金屬板材彎曲成形控制方法與流程

本方法涉及金屬板材加工技術，具體的說是一種提高金屬板材彎曲成形精度的方法。

背景技術：

彎曲成形是工業生產中重要的鈑金件生產方法之一。在鈑金構件的生產加工過程中，由于金屬材料本身的彈性變形回復，會導致鈑金件的角度變大。而且不同廠商、不同規格的原材料在性能上波動很大，致使材料彎曲變形后的回彈量不同，容易造成結構件的成形精度不穩定。因此在成型加工時，有效地避免回彈，提高成形精度顯得十分重要。

對此，專利文獻1中，通過設計一種新的V形件彎曲模來減小回彈，提高沖壓件的成形精度，但這種方法有較大的局限性，它只能應對一種成形角度的彎曲加工，并且成形件尺寸固定。如果成形件的成形角度發生變化，或者成形件的尺寸加大時，該模具就無法使用，需要重新加工一套對應角度和尺寸的模具。由此導致生產周期過長，成本太高。

專利文獻2中，一種可調節彎曲回彈量且可進行角度補償的V形90°自承位彎曲回彈角度可調節模具，它包括有凸模和凹模，所述的凸模包括有上模座，上模座兩端連接有可調節凸模下端沖壓角度的調節角邊板，所述調節角邊板通過彎曲半徑軸聯接；所述凹模包括下模座，下模座上端鉸接有左右自承重板。

該專利雖然可以對成型的角度進行調節補償，但是角度的調節過程也需要反復進行彎曲實驗，測試成形角度，估算出回彈量，然后調節模具角度進行補償。該方法需要的人工操作過多，無法實現自動化控制。另外這種方法使用的模具較為復雜，使用時間久了，模具會變形，同時如果要彎曲大型彎曲件，就需要較大的模具，該種設計的模具的剛度就很難保證，成形過程中模具本身難免發生撓曲或變形，影響成型質量。

專利文獻

專利文獻1：CN203140585U

專利文獻2：CN201020102617

因此，本發明不直接控制回彈量大小，而是基于材料本身特性不同導致彎曲回彈量不同的原理，通過CAE仿真技術模擬彎曲過程得到金屬板材的回彈量與彎曲角度、材料性能、板材厚度的之間關系數據庫。在實際彎曲前就可以知道材料的回彈量，并提前進行補償， 使彎曲件一次成型就能滿足精度要求。可以實現對成形角度的自動控制，無需人工測量調整磨具。自動化程度高、成形精度高。本方法可以應對不同材料性能，不同板厚，不同成形角度的成形需求，都能加工出符合精度要求的產品。

技術實現要素：

本發明的目的在于，提供一種金屬板材彎曲成形控制方法，利用該方法可實現對板材彎曲角度的高精度控制。

本發明提供一種金屬板材彎曲成形控制方法，包括如下步驟：

(1)建立材料參數、成形角度、回彈量、上模下壓量之間的關系數據庫，包括

根據彎曲成形所用的模具的結構參數，建立彎曲成形的有限元仿真模型，在所述彎曲成形的有限元仿真模型中輸入所述用于模擬的金屬板材的材料參數，對所述用于模擬的金屬板材的所述彎曲成形的過程進行模擬從而得出對應成形角度的模擬回彈量的大小，所述模擬回彈量作為添加至所述關系數據庫中的回彈量，

在測得不同金屬板材的材料參數之后，基于所得到的所述彎曲成形的有限元仿真模型對所述不同金屬板材的所述彎曲成形的過程分別進行模擬，針對所述不同金屬板材的每一金屬板材建立材料參數、成形角度、回彈量、所述模具的上模下壓量之間的所述關系數據庫；

(2)沖裁下料、反求材料參數，包括

對被加工的金屬板材進行沖裁加工，從而得到坯料，

測量得到所述被加工的金屬板材在沖裁實驗中的實驗載荷-行程曲線，利用反求板材的實際物理參數的方法建立有限元仿真模型，進行沖裁模擬，迭代反求所述被加工的金屬板材的材料參數；

