金属板材弯曲成形控制方法与流程

本方法涉及金属板材加工技术，具体的说是一种提高金属板材弯曲成形精度的方法。

背景技术：

弯曲成形是工业生产中重要的钣金件生产方法之一。在钣金构件的生产加工过程中，由于金属材料本身的弹性变形回复，会导致钣金件的角度变大。而且不同厂商、不同规格的原材料在性能上波动很大，致使材料弯曲变形后的回弹量不同，容易造成结构件的成形精度不稳定。因此在成型加工时，有效地避免回弹，提高成形精度显得十分重要。

对此，专利文献1中，通过设计一种新的V形件弯曲模来减小回弹，提高冲压件的成形精度，但这种方法有较大的局限性，它只能应对一种成形角度的弯曲加工，并且成形件尺寸固定。如果成形件的成形角度发生变化，或者成形件的尺寸加大时，该模具就无法使用，需要重新加工一套对应角度和尺寸的模具。由此导致生产周期过长，成本太高。

专利文献2中，一种可调节弯曲回弹量且可进行角度补偿的V形90°自承位弯曲回弹角度可调节模具，它包括有凸模和凹模，所述的凸模包括有上模座，上模座两端连接有可调节凸模下端冲压角度的调节角边板，所述调节角边板通过弯曲半径轴联接；所述凹模包括下模座，下模座上端铰接有左右自承重板。

该专利虽然可以对成型的角度进行调节补偿，但是角度的调节过程也需要反复进行弯曲实验，测试成形角度，估算出回弹量，然后调节模具角度进行补偿。该方法需要的人工操作过多，无法实现自动化控制。另外这种方法使用的模具较为复杂，使用时间久了，模具会变形，同时如果要弯曲大型弯曲件，就需要较大的模具，该种设计的模具的刚度就很难保证，成形过程中模具本身难免发生挠曲或变形，影响成型质量。

专利文献

专利文献1：CN203140585U

专利文献2：CN201020102617

因此，本发明不直接控制回弹量大小，而是基于材料本身特性不同导致弯曲回弹量不同的原理，通过CAE仿真技术模拟弯曲过程得到金属板材的回弹量与弯曲角度、材料性能、板材厚度的之间关系数据库。在实际弯曲前就可以知道材料的回弹量，并提前进行补偿， 使弯曲件一次成型就能满足精度要求。可以实现对成形角度的自动控制，无需人工测量调整磨具。自动化程度高、成形精度高。本方法可以应对不同材料性能，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产品。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种金属板材弯曲成形控制方法，利用该方法可实现对板材弯曲角度的高精度控制。

本发明提供一种金属板材弯曲成形控制方法，包括如下步骤：

(1)建立材料参数、成形角度、回弹量、上模下压量之间的关系数据库，包括

根据弯曲成形所用的模具的结构参数，建立弯曲成形的有限元仿真模型，在所述弯曲成形的有限元仿真模型中输入所述用于模拟的金属板材的材料参数，对所述用于模拟的金属板材的所述弯曲成形的过程进行模拟从而得出对应成形角度的模拟回弹量的大小，所述模拟回弹量作为添加至所述关系数据库中的回弹量，

在测得不同金属板材的材料参数之后，基于所得到的所述弯曲成形的有限元仿真模型对所述不同金属板材的所述弯曲成形的过程分别进行模拟，针对所述不同金属板材的每一金属板材建立材料参数、成形角度、回弹量、所述模具的上模下压量之间的所述关系数据库；

(2)冲裁下料、反求材料参数，包括

对被加工的金属板材进行冲裁加工，从而得到坯料，

测量得到所述被加工的金属板材在冲裁实验中的实验载荷-行程曲线，利用反求板材的实际物理参数的方法建立有限元仿真模型，进行冲裁模拟，迭代反求所述被加工的金属板材的材料参数；

