基于多次试折法的板料折弯角度精度分析

基于多次试折法的板料折弯角度精度分析

自由折叠是指将板材料压缩成所需角度的折叠方法，并将板材料折叠到形成所需角度。相对于压底折弯,自由折弯仅使用一套模具就可以折弯不同板厚、不同角度及不同材料的板材,节省更换模具的时间,提高加工效率;同时,自由折弯所需的设备吨位小、耗能低、模具的使用寿命长,故在钣金加工中应用非常广泛。在自由折弯加工过程中各项加工量特别是最终成形角度,由于理论计算复杂及存在角度回弹现象,很难得到很高的加工精度,在实际生产过程中需要经过多次试折才能达到加工精度要求。在此问题上,国内外学者做出了许多研究工作,但由于自由折弯工艺理论上的复杂性,并没有得出十分精确的理论解析模型。20世纪90年代,DeVin等学者提出了一个3区域折弯模型(ThreeSectionModel),将自由折弯模型分为3个区域分别考虑:上模板料接触区,变半径弹性变形区以及回弹后直边区域,该模型假定变形过程中的剪切力忽略不计。21世纪初比利时金属加工工业研究中心(WTCM/CRIF)的Aerens等学者进一步发展了3区域折弯模型,提出:模型预测的最大问题在于上模尖压入板料时所产生的应力与应变紊乱,将板料有限元分析结果代入模型进行计算,得到回弹预测精度为±0.3°,成形角精度为±1°。国内自由折弯研究开始于20世纪80年代末90年代初,主要集中于工程应用方面。余松敏对引起折弯机自由折弯时制件角度误差的原因进行了分析并提出相关对策,提出在自由折弯方式下数控折弯机滑块进深计算公式与发生角度误差时的校正公式;南京航空航天大学王飞等通过修正材料的性能参数值,进而利用修正后的材料参数计算折弯深度,最终成形角度的偏差值小于1°。本文从自由折弯工艺原理出发,以DeVin3区域折弯模型为基础,建立自由折弯简单模型,针对卸载前滑块下压量模型进行了详细研究,并通过回弹角补偿量来减少角度误差。以自由折弯理论解析模型为基础算法,添加角度校正经验数据库对理论计算值进行校正,并进行相关实验验证。1cdt折弯实验仿真结果自由折弯简单模型的建立主要基于理想刚塑性材料模型(图1a)。这种情况下,板材与上模圆角发生包络以及上模圆角与模肩之间部分保持平直(图1b)。该模型优势在于计算简便,并且便于采用弹性梁理论计算折弯回弹的扩展。由图1b可得自由折弯简易进深计算公式:式中:Z为滑块下压量;W1为计算后的下模开口宽度;r0为初始折弯半径;β为开口角度;Rd为下模圆角半径;s为板料厚度。模拟与实验都已经证明,在折弯过程中板材的折弯半径有1个减小趋势,直到上模圆角被板材包络为止,主要分为3个阶段:折弯开始、包络开始发生、包络结束。板材折弯半径r减少趋势如图2所示。由于实际自由折弯过程中折弯半径不等于所用上模圆角半径,故用初始折弯半径r0代替刚塑性模型中的上模圆角半径Rp。如果计算出的折弯半径小于上模圆角半径,则将上模圆角半径带入理论计算公式中,否则,直接使用计算出的折弯半径。采用公式(2)对折弯角和折弯半径进行回弹补偿:式中:ReL、E为材料的屈服强度和弹性模量;rt、αt为修正后的折弯半径和折弯角度。在自由折弯几何下降量公式基础上加上回弹角补偿计算得到自由折弯理论计算值,实验验证理论计算值与瑞士的折弯数控系统Cybelec880s中滑块下压量误差在±3°以内。首次试折角度误差在±5°之内,角度偏差在允许校正范围之内,利用数控系统中的校正系统对角度进行校正,实验室采用经验数据库的方法对角度进行校正。2锚点插值算法确定滑块滑块下降量采用一种角度校正经验数据库来减少自由折弯最终成形角度的偏差。图3为自主研发的软件中角度校正经验数据库和材料数据库的界面,当试折弯1个角度后将实际角度测量值存入数据库中,数据库依据不同材料、不同厚度和不同角度存储折弯不同角度值所对应的滑块下压量。在控制系统中输入目标角度时,系统首先在角度校正数据库中检索是否存在相同特性的折弯,分为3种情况:(1)如果材料参数、模具参数和折弯角度都符合,则使用数据库中的滑块下压量;(2)如果仅有材料参数和模具参数符合,并且数据库角度与待折角度差值在一定范围内,则使用插值算法进行计算最终滑块下降量;(3)如果材料参数和模具参数不符合,或者材料参数和模具参数满足要求但是角度差值不在插值条件的角度范围内,则使用理论计算值进行计算滑块下降量。对于第2种情况,实验室采用插值算法计算滑块下压量,分为两种情况:(1)数据库中存在一个角度与目标角度在一定范围内时,假定目标角度为A,数据库中对应角度为A',满足条件|A-A'|≤5°,采用公式(3)计算滑块下压量Y:式中:YA为角度A所对应滑块下压量理论计算值;YA'为角度A'所对应的滑块下压量理论计算值。(2)当数据库中的角度增多时,输入折弯角度A值,如果有不少于2个的角度在一定角度范围内与A值相接近,分别记为A1、A2(A1<A2),此时,满足条件|A1-A2|≤10°、|A-A1|≤10°、|A-A2|≤10°,可以用公式(4)计算角度A对应的Y下降量:式中:Y为角度A所对应的实际滑块下压量;YA1为角度A1所对应的实际滑块下压量;YA2为角度A2所对应的实际滑块下压量;CA为A所对应的公式计算滑块下压量;CA1为A1所对应的公式计算滑块下压量;CA2为A2所对应的公式计算滑块下压量。由于在折弯过程中,板料的材料参数存在较大差异,即使同一批材料的材料参数误差可以达到15%,由于材料参数存在误差,数据库中已有的条目可能与试折过程中存入的数据条目存在明显不合理现象,如相同的角度对应不同的滑块下压量,为了保证对于同一批材料折弯的正确性,数据库将去掉已有数据库条目以保证数据库中所有条目都合理可用。以上所述算法已在本实验室所开发的折弯数控系统中得到实现,并进行了相应工艺实验。3折弯机数控系统实验结果为了验证上述的角度校正经验数据库在折弯角度过程中的适用性,我们进行了一些实验。实验所用的机床为江苏金方圆数控机床有限公司生产的型号为PR6C60×2550的电液伺服数控折弯机,所用数控系统为实验室自主研发的折弯机数控系统HNC-SPB60。表1、表2、表3分别列出了实验所用板料参数、模具参数、机床精度条件等实验条件。在上述实验条件下,在模具编号为1的模具上对两种厚度的Q235板进行折弯测试,分别试折90°,100°,110°和120°,在模具编号为2的模具上对两种厚度的不锈钢板进行折弯测试,分别试折80°,90°,120°和135°。并将实际测量的角度存入系统中的经验数据库中,接着对目标角度进行第2次试折,并测量最终角度。实验结果如表4和表5所示。图4为折弯实验板料、实验装置及最终折弯成形件。实验结果表明,经过数据库校正后的折弯角度在折弯误差的要求之内,折弯误差通常为±1°,满足折弯加工精度要求。4更高成形精度的加工应用一种V形自由折弯控制板料最终成形角度精度的方法,采用理论计算公式计算滑块下压量,并用角度校正经验数据库对滑块下压量进行校正以获得更高的成形精度。本方法已经应用于实验室自主研