连续变截面板的轧制控制 - 文章

连续变截面板的轧制控制

作者：任灏宇杜继涛

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摘要：本文主要是关于连续变截面辊轧板（TRB）的控制模型建立的理论基础，连续变截面辊轧板的轧制控制是一种新的控制方法，不同于以往任何轧板的轧制过程。连续变截面辊轧板的控制模型的建立过程是连续变截面辊轧板进行生产的关键技术，该模型的成功建立可以使连续变截面辊轧板的批量生产成为可能，为车身轻量化拓宽了思路，其结果对汽车降低能耗具有积极的推动作用。

TRB是在汽车轻量化日益成为人们关注焦点的前提下提出来的，TRB板的提出为汽车轻量化开辟了新的途径。在环境污染和能源短缺成为当今社会越来越严重的问题，为了应对日益严格的环保挑战，世界汽车业正积极行动起来，大力研制环境友好型的汽车，例如欧洲的EUCAR，美国的PNGV项目等就是具体的例证。环境友好型汽车的重要标志是油耗低、排放少，而降低油耗、减少排放的重要措施就是减轻车体的重量。有关机构的研究表明:若汽车质量减轻10%，则油耗减少4%～5%[1]。目前实现车身轻量化的有效途径有以下几种：(1)使用密度小、强度高的轻质材料;(2)使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的较薄的高强度钢;(3)使用基于新材料加工技术的轻量化结构用材，如拼焊板等[2]。相比之下，钢的综合性能使其仍然是汽车车身制造用材的最佳选择，这主要因为钢材不仅具有优异的性价比，还有长期以来所积累成熟的冶金技术和成形加工经验。基于轻量化结构用材，提出了一种显著减轻车身质量的新型薄板——连续变截面板。

用于车身轻星化制造的变截面薄板分为两种，一种是拼焊板(Tailor Welded Blanks，TWB) ，是将2块或2块以上不同厚度或不同材质的板料焊接在一起，然后进行冲压成形，以满足不同的性能要求，减轻车身质量。但是，TWB在拼接处存在板料厚度的突变、母材承载能力差异和焊缝及其热影响区的硬化等，因而在成形过程中会诱发下列问题：(1)板料厚度的突变使压边力大小不一致，容易引起薄料流入过程中压应变过大而皱曲;(2)焊缝两侧材料承载能力不一致，使材料流入和变形不均匀，引起焊缝移动，加剧应变集中，降低整块板的成形性能;(3)焊缝及其热影响区的硬化作用导致整块板成形性能降低，成形困难。另一种是通过柔性轧制工艺生产的连续变截面板(Tailor Rolling Blanks，TRB)，是一种新的轧制技术生产的板。变截面薄板经加工后制成的汽车零部件将具有更好的承载能力，且明显地减轻了质量。TRB轧制工艺解决或缓解了TWB存在的问题，TRB的应用给汽车轻量化开创厂一个良好的途径。

1 连续变截面板的扎制

TRB是一种新工艺板材，它在轧制过程中，通过计算机实时控制和调整轧辊的辊缝间距，以获取沿轧制方向上按预先定制连续变化的板料厚度，参见图1。

图1

TRB成形是传统横向轧制和纵向周期性连续变化轧制的有机结合。其最大的特点是在轧制过程中，轧辊的辊缝必须连续、周期性按预先设定的形状变化，而且辊缝的变化必须和横向轧制变形相协调。因此，必须借助高性能计算机对轧辊的横向和纵向进行实时控制，以快速响应、协调辊缝的连续变化和横向送进变化，从而实现由等厚度板到TRB板的轧制。

TRB的特点是轧制过程中能使轧件的厚度按预先设计的曲线要求变化。由于TRB的生产是一个连续过程，为了使计算机能直接控制被控对象，保证轧制的定位精度，必须采用高精度的辊缝位移传感器在线直接测量辊缝的变化，并通过计算机与伺服阀控制伺服缸动作来快速调节辊缝的周期性连续变化。因此，辊缝位移传感器的响应速度和灵敏度，以及伺服系统响应速度、流量、行程和精度就成了实施TRB轧制过程的关键技术。

2 连续变截面板的扎制控制

TRB的特点是轧制过程中能使轧件的厚度按预先设计的曲线要求变化。由于TRB的生产是一个连续过程，为了使计算机能直接控制被控对象，保证轧制的定位精度，必须采用高精度的辊缝位移传感器在线直接测量辊缝的变化，并通过计算机与伺服阀控制伺服缸动作来快速调节辊缝的周期性连续变化。因此，辊缝位移传感器的响应速度和灵敏度，以及伺服系统响应速度、流量、行程和精度就成了实施TRB轧制过程的关键技术。

TRB板在扎制的过程需要测量的数据包括：张紧力，进料厚度，轧辊位置，扎制力，轧辊的转动速度，出料厚度等。在相应的位置安置好精确的传感器，即时的获取数据。测得的数据要传输到计算机，计算经过计算再把数据传输给扎机，对滚缝进行控制，对扎机进行即时控制[3]。控制的数据传输如图2所示。

图2

首先要采集板料外形的基本数据，然后通过滚筒的定位位置对数据板料的外形数据进行确认，外形数据确认后对滚缝进行控制，把滚缝调节到现在需扎制的厚度的滚缝间隙。然后再测量滚缝输出端的板料厚度传回计算机，计算判断扎制出的厚度是否符合需要的厚度，即时对滚缝进行调节控制。

数据的流程图，如图3所示：

图3

对系统特性进行分析，也就是采用机理建模的方法建立起系统各个环节的数学模型，然后依据这些建立起来的数学模型对其进行适当的控制。机理建模方法就是根据实际系统工作的物理过程机理，在某种假定的条件下，按照相应的理论写出代表其边界条件和初始条件，在采用适当的数学处理办法得出能够正确反映对象动静态特性的数学模型[4]。

根据建立好的各个部件的系统模型，画出液压系统轧机辊缝控制的传递函数图。依据此传递函数框图，利用MATLAB语言进行仿真，就可以模拟轧机辊缝控制实际输入和输出的之间的动态响应关系[5] 。

3 TRB板的应用前景

TRB应用评价是设计决策的重要内容。由于应用过程涉及面广，影响因素多，因此必须综合考虑应用的各个方面，例如技术、生产效率、经济性等等。TRB可成形性是指其是否符合相关的冲压工艺要求，它是技术评价的关键，工艺方案论证和制造加工策略对降低成本、缩短开发周期、提高工艺和模具设计的成功率至关重要。而这些因素既有定量的，也有定性的，定性的因素几乎都存在着极大的模糊性，并且各因素在应用过程中的权重又受技术、管理、设备等影响。因此，探索多层次、集成的模糊综合评价策略是推广TRB应用不可缺少的组成部分。总而言之TRB板的应用前景是非常广阔的，TRB板的扎制研究是非常有意义的。

参考文献
[1] Kinery Brad L，Cao Jian. An Analytical Model for Tailor Welded Blank Forming[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering.Vol 125，n 2 May 2003，p344-351.
[2]杜继涛，齐从谦. 连续变截面辊轧板及其应用关键[J]. 汽车技术.2005，(02)：33-35. [3] John M. DeCicco. Steel and Iron Technologies for Automotive Lightweighting[c]. Environmental Defense.2005,03:1-18.
[4] 钟云峰, 谭树彬. 板带轧机AGC变刚度控制的研究[J].冶金设备.2006.1:15-18.
[5]谭树彬，钟云峰.轧机辊缝控制建模及仿真[C]. 系统仿真学报.2006,06(18):1425-1427.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/6/2008)


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