(3)對比所述關系數據庫中的材料參數和反求得到的所述被加工的金屬板材的材料參數，包括

對比所述關系數據庫中的材料參數和所述被加工的金屬板材的材料參數，

若在所述關系數據庫中存在與所述被加工的金屬板材的材料參數之間的誤差小于第二閾值的參考材料參數，則執行彎曲成形操作，

若在所述關系數據庫中不存在與所述被加工的金屬板材的材料參數之間的誤差小于第二閾值的參考材料參數，則利用所述反求得到的所述被加工的金屬板材的材料參數進行與建立所述關系數據庫的步驟中相同的彎曲成形過程的模擬，將模擬得到的所述 被加工的金屬板材的材料參數、成形角度、回彈量、上模下壓量之間的關系添加至所述關系數據庫，所述反求得到的所述被加工的金屬板材的材料參數是所述關系數據庫中的所述被加工的金屬板材的參考材料參數，然后執行彎曲成形操作；

(4)彎曲成形操作，包括

輸入彎曲角度，

根據參考材料參數對應的成形角度與實施彎曲成形操作的彎曲成形機的所述模具的上模下壓量的關系式，計算出所需的上模下壓量，并將所述所需的上模下壓量發送給所述彎曲成形機，以控制所述彎曲成形機對所述坯料進行彎曲成形。

利用上述方法，本發明不直接控制回彈量大小，而是基于材料本身特性不同導致彎曲回彈量不同的原理，通過CAE仿真技術模擬彎曲過程得到金屬板材的回彈量與彎曲角度、材料性能、板材厚度的之間關系數據庫。在實際彎曲前就可以知道材料的回彈量，并提前進行補償，使彎曲件一次成型就能滿足精度要求。可以實現對成形角度的自動控制，無需人工測量調整磨具。自動化程度高、成形精度高。本方法可以應對不同材料性能，不同板厚，不同成形角度的成形需求，都能加工出符合精度要求的產品。

本發明提供一種金屬板材彎曲成形控制方法，彎曲成形所用的所述模具的所述結構參數包括所述模具的上模圓角半徑、下模開口。

將模具的上模圓角半徑、下模開口作為模具的結構參數來建立彎曲成形的有限元仿真模型，能夠用較少的參數得到高度仿真實際彎曲成形條件的有限元仿真模型，提高建立有限元仿真模型的效率。

本發明提供一種金屬板材彎曲成形控制方法，在建立彎曲成形有限元模型時，進行所述彎曲試驗從而得到所述用于模擬的金屬板材的實際回彈量的大小，并計算所述實際回彈量的大小和所述模擬回彈量的大小之間的差值，若所述差值超過第一閾值，則對所述有限元仿真模型的網格尺寸大小進行細化，再次進行模擬，直到所述差值小于所述第一閾值。

利用上述方法，CAE仿真技術模擬彎曲過程的精度可以達到98％，，并且預測值約等于實際值。從而進一步保證了彎曲件一次成型就能滿足精度要求。可以實現對成形角度的自動控制，無需人工測量調整磨具。自動化程度更高、成形精度更高。

本發明提供一種金屬板材彎曲成形控制方法，在建立材料參數、成形角度、回彈量、上模下壓量之間關系數據庫時，所用的所述材料參數是材料檢測時的拉伸試驗測得的材料的性能參數和流動應力曲線。

利用流動應力曲線作為材料參數進行彎曲成形有限元模擬可以獲得較高的模擬精度 和效率。

本發明提供一種金屬板材彎曲成形控制方法，所述第一閾值為2％。

本發明提供一種金屬板材彎曲成形控制方法，對所述彎曲成形的過程進行模擬，記錄下不同彎曲角度θ′和下壓量ΔH之間的關系，然后再利用所述有限元仿真模型預測出不同彎曲角度θ′所對應的回彈量Δθ的大小，由此得到不同彎曲角度θ′與回彈量Δθ之間的關系，根據成形角度θ、彎曲角度θ′和回彈量Δθ之間的關系θ＝θ′+Δθ，得到成形角度θ與下壓量ΔH之間的關系。

