割工序創造良好的加工條件，特別是滿足整體工藝技術指標的要求。

大型復雜高強度鋼板矯正工藝技術研究遇到的難題是零件為復合成形件，矯正條件復雜且難度大。之前矯正采用的是較為傳統的工藝方案，即在零件各個工作平面，用壓力機對變形零件進行反向形變加壓，通過在施壓點工件下面兩側塞入支承件，加壓使零件彎曲，實現反彎曲校正。采用該方法獲得零件校正和內應力釋放的結果不理想，校正后的零件放置(時效)一段時間后仍有明顯形變發生；另外，還需要在材料表面逐點進行大錘打擊，以獲得零件內應力釋放。該加工方法存在加工困難、效率低、校正難度大、合格率低和環境噪聲大的缺點，不適合大批量生產。針對上述問題，本文研究了矯正生產新工藝，獲得了相關工藝參數，并設計出相應工裝，從根本上解決了問題。

2 研究和設計

2.1 基本原理、技術特點和主要研究內容

板材熱成形零件存在殘余應力是板材成形中不可避免的現象，它與零件成形狀態、板材厚度、材質、力學性能和熱處理等有關，殘余應力的存在會導致板材變形。彈塑性變形原理表明，彈性變形可逆，卸載時彈性應變能釋放，物體變形得以部分或完全恢復。當載荷超過屈服極限時產生塑性變形，而塑性變形不可恢復，對于板材的成形及矯正而言，材料會出現壓痕，從而影響材料質量。采用新的矯正方法矯正時所產生的變形應當在彈塑性變形之間，通過施加載荷使工件變形部分產生逆變形，卸載后工件變形部分又適量回彈至合適位置，同時沒有明顯壓痕。載荷大小根據材料的屈服極限、經驗公式和試驗決定。

逐點靜壓矯正技術是采用逐點靜壓的方法對成形后的板材進行矯正，可達到幾何公差的要求，板材成形后的形狀、尺寸誤差會明顯減小，可提高成形板材的矯正精度及使用標準，達到板材調平的目的。將逐點靜壓矯正技術應用于高強度鋼板熱壓后的矯正，可以克服傳統人工機械矯正或火焰矯正方法存在的弊端，有效提高矯正質量和效率，可取代傳統依靠人工經驗的矯正方法，實現量化矯正。

逐點靜壓矯正是在參考其他零件矯正技術基礎上(如逐點擠壓矯正和多種成形)而自行開發的新技術。采用液壓壓力矯正機，考慮利用圓柱形壓頭直接逐點擠壓變形點或區域，以消除因熱壓成形后殘余應力造成的變形并消除殘余應力。矯正機由數控系統操控。

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上，通過對零件表面施加若干點適度的靜壓外力，使零件材料被壓點處產生彈性和塑性變形之間的狀態，從而使得零件的內應力獲得釋放。根據鋼板零件成形的不同位置產生的不同應力狀態，選擇不同的施力方式來達到零件矯正的目的。試驗和試生產已經證明，采用本技術，基本實現了無回彈矯正，達到了提高矯正精度的目的。

基于已掌握的鋼板靜壓矯正規律和方法，通過試驗，研究了某零件矯正力及施力點對內應力釋放的影響，開展了矯正力及施力面積參數的研究分析，確定了最適宜的壓頭規格；對逐點靜壓矯正用龍門移動液壓機的工裝進行了設計研究改進，以確保零件矯正精度；針對熱壓成形后每批零件的各個相同位置及近似的變形狀態進行了靜態試壓，并通過數控記錄參數找到一般規律，研究制定了工藝過程和工藝參數，實現了定量矯正，保證了零件工作面凹槽與加強筋凹槽無變形現象，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