(3)对比所述关系数据库中的材料参数和反求得到的所述被加工的金属板材的材料参数，包括

对比所述关系数据库中的材料参数和所述被加工的金属板材的材料参数，

若在所述关系数据库中存在与所述被加工的金属板材的材料参数之间的误差小于第二阈值的参考材料参数，则执行弯曲成形操作，

若在所述关系数据库中不存在与所述被加工的金属板材的材料参数之间的误差小于第二阈值的参考材料参数，则利用所述反求得到的所述被加工的金属板材的材料参数进行与建立所述关系数据库的步骤中相同的弯曲成形过程的模拟，将模拟得到的所述 被加工的金属板材的材料参数、成形角度、回弹量、上模下压量之间的关系添加至所述关系数据库，所述反求得到的所述被加工的金属板材的材料参数是所述关系数据库中的所述被加工的金属板材的参考材料参数，然后执行弯曲成形操作；

(4)弯曲成形操作，包括

输入弯曲角度，

根据参考材料参数对应的成形角度与实施弯曲成形操作的弯曲成形机的所述模具的上模下压量的关系式，计算出所需的上模下压量，并将所述所需的上模下压量发送给所述弯曲成形机，以控制所述弯曲成形机对所述坯料进行弯曲成形。

利用上述方法，本发明不直接控制回弹量大小，而是基于材料本身特性不同导致弯曲回弹量不同的原理，通过CAE仿真技术模拟弯曲过程得到金属板材的回弹量与弯曲角度、材料性能、板材厚度的之间关系数据库。在实际弯曲前就可以知道材料的回弹量，并提前进行补偿，使弯曲件一次成型就能满足精度要求。可以实现对成形角度的自动控制，无需人工测量调整磨具。自动化程度高、成形精度高。本方法可以应对不同材料性能，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产品。

本发明提供一种金属板材弯曲成形控制方法，弯曲成形所用的所述模具的所述结构参数包括所述模具的上模圆角半径、下模开口。

将模具的上模圆角半径、下模开口作为模具的结构参数来建立弯曲成形的有限元仿真模型，能够用较少的参数得到高度仿真实际弯曲成形条件的有限元仿真模型，提高建立有限元仿真模型的效率。

本发明提供一种金属板材弯曲成形控制方法，在建立弯曲成形有限元模型时，进行所述弯曲试验从而得到所述用于模拟的金属板材的实际回弹量的大小，并计算所述实际回弹量的大小和所述模拟回弹量的大小之间的差值，若所述差值超过第一阈值，则对所述有限元仿真模型的网格尺寸大小进行细化，再次进行模拟，直到所述差值小于所述第一阈值。

利用上述方法，CAE仿真技术模拟弯曲过程的精度可以达到98％，，并且预测值约等于实际值。从而进一步保证了弯曲件一次成型就能满足精度要求。可以实现对成形角度的自动控制，无需人工测量调整磨具。自动化程度更高、成形精度更高。

本发明提供一种金属板材弯曲成形控制方法，在建立材料参数、成形角度、回弹量、上模下压量之间关系数据库时，所用的所述材料参数是材料检测时的拉伸试验测得的材料的性能参数和流动应力曲线。

利用流动应力曲线作为材料参数进行弯曲成形有限元模拟可以获得较高的模拟精度 和效率。

本发明提供一种金属板材弯曲成形控制方法，所述第一阈值为2％。

本发明提供一种金属板材弯曲成形控制方法，对所述弯曲成形的过程进行模拟，记录下不同弯曲角度θ′和下压量ΔH之间的关系，然后再利用所述有限元仿真模型预测出不同弯曲角度θ′所对应的回弹量Δθ的大小，由此得到不同弯曲角度θ′与回弹量Δθ之间的关系，根据成形角度θ、弯曲角度θ′和回弹量Δθ之间的关系θ＝θ′+Δθ，得到成形角度θ与下压量ΔH之间的关系。