本發明提供一種金屬板材彎曲成形控制方法，所述第二閾值為1％。

本發明提供一種金屬板材彎曲成形控制方法，若在所述關系數據庫中不存在與所述被加工的金屬板材的材料參數之間的誤差小于所述第二閾值的所述參考材料參數，則將所述反求得到的所述被加工的金屬板材的材料參數輸入至所述有限元仿真模型，并進行所述彎曲成形的過程的模擬，從而得到所述被加工的金屬板材的成形角度θ和下壓量ΔH之間的關系，并將所述被加工的金屬板材的成形角度θ和下壓量ΔH之間的關系發給所述關系數據庫。

步驟(1)可以在彎曲加工前就做好，對不同廠商、不同規格、不同批次的，不同厚度的材料進行測試、模擬。數據庫里材料的類別、規格、批次越全，則彎曲加工時就可以直接在數據庫中找到對應材料成形角度和下壓量關系，實現高速、高精度的控制。如果數據庫不夠豐富，那么有可能無法找到與被加工材相近的材料，那么第一次彎曲就需要對被加工材進行彎曲模擬，然后得出成形角度和下壓量關系，這樣會需要一次額外的彎曲仿真時間。

為讓本發明的上述內容能更明顯易懂，下文特舉優選實施例，并結合附圖，作詳細說明如下。

附圖說明

下面將結合附圖詳細說明本發明的具體實施例。

圖1顯示為本發明的數據庫建立流程示意圖。

圖2顯示為本發明的沖裁下料和彎曲成形流程示意圖。

圖3顯示為一種常見的冷軋薄鋼板的流動應力曲線。

圖4顯示為彎曲成形有限元仿真模型。

圖5顯示為彎曲模擬示意圖。

圖6顯示為模擬回彈量與實驗回彈量的對比。

圖7顯示為彎曲時上模下壓量和彎曲角度的關系示意圖。

圖8顯示為模擬彎曲加工時，得到的彎曲角度與上模下壓量的關系,(86°-96°附近)。

圖9顯示為模擬彎曲加工時，得到的彎曲角度與回彈量的關系,(86°-96°附近)。

圖10顯示為材料A、B的成形角度與上模下壓量的關系,(86°-98°附近)。

圖11顯示為材料X的成形角度與上模下壓量的關系,(84°-98°附近)。

圖12顯示為彎曲模具示意圖。

具體實施方式

以下參照附圖對本發明的具體實施方式進行說明。

[數據庫建立]

本發明提供一種金屬板材彎曲成形控制方法，包括如下步驟：

(1)建立材料參數、成形角度、回彈量、上模下壓量之間的關系數據庫，包括

根據彎曲成形所用的模具的結構參數，建立彎曲成形的有限元仿真模型，在彎曲成形的有限元仿真模型中輸入用于模擬的金屬板材的材料參數，對用于模擬的金屬板材的彎曲成形的過程進行模擬從而得出對應成形角度的模擬回彈量的大小，模擬回彈量作為添加至關系數據庫中的回彈量，

在測得不同金屬板材的材料參數之后，基于所得到的彎曲成形的有限元仿真模型對不同金屬板材的彎曲成形的過程分別進行模擬，針對不同金屬板材的每一金屬板材建立材料參數、成形角度、回彈量、模具的上模下壓量之間的關系數據庫；

(2)沖裁下料、反求材料參數，包括

對被加工的金屬板材進行沖裁加工，從而得到坯料，

測量得到被加工的金屬板材在沖裁實驗中的實驗載荷-行程曲線，利用反求板材的實際物理參數的方法建立有限元仿真模型，進行沖裁模擬，迭代反求被加工的金屬板材的材料參數；

(3)對比關系數據庫中的材料參數和反求得到的被加工的金屬板材的材料參數，包括

對比關系數據庫中的材料參數和被加工的金屬板材的材料參數，

若在關系數據庫中存在與被加工的金屬板材的材料參數之間的誤差小于第二閾值的參考材料參數，則執行彎曲成形操作，

若在關系數據庫中不存在與被加工的金屬板材的材料參數之間的誤差小于第二閾值的參考材料參數，則利用反求得到的被加工的金屬板材的材料參數進行與建立關系數據庫的步驟中相同的彎曲成形過程的模擬，將模擬得到的被加工的金屬板材的材料參數、成形角度、回彈量、上模下壓量之間的關系添加至關系數據庫，反求得到的被加工的金屬板材的材料參數是關系數據庫中的被加工的金屬板材的參考材料參數，然后執行彎曲成形操作；