根據理論分析研究和前期成果，特別是通過工藝試驗，研究制定了現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則，激光切割設備對工件精度要求高，為完成激光切割外形，必須進行整形矯正。經試驗確定，設備使用壓力約550 t即可完成整形矯正，并保證工序全部要求。根據掌握的鋼板變形規律進行逐點矯正，之后通過試制試驗、試驗驗證和工程化應用不斷完善，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、矯正力、施力速度和施力面積對矯正效果的影響規律，以形成不同規格零件靜壓矯正的工藝參數，實現定量、高效和精確矯正。通過試驗和研究可知，上述參數相互之間關聯度不高，同時分析反而增加研究難度，實際生產中需要調控的量偏多，控制程序結構復雜，弊多利少。在之后的試驗研究過程中,采取了簡化優化措施，改進了試驗研究的技術路線，減少了需要調節對象的數量，對于調節量盡量采取定值控制。最終，在滿足后續工序和整體工藝要求的情況下，達到了方便分析、工藝簡化、程序結構簡單和操作簡單的效果。

根據試驗結果，按照簡化各控制量之間的關系以及安全可靠的原則，確定了工藝方案和相關參數。

2.3 工藝參數的確定

2.3.1 壓力機行程

壓力機行程不需調節，統一為壓實(板材和模具之間不留空隙)。壓力機最大行程為800 mm，通過試驗，確定壓力機通常行程范圍。壓頭抬起的行程根據變形量大小可調，目的是為了減少回程量，提高工作效率。壓頭抬起行程由數控機床調節，調節量為距離壓塊10～30 mm。

2.3.2 壓力機壓力

參考其他理論研究，結合前期試驗結果，研究制定了逐點靜壓矯正力經驗計算公式如下[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分別為計算系數，A=1 300～1 400，B=40～60。

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

Pz=2 063 (kN)≈210 (t)

最終確定的實際使用矯正壓力適當留有裕量，約300 t，此時零件處于彈性和塑性變形之間，完成整形矯正，達到要求的矯正精度。對應于同一批次零件不同點的矯正，壓力機壓力在工作過程中不需調節。

2.3.3 矯正速度

通過試驗確定了壓力機的工作速度，壓力機矯正時的運動速度一般無需調節，采用定值；但為了提高工作效率，分了不同的速度區間。開始下壓時和回程為快速，接近工件時和接觸工件后速度減慢，實際共有4種速度，由控制程序自動調用執行。

2.3.4 矯正點數量及其分布規律

零件矯正與其材料、厚度，特別是前一道熱壓復合成形工藝密切相關。對某規格零件壓形后的變形情況進行了測量，結果表明，各批次之間存在著大致相同的規律，熱壓成形所造成的變形一般為大彎且基本為突起方向，主要變形區域各點變形量約在25～55 mm。根據試驗結果繪制的變形量數值示意圖如圖1所示。

圖1 變形量數值示意圖

試驗過程中矯正點數量及其分布與后來確定的有較大差異。試驗驗證后確定的基本工藝方法和矯正點數量如下：在零件的加強筋處若干固定位置實施逐點靜壓矯正，橫向矯正點數量基本固定；縱向矯正點數量由零件長度而定，處于相同區域的點基本屬于等距離分布?，F行工藝矯正位置如圖2所示。

圖2 現行工藝矯正位置示意圖

依照通過試驗確定的參數，編程形成DNC程序，再由數控系統操控壓力機對工件進行處理。

2.4 其他設備的設計和選擇

2.4.1 矯正設備選擇

矯正設備為數控龍門移動液壓機。其主液壓缸壓頭可在工作臺平面內任意移動，三坐標方向均可定位，可用于校正中、厚板，結構件以及一定厚度以下的高強度鋼板。

2.4.2 壓頭設計和選擇

壓頭材料采用60Si2MnA，調質處理，壓頭工作面淬火3～5 mm厚。壓頭采用系列尺寸設計，以滿足不同用途需要，目前主要設計了2種直徑的壓頭。壓頭結構和與模具的配合使用如圖3所示。

圖3 壓頭結構和與模具的配合使用

試驗中發現，使用圓形壓頭直接壓在鋼板上，有時表面產生壓痕，經反復試驗研究，實際試驗生產中壓頭壓在矩形壓塊上，可保證零件表面質量。

2.4.3 矯正平臺設計

根據所研制產品的實際情況，設計了矯正平臺，即模具。矯正平臺采用特種鋼材料經整體加工而成，作為活動工作臺放置于專用設備固定平臺上。矯正平臺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到批量化整形和矯正。試驗用矯正平臺、矯正壓頭和最初矯正位置如圖4所示。

