本發(fā)明涉及一種低碳高鉬薄壁不銹鋼管成型過程中應(yīng)力控制方法，屬于金屬管加工。

背景技術(shù)：

1、高鉬不銹鋼薄壁管因其優(yōu)異的耐腐蝕性與高溫強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于化工、核電等領(lǐng)域。在薄壁管冷成型工藝中，材料通過多道次輥壓成型，但高鉬不銹鋼的鉬元素易偏析，導(dǎo)致局部加工硬化速率突變，引發(fā)應(yīng)力集中，造成壁厚不均、微裂紋等缺陷，嚴(yán)重影響成品合格率?，F(xiàn)有技術(shù)中，行業(yè)通常采用以下方式應(yīng)對：

2、1、經(jīng)驗預(yù)設(shè)工藝參數(shù)：依賴人工經(jīng)驗設(shè)定壓延速率、模具間隙等參數(shù)，但無法實時感知材料動態(tài)形變中的應(yīng)力突變，導(dǎo)致殘余應(yīng)力分布不可控，合格率波動超過15%。

3、2、離線檢測與后矯正：通過x射線衍射儀或超聲波探傷設(shè)備檢測成品應(yīng)力分布，再通過熱處理或機(jī)械矯形修復(fù)缺陷。此方式需中斷生產(chǎn)流程，增加20%-30%的能耗與工時，且無法根治內(nèi)部隱性裂紋。

4、3、高成本在線監(jiān)測系統(tǒng)：少數(shù)企業(yè)嘗試引入多軸應(yīng)力傳感器實時監(jiān)控，但傳感器需嵌入模具或管材表面，不僅成本高昂（單套系統(tǒng)超50萬元），還易因機(jī)械磨損導(dǎo)致數(shù)據(jù)漂移，維護(hù)復(fù)雜。

5、近年來，行業(yè)嘗試通過分段控制策略或機(jī)器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化工藝參數(shù)，但前者因忽略應(yīng)力場的多向耦合性引發(fā)系統(tǒng)振蕩，后者依賴大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)且難以適應(yīng)材料批次波動。因此，如何在無新增高成本硬件的條件下，實現(xiàn)薄壁管動態(tài)成型應(yīng)力的實時感知與全局均衡，成為高鉬不銹鋼管低碳制造待突破的技術(shù)瓶頸。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種低碳高鉬薄壁不銹鋼管成型過程中應(yīng)力控制方法，其主要目的在于解決傳統(tǒng)開環(huán)控制方法無法實時感知材料動態(tài)形變應(yīng)力分布、依賴高成本檢測設(shè)備且控制精度低的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種低碳高鉬薄壁不銹鋼管成型過程中應(yīng)力控制方法，包括以下步驟：

3、s1，實時采集成型設(shè)備壓輥軸承座的振動信號，利用加速度傳感器獲取20-500hz頻段的振動數(shù)據(jù)；

4、s2.?對所述振動數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動窗口快速傅里葉變換，提取20-500hz頻段的能量分布，并基于信息熵公式計算振動信號能量熵值；

5、s3.?將所述振動信號能量熵值與預(yù)設(shè)的鉬含量-熵值閾值規(guī)則庫進(jìn)行比對，判定當(dāng)前成型區(qū)是否發(fā)生應(yīng)力突變；所述鉬含量-熵值閾值規(guī)則庫通過以下方式構(gòu)建：選取鉬多組低碳高鉬不銹鋼管坯樣本；在標(biāo)準(zhǔn)成型參數(shù)下，采集各樣本成型過程中20-500hz頻段的振動信號能量熵值，并記錄其對應(yīng)應(yīng)力突變臨界點；基于線性插值法建立鉬含量與熵值閾值的映射關(guān)系；

6、s4.?當(dāng)檢測到應(yīng)力突變時，根據(jù)管材的直徑與壁厚特征，選擇距離應(yīng)力突變點最遠(yuǎn)的壓輥作為優(yōu)先干預(yù)節(jié)點，動態(tài)降低所述優(yōu)先干預(yù)節(jié)點的進(jìn)給速率10%-15%，并同步提升相鄰壓輥的進(jìn)給速率5%-8%，通過壓力波傳播路徑的拓?fù)渲貥?gòu)實現(xiàn)應(yīng)力場全局均衡。

7、作為優(yōu)選的實施方式，選取鉬多組低碳高鉬不銹鋼管坯樣本是指選取鉬含量為1.5%、2.0%、3.0%的三組低碳高鉬不銹鋼管坯樣本。

8、作為優(yōu)選的實施方式，步驟s1中所述加速度傳感器為壓電式工業(yè)傳感器，其安裝位置為成型壓輥軸承座的徑向受力面中心點，且傳感器軸線與壓輥徑向受力方向一致；所述振動數(shù)據(jù)的采樣頻率為10khz，信號傳輸采用抗電磁干擾屏蔽電纜。

9、作為優(yōu)選的實施方式，步驟s4中所述優(yōu)先干預(yù)節(jié)點的選擇邏輯為：根據(jù)管材直徑d與壁厚的比值（），預(yù)設(shè)壓力波傳播路徑的優(yōu)先級矩陣，其中：當(dāng)時，優(yōu)先選擇軸向距離應(yīng)力突變點最遠(yuǎn)的壓輥；當(dāng)時，優(yōu)先選擇周向?qū)ΨQ分布的相鄰兩壓輥；當(dāng)時，優(yōu)先選擇與應(yīng)力突變點呈120度夾角的壓輥。

10、作為優(yōu)選的實施方式，步驟s3中所述鉬含量-熵值閾值規(guī)則庫的構(gòu)建還包括：對在線檢測到的連續(xù)5次干預(yù)后熵值未恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的異常工況，觸發(fā)閾值自修正機(jī)制，將當(dāng)前鉬含量對應(yīng)的熵值閾值按以下規(guī)則調(diào)整：若連續(xù)5次干預(yù)后熵值仍高于原閾值，則將閾值上調(diào)5%；若連續(xù)5次干預(yù)后熵值低于原閾值且管材表面無裂紋缺陷，則將閾值下調(diào)5%。

11、作為優(yōu)選的實施方式，步驟s4中所述壓輥進(jìn)給速率的動態(tài)調(diào)整通過以下方式實現(xiàn)：將優(yōu)先干預(yù)節(jié)點的進(jìn)給速率指令發(fā)送至plc控制器，所述plc控制器基于預(yù)設(shè)的速率調(diào)整梯度表，輸出脈沖寬度調(diào)制信號至伺服電機(jī)驅(qū)動器；所述伺服電機(jī)驅(qū)動器通過減速比為1:20的行星齒輪減速機(jī)驅(qū)動壓輥軸，進(jìn)給速率調(diào)整精度為±0.1mm/s。

12、作為優(yōu)選的實施方式，步驟s2中所述滑動窗口的