(4)彎曲成形操作，包括

輸入彎曲角度，

根據參考材料參數對應的成形角度與實施彎曲成形操作的彎曲成形機的模具的上模下壓量的關系式，計算出所需的上模下壓量，并將所需的上模下壓量發送給彎曲成形機，以控制彎曲成形機對坯料進行彎曲成形。

彎曲成形所用的模具的結構參數包括模具的上模圓角半徑、下模開口。

在建立彎曲成形有限元模型時，進行彎曲試驗從而得到用于模擬的金屬板材的實際回彈量的大小，并計算實際回彈量的大小和模擬回彈量的大小之間的差值，若差值超過第一閾值，則對有限元仿真模型的網格尺寸大小進行細化，再次進行模擬，直到差值小于第一閾值。

在建立材料參數、成形角度、回彈量、上模下壓量之間關系數據庫時，所用材料參數是材料檢測時的拉伸試驗測得的材料的性能參數和流動應力曲線。

對彎曲成形的過程進行模擬，記錄下不同彎曲角度θ′和下壓量ΔH之間的關系，然后再利用有限元仿真模型預測出不同彎曲角度θ′所對應的回彈量Δθ的大小，由此得到不同彎曲角度θ′與回彈量Δθ之間的關系，根據成形角度θ、彎曲角度θ′和回彈量Δθ之間的關系θ＝θ′+Δθ，得到成形角度θ與下壓量ΔH之間的關系。

若在關系數據庫中不存在與被加工的金屬板材的材料參數之間的誤差小于第二閾值的參考材料參數，則將反求得到的被加工的金屬板材的材料參數輸入至有限元仿真模型，并進行彎曲成形的過程的模擬，從而得到被加工的金屬板材的成形角度θ和下壓量ΔH之間的關系，并將被加工的金屬板材的成形角度θ和下壓量ΔH之間的關系發給關系數據庫。

下面結合具體數值說明本發明的實施例。在本實施例中，以板厚為1.2mm的兩個不同廠家的同種低碳鋼板材為研究對象，分別編號A,B。利用SHIMADZU萬能拉伸試驗機對A，B兩種材料進行室溫拉伸試驗，測得A,B兩種材料的載荷位移曲線，并根據理論公式計算出兩種材料對應的流動應力曲線和力學性能參數，以便在模擬彎曲成形時作為表征材料力 學特性的輸入參數。得到的流動應力曲線如圖2所示。可以發現不同廠家生產的同種材料流動應力曲線相差較大，說明材料的性能有很大差別。應證了材料的性能差異較大的情況。

考慮到在實際工業生產中，90度的彎曲加工是最為常見的一種加工方式，所以本實施例以90度彎曲加工為例來說明。根據彎曲對象的厚度不一樣，所需要的彎曲模具的上模圓角半徑、下模開口等參數是根據厚度變化的，薄板選用較小的上模圓角半徑和下模開口，厚板選用較大的上模圓角半徑和下模開口。本實施例中以彎曲1.2mm厚的板材為例來說明，所以模具也選用適合1.2mm厚板材彎曲的常用參數，分別是上模夾角設為86度，圓角半徑設為1.2mm，下模開口設為8mm，如圖12所示。根據實際彎曲模具的參數，即：上模夾角86度、圓角半徑1.2mm，下模開口8mm；利用有限元仿真軟件—LS-DYNA建立簡化的彎曲成形有限元仿真模型，如圖4所示。在有限元仿真模型中將模具定義為剛體，即不可變形；并把拉伸實驗測得的流動應力曲線作為有限元仿真模型的輸入數據。對板材的彎曲成形過程進行有限元仿真，模擬彎曲到90度后的板材如圖5所示，然后再利用有限元方法模擬預測出對應彎曲角度的模擬回彈量大小。雖然在本實施例中以90度彎曲加工、彎曲1.2mm厚的板材、上模夾角設為86度、圓角半徑設為1.2mm、下模開口設為8mm為例，但該具體數值只是用于說明本發明，而本發明并不局限于以上具體數值，而可以根據實際需要為任意數值。