圖4 矯正平臺、矯正壓頭和最初矯正位置示意圖

經過試驗，矯正位置發生了改變，但矯正平臺結構基本保持了原來的設計思想。

3 試驗

3.1 初步試制試驗

基于逐步逼近的原則進行了幾個樣件的試制。最初的試驗方案為：零件按結構自然分為若干個區域，在不同區域內按順時針間斷地逐點矯正，矯正點數量則根據變形情況選擇為每區域幾個到十幾個點；中部2個區域矯正點數相對較多。試驗過程中發現，此方案矯正點數過密過多，工作量大，故調整了方案，根據實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)的基礎上增加10%。矯正位置和壓下量數值示意圖如圖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值示意圖

圖6 矯正過程示意圖

試驗后經過測量，大部分點滿足關于成形精度的2個主要技術指標，總體效果尚可，但仍然存在如下4個方面問題：1)由于變形量不同，各矯正點壓下行程不同，需要調節，壓力機動作繁瑣；2)矯正點數仍然較多，工作周期長，效率難以提高；3)難以完全擺脫人工判斷(測量)；4)從控制的角度來看，盡管可以實現自動控制，編制出程序，但程序結構和動作過程都比較復雜，需要簡化和改進工藝方法。

3.2 后續試制試驗

通過進一步專門的研究試驗，繼續探索規律，擬訂了如下方法：在零件的加強筋處若干固定位置點實施逐點靜壓矯正，處于相同區域的點基本屬于等距離分布；同時，壓力機行程不需調節，壓力機壓實(板材和模具之間不留空隙)為止。依照新的方法，對2種規格都各進行了2個批次的試制。在整個試制試驗期間，不斷修改完善了數控系統的控制程序，并根據實際情況使用了矩形壓塊。試驗結果表明，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個技術指標呈不斷優化趨勢。通過試制試驗，確定了實際使用的壓力和壓力機行程，同時也基本確定了矯正部位和矯正點數量。

通過這一階段的試驗探索，產品質量和生產效率都得到大幅度提高。矯正點數由幾十個減少到十幾個，矯正部位由隨機到固定位置，簡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 試驗驗證

通過試驗驗證來進一步驗證生產中試件的質量和指標的穩定性。驗證過程中，改進了工藝方法，同時對控制程序也進行了微調，使結構得到了改善，并完善了模具設計。試驗驗證表明，上述各槽底部的輪廓度和主體平面度2個技術指標，全部滿足項目要求，從而完全滿足后續三維激光切割工序和整體工藝要求，矯正效率也遠遠超過預期。

后期又進行了工程化應用，對2種規格的零件進行了小批量生產。工程化應用后，正式制定了逐點靜壓矯正操作指導書。

4 結語

通過理論與試驗研究相結合、以試驗研究為主的技術路線，研發出了新型工藝、工裝設備以及相應軟件，制定了工藝規范，實現了工程化應用。

新型工藝實現了多項突破和創新：1)實現了自動化量化矯正，保證了矯正精度，提高了生產效率，降低了環境噪聲，提高了零件的表面質量狀態；2)形成了在零件特定位置若干點實施矯正的有效工藝方法；3)形成了逐點靜壓矯正壓力的計算經驗公式；4)矯正效率提高了2倍。

技術指標達到或超過了規定的要求，技術的經濟、社會效益和推廣應用前景良好，生產企業每年可節創超過百萬元，可將該矯正方法應用到所有同類零件的熱壓復合成形生產中，除解決了成形等技術難題外，還大幅度提高了產品質量和生產效率，綜合水平達到了國內同行業領先。

[1] 田錫唐，鐘國柱，郭海丁，等. 鋁合金薄壁結構法蘭焊后逐點擠壓矯形工藝的研究[J]. 焊接，1988(2)：18-21.

責任編輯鄭練

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，研究員級高級工程師，主要從事工業生產自動控制等方面的研究。

2014-12-29