本发明提供一种金属板材弯曲成形控制方法，所述第二阈值为1％。

本发明提供一种金属板材弯曲成形控制方法，若在所述关系数据库中不存在与所述被加工的金属板材的材料参数之间的误差小于所述第二阈值的所述参考材料参数，则将所述反求得到的所述被加工的金属板材的材料参数输入至所述有限元仿真模型，并进行所述弯曲成形的过程的模拟，从而得到所述被加工的金属板材的成形角度θ和下压量ΔH之间的关系，并将所述被加工的金属板材的成形角度θ和下压量ΔH之间的关系发给所述关系数据库。

步骤(1)可以在弯曲加工前就做好，对不同厂商、不同规格、不同批次的，不同厚度的材料进行测试、模拟。数据库里材料的类别、规格、批次越全，则弯曲加工时就可以直接在数据库中找到对应材料成形角度和下压量关系，实现高速、高精度的控制。如果数据库不够丰富，那么有可能无法找到与被加工材相近的材料，那么第一次弯曲就需要对被加工材进行弯曲模拟，然后得出成形角度和下压量关系，这样会需要一次额外的弯曲仿真时间。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并结合附图，作详细说明如下。

附图说明

下面将结合附图详细说明本发明的具体实施例。

图1显示为本发明的数据库建立流程示意图。

图2显示为本发明的冲裁下料和弯曲成形流程示意图。

图3显示为一种常见的冷轧薄钢板的流动应力曲线。

图4显示为弯曲成形有限元仿真模型。

图5显示为弯曲模拟示意图。

图6显示为模拟回弹量与实验回弹量的对比。

图7显示为弯曲时上模下压量和弯曲角度的关系示意图。

图8显示为模拟弯曲加工时，得到的弯曲角度与上模下压量的关系,(86°-96°附近)。

图9显示为模拟弯曲加工时，得到的弯曲角度与回弹量的关系,(86°-96°附近)。

图10显示为材料A、B的成形角度与上模下压量的关系,(86°-98°附近)。

图11显示为材料X的成形角度与上模下压量的关系,(84°-98°附近)。

图12显示为弯曲模具示意图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的具体实施方式进行说明。

[数据库建立]

本发明提供一种金属板材弯曲成形控制方法，包括如下步骤：

(1)建立材料参数、成形角度、回弹量、上模下压量之间的关系数据库，包括

根据弯曲成形所用的模具的结构参数，建立弯曲成形的有限元仿真模型，在弯曲成形的有限元仿真模型中输入用于模拟的金属板材的材料参数，对用于模拟的金属板材的弯曲成形的过程进行模拟从而得出对应成形角度的模拟回弹量的大小，模拟回弹量作为添加至关系数据库中的回弹量，

在测得不同金属板材的材料参数之后，基于所得到的弯曲成形的有限元仿真模型对不同金属板材的弯曲成形的过程分别进行模拟，针对不同金属板材的每一金属板材建立材料参数、成形角度、回弹量、模具的上模下压量之间的关系数据库；

(2)冲裁下料、反求材料参数，包括

对被加工的金属板材进行冲裁加工，从而得到坯料，

测量得到被加工的金属板材在冲裁实验中的实验载荷-行程曲线，利用反求板材的实际物理参数的方法建立有限元仿真模型，进行冲裁模拟，迭代反求被加工的金属板材的材料参数；

(3)对比关系数据库中的材料参数和反求得到的被加工的金属板材的材料参数，包括

对比关系数据库中的材料参数和被加工的金属板材的材料参数，

若在关系数据库中存在与被加工的金属板材的材料参数之间的误差小于第二阈值的参考材料参数，则执行弯曲成形操作，

若在关系数据库中不存在与被加工的金属板材的材料参数之间的误差小于第二阈值的参考材料参数，则利用反求得到的被加工的金属板材的材料参数进行与建立关系数据库的步骤中相同的弯曲成形过程的模拟，将模拟得到的被加工的金属板材的材料参数、成形角度、回弹量、上模下压量之间的关系添加至关系数据库，反求得到的被加工的金属板材的材料参数是关系数据库中的被加工的金属板材的参考材料参数，然后执行弯曲成形操作；