為了驗證建立的有限元仿真模型的精度，本發明對材料A、B按照實際生產狀態利用圖12所示的模具進行彎曲成形，彎曲后先測得回彈前的角度θ′，然后移除上模，再測得回彈后的角度θ，兩者相減，計算出實際回彈量Δθ。將實際回彈量與模擬回彈量進行對比，如果兩則的誤差小于第一閾值，例如，2％，則說明建立的彎曲成形的有限元仿真模型精度可靠。如果兩則誤差大于2％，則合理細化有限元仿真模型的網格尺寸，以提高模擬計算精度，直到模擬回彈量和實驗回彈量的誤差小于2％。本實施例中，對有限元仿真模型進行了細化，發現板材的厚度方向的有限元網格尺寸對模擬精度影響最大，厚度方向網格越細，精度越高，當厚度方向的網格細化到板材厚度的1/7時，繼續細化尺寸，精度的提升很有限，但模擬的時間因為網格太細而變得很長。因此，本例中最佳的厚度方向網格尺寸在板材厚度的1/7。本例中A，B兩種材料的模擬結果和實驗結果的對比如圖6所示，A，B兩種材料的回彈模擬誤差分別為1％和1.5％，模擬的精度是滿足誤差小于2％的要求，所以把該彎曲成形有限元仿真模型作為后續其他材料仿真預測的通用模型。雖然在本發明中第一閾值為2％，但第一閾值并不局限于該具體數值，而可以根據實際需要做任意改變。

在彎曲過程中，彎曲的角度和上模下壓量之間存在關系，如圖7所示，所以可以通過 控制伺服彎曲機的上模壓下量來控制金屬板材的彎曲角度大小。基于前面建立的彎曲有限元仿真模型，模擬材料A的彎曲全過程，并記錄下沖頭的不同的上模下壓量和與之對應的彎曲角度，由此可得到不同彎曲角度和上模下壓量之間的關系。本實施例中彎曲的目標為90度，所以重點考察90度左右的彎曲情況，得到的彎曲角度與上模下壓量的關系如圖8所示(86°-96°附近)，彎曲角度時的回彈量大小，由此可得到不同彎曲角度與回彈量之間的關系，如圖9所示(86°-96°附近)。

根據成形角度θ、彎曲角度θ′和回彈量Δθ之間的關系：θ＝θ′+Δθ，可以得到成形角度與上模下壓量之間的關系，做線性分析后，可以得出材料A的成形角度θ和上模下壓量ΔH的關系符合如下公式：θ＝-36.719·ΔH+169.02,如圖10中A線所示。同理，對材料B也進行彎曲成形的有限元仿真模擬，得出材料B的成形角度θ與上模下壓量ΔH的關系θ＝-36.656·ΔH+170.03，如圖10中B線所示。

照此方法，測試不同廠商、不同規格、不同批次的材料，就可以建立起材料性能、成形角度、回彈量、上模下壓量之間的關系數據庫。針對不同厚度的材料，可以建立與彎曲對象厚度對應的上模圓角半徑和下模開口的彎曲成形的有限元仿真模型，并建立起材料性能、成形角度、回彈量、上模下壓量之間的關系數據庫。這樣數據庫就可以涵蓋不同廠商、不同規格、不同批次、不同厚度的材料的彎曲成形問題。

[沖裁下料]