(4)弯曲成形操作，包括

输入弯曲角度，

根据参考材料参数对应的成形角度与实施弯曲成形操作的弯曲成形机的模具的上模下压量的关系式，计算出所需的上模下压量，并将所需的上模下压量发送给弯曲成形机，以控制弯曲成形机对坯料进行弯曲成形。

弯曲成形所用的模具的结构参数包括模具的上模圆角半径、下模开口。

在建立弯曲成形有限元模型时，进行弯曲试验从而得到用于模拟的金属板材的实际回弹量的大小，并计算实际回弹量的大小和模拟回弹量的大小之间的差值，若差值超过第一阈值，则对有限元仿真模型的网格尺寸大小进行细化，再次进行模拟，直到差值小于第一阈值。

在建立材料参数、成形角度、回弹量、上模下压量之间关系数据库时，所用材料参数是材料检测时的拉伸试验测得的材料的性能参数和流动应力曲线。

对弯曲成形的过程进行模拟，记录下不同弯曲角度θ′和下压量ΔH之间的关系，然后再利用有限元仿真模型预测出不同弯曲角度θ′所对应的回弹量Δθ的大小，由此得到不同弯曲角度θ′与回弹量Δθ之间的关系，根据成形角度θ、弯曲角度θ′和回弹量Δθ之间的关系θ＝θ′+Δθ，得到成形角度θ与下压量ΔH之间的关系。

若在关系数据库中不存在与被加工的金属板材的材料参数之间的误差小于第二阈值的参考材料参数，则将反求得到的被加工的金属板材的材料参数输入至有限元仿真模型，并进行弯曲成形的过程的模拟，从而得到被加工的金属板材的成形角度θ和下压量ΔH之间的关系，并将被加工的金属板材的成形角度θ和下压量ΔH之间的关系发给关系数据库。

下面结合具体数值说明本发明的实施例。在本实施例中，以板厚为1.2mm的两个不同厂家的同种低碳钢板材为研究对象，分别编号A,B。利用SHIMADZU万能拉伸试验机对A，B两种材料进行室温拉伸试验，测得A,B两种材料的载荷位移曲线，并根据理论公式计算出两种材料对应的流动应力曲线和力学性能参数，以便在模拟弯曲成形时作为表征材料力 学特性的输入参数。得到的流动应力曲线如图2所示。可以发现不同厂家生产的同种材料流动应力曲线相差较大，说明材料的性能有很大差别。应证了材料的性能差异较大的情况。

考虑到在实际工业生产中，90度的弯曲加工是最为常见的一种加工方式，所以本实施例以90度弯曲加工为例来说明。根据弯曲对象的厚度不一样，所需要的弯曲模具的上模圆角半径、下模开口等参数是根据厚度变化的，薄板选用较小的上模圆角半径和下模开口，厚板选用较大的上模圆角半径和下模开口。本实施例中以弯曲1.2mm厚的板材为例来说明，所以模具也选用适合1.2mm厚板材弯曲的常用参数，分别是上模夹角设为86度，圆角半径设为1.2mm，下模开口设为8mm，如图12所示。根据实际弯曲模具的参数，即：上模夹角86度、圆角半径1.2mm，下模开口8mm；利用有限元仿真软件—LS-DYNA建立简化的弯曲成形有限元仿真模型，如图4所示。在有限元仿真模型中将模具定义为刚体，即不可变形；并把拉伸实验测得的流动应力曲线作为有限元仿真模型的输入数据。对板材的弯曲成形过程进行有限元仿真，模拟弯曲到90度后的板材如图5所示，然后再利用有限元方法模拟预测出对应弯曲角度的模拟回弹量大小。虽然在本实施例中以90度弯曲加工、弯曲1.2mm厚的板材、上模夹角设为86度、圆角半径设为1.2mm、下模开口设为8mm为例，但该具体数值只是用于说明本发明，而本发明并不局限于以上具体数值，而可以根据实际需要为任意数值。