對金屬板料X進行沖裁加工，在沖裁加工過程中對板材受到沖裁模具的力以及被沖裁部分的位移進行測量記錄，得到所述板材在實際沖裁時的載荷-行程曲線和彎曲成形前的坯料。利用之前專利(參見申請號為201310680718.5的申請)所述的方法建立沖裁過程的有限元仿真模型，給沖裁板材預設一個材料力學性能參數，對沖裁過程進行有限元仿真模擬。基于實際沖裁的載荷-行程曲線，結合建立的沖裁有限元仿真模擬，對板材X的力學性能參數進行分步迭代反求分析。約三十步迭代后的結果，載荷-行程曲線模擬值和實際沖裁時的載荷-行程曲線基本重合，兩者之間誤差小于1％，然后輸出反求得到的材料力學性能，并畫出對應的流動應力曲線。詳細的材料性能反求方法詳見在先申請，申請號：201310680718.5。

[彎曲成形例1]

將反求得到材料C的性能參數發送到彎曲成形機的控制單元。控制單元根據被加工材的力學參數畫出流動應力曲線，并與數據庫中的材料的流動應力曲線對比，如果發現材料A與材料C的流動應力曲線基本吻合，兩者誤差小于第二閾值，例如，1％，說明數據庫中 的材料A與材料C相近，材料A的材料參數是材料C的參考材料參數。因為材料的彎曲加工性能取決于材料的力學性能，由此可知C材料的彎曲加工性能也應該與A材料的彎曲加工性能相近。雖然在本發明中第二閾值為1％，但第二閾值并不局限于該具體數值，而可以根據實際需要做任意改變。

那么就可以用材料A的成形角度與上模下壓量之間的關系：θ＝-36.719·ΔH+169.02來確定材料C的加工條件。輸入成形角度要求，本例中成形角度為90度，將角度代入關系式，就可得到就可以計算出所需的上模下壓量ΔH＝(169.02-90)/36.719＝2.15mm。

然后將上模下壓量＝2.15mm的指令發送給彎曲成形機，彎曲成形機對沖裁完成的材料C的坯料進行彎曲加工，測得回彈后的成形角度為90.04度。該成形精度遠高于成形件加工精度90±0.5度的工業要求。

如果遇到在數據庫中沒有找到符合誤差要求的材料，參見彎曲成形例2。

[彎曲成形例2]

將反求得到材料X的性能參數發送到彎曲成形機的控制單元。控制單元根據被加工材的力學參數畫出流動應力曲線，并與數據庫中的材料的流動應力曲線對比，如果在數據庫中沒有找到符合誤差要求的材料，即在關系數據庫中不存在與被加工的金屬板材X的材料參數之間的誤差小于第二閾值的參考材料參數，說明關系數據庫中的材料與被加工材料X的性能相差太大，那么被加工材料X的彎曲工藝就需重新利用彎曲成形的有限元仿真模型來模擬。

將反求得到的被加工材料X的流動應力曲線發送給彎曲成形的有限元仿真模型，對彎曲成形進行模擬，得到被加工材料X的成形角度和上模下壓量關系，如圖11所示。并將被加工材料的性能和與之對應的成形角度和上模下壓量關系發送給數據庫，完善關系數據庫的內容。由此，當以后遇到被加工的金屬板材M的流動應力曲線與材料X的流動應力曲線基本吻合的情況時，該反求得到的被加工的金屬板材X的材料參數就是關系數據庫中的被加工的金屬板材M的參考材料參數。然后控制單元就可以根據關系數據庫中與被加工材X對應的成形角度和上模下壓量關系，確定合適的加工條件。再對板材X進行彎曲加工時，控制單元就可以直接在關系數據庫中找到X材料，并用與之對應的成形角度和上模下壓量關系確定加工條件了，方法參考彎曲成形例1。

由此，如果關系數據庫的材料越豐富，那么就越容易在關系數據庫中找到與被加工材料性能吻合度極高的材料，那么關系數據庫中材料的成形角度與上模下壓量關系就越符合越適合被加工材，加工出的彎曲成形件精度越高，且無需在彎曲加工時進行有限元仿真計 算，控制速度更快。即使在材料數據庫中沒找到性能一致的材料，該控制系統也可以利用沖裁時反求的材料參數進行彎曲成形模擬，預測出被加工材的成形角度和上模下壓量的關系，并完善關系數據庫，以便下次彎曲同種材料時可以直接利用關系數據庫中的數據，無需再進行仿真。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。