为了验证建立的有限元仿真模型的精度，本发明对材料A、B按照实际生产状态利用图12所示的模具进行弯曲成形，弯曲后先测得回弹前的角度θ′，然后移除上模，再测得回弹后的角度θ，两者相减，计算出实际回弹量Δθ。将实际回弹量与模拟回弹量进行对比，如果两则的误差小于第一阈值，例如，2％，则说明建立的弯曲成形的有限元仿真模型精度可靠。如果两则误差大于2％，则合理细化有限元仿真模型的网格尺寸，以提高模拟计算精度，直到模拟回弹量和实验回弹量的误差小于2％。本实施例中，对有限元仿真模型进行了细化，发现板材的厚度方向的有限元网格尺寸对模拟精度影响最大，厚度方向网格越细，精度越高，当厚度方向的网格细化到板材厚度的1/7时，继续细化尺寸，精度的提升很有限，但模拟的时间因为网格太细而变得很长。因此，本例中最佳的厚度方向网格尺寸在板材厚度的1/7。本例中A，B两种材料的模拟结果和实验结果的对比如图6所示，A，B两种材料的回弹模拟误差分别为1％和1.5％，模拟的精度是满足误差小于2％的要求，所以把该弯曲成形有限元仿真模型作为后续其他材料仿真预测的通用模型。虽然在本发明中第一阈值为2％，但第一阈值并不局限于该具体数值，而可以根据实际需要做任意改变。

在弯曲过程中，弯曲的角度和上模下压量之间存在关系，如图7所示，所以可以通过 控制伺服弯曲机的上模压下量来控制金属板材的弯曲角度大小。基于前面建立的弯曲有限元仿真模型，模拟材料A的弯曲全过程，并记录下冲头的不同的上模下压量和与之对应的弯曲角度，由此可得到不同弯曲角度和上模下压量之间的关系。本实施例中弯曲的目标为90度，所以重点考察90度左右的弯曲情况，得到的弯曲角度与上模下压量的关系如图8所示(86°-96°附近)，弯曲角度时的回弹量大小，由此可得到不同弯曲角度与回弹量之间的关系，如图9所示(86°-96°附近)。

根据成形角度θ、弯曲角度θ′和回弹量Δθ之间的关系：θ＝θ′+Δθ，可以得到成形角度与上模下压量之间的关系，做线性分析后，可以得出材料A的成形角度θ和上模下压量ΔH的关系符合如下公式：θ＝-36.719·ΔH+169.02,如图10中A线所示。同理，对材料B也进行弯曲成形的有限元仿真模拟，得出材料B的成形角度θ与上模下压量ΔH的关系θ＝-36.656·ΔH+170.03，如图10中B线所示。

照此方法，测试不同厂商、不同规格、不同批次的材料，就可以建立起材料性能、成形角度、回弹量、上模下压量之间的关系数据库。针对不同厚度的材料，可以建立与弯曲对象厚度对应的上模圆角半径和下模开口的弯曲成形的有限元仿真模型，并建立起材料性能、成形角度、回弹量、上模下压量之间的关系数据库。这样数据库就可以涵盖不同厂商、不同规格、不同批次、不同厚度的材料的弯曲成形问题。

[冲裁下料]

对金属板料X进行冲裁加工，在冲裁加工过程中对板材受到冲裁模具的力以及被冲裁部分的位移进行测量记录，得到所述板材在实际冲裁时的载荷-行程曲线和弯曲成形前的坯料。利用之前专利(参见申请号为201310680718.5的申请)所述的方法建立冲裁过程的有限元仿真模型，给冲裁板材预设一个材料力学性能参数，对冲裁过程进行有限元仿真模拟。基于实际冲裁的载荷-行程曲线，结合建立的冲裁有限元仿真模拟，对板材X的力学性能参数进行分步迭代反求分析。约三十步迭代后的结果，载荷-行程曲线模拟值和实际冲裁时的载荷-行程曲线基本重合，两者之间误差小于1％，然后输出反求得到的材料力学性能，并画出对应的流动应力曲线。详细的材料性能反求方法详见在先申请，申请号：201310680718.5。

[弯曲成形例1]

将反求得到材料C的性能参数发送到弯曲成形机的控制单元。控制单元根据被加工材的力学参数画出流动应力曲线，并与数据库中的材料的流动应力曲线对比，如果发现材料A与材料C的流动应力曲线基本吻合，两者误差小于第二阈值，例如，1％，说明数据库中 的材料A与材料C相近，材料A的材料参数是材料C的参考材料参数。因为材料的弯曲加工性能取决于材料的力学性能，由此可知C材料的弯曲加工性能也应该与A材料的弯曲加工性能相近。虽然在本发明中第二阈值为1％，但第二阈值并不局限于该具体数值，而可以根据实际需要做任意改变。

那么就可以用材料A的成形角度与上模下压量之间的关系：θ＝-36.719·ΔH+169.02来确定材料C的加工条件。输入成形角度要求，本例中成形角度为90度，将角度代入关系式，就可得到就可以计算出所需的上模下压量ΔH＝(169.02-90)/36.719＝2.15mm。

然后将上模下压量＝2.15mm的指令发送给弯曲成形机，弯曲成形机对冲裁完成的材料C的坯料进行弯曲加工，测得回弹后的成形角度为90.04度。该成形精度远高于成形件加工精度90±0.5度的工业要求。

如果遇到在数据库中没有找到符合误差要求的材料，参见弯曲成形例2。

[弯曲成形例2]

将反求得到材料X的性能参数发送到弯曲成形机的控制单元。控制单元根据被加工材的力学参数画出流动应力曲线，并与数据库中的材料的流动应力曲线对比，如果在数据库中没有找到符合误差要求的材料，即在关系数据库中不存在与被加工的金属板材X的材料参数之间的误差小于第二阈值的参考材料参数，说明关系数据库中的材料与被加工材料X的性能相差太大，那么被加工材料X的弯曲工艺就需重新利用弯曲成形的有限元仿真模型来模拟。

将反求得到的被加工材料X的流动应力曲线发送给弯曲成形的有限元仿真模型，对弯曲成形进行模拟，得到被加工材料X的成形角度和上模下压量关系，如图11所示。并将被加工材料的性能和与之对应的成形角度和上模下压量关系发送给数据库，完善关系数据库的内容。由此，当以后遇到被加工的金属板材M的流动应力曲线与材料X的流动应力曲线基本吻合的情况时，该反求得到的被加工的金属板材X的材料参数就是关系数据库中的被加工的金属板材M的参考材料参数。然后控制单元就可以根据关系数据库中与被加工材X对应的成形角度和上模下压量关系，确定合适的加工条件。再对板材X进行弯曲加工时，控制单元就可以直接在关系数据库中找到X材料，并用与之对应的成形角度和上模下压量关系确定加工条件了，方法参考弯曲成形例1。

由此，如果关系数据库的材料越丰富，那么就越容易在关系数据库中找到与被加工材料性能吻合度极高的材料，那么关系数据库中材料的成形角度与上模下压量关系就越符合越适合被加工材，加工出的弯曲成形件精度越高，且无需在弯曲加工时进行有限元仿真计 算，控制速度更快。即使在材料数据库中没找到性能一致的材料，该控制系统也可以利用冲裁时反求的材料参数进行弯曲成形模拟，预测出被加工材的成形角度和上模下压量的关系，并完善关系数据库，以便下次弯曲同种材料时可以直接利用关系数据库中的数据，无需再进行仿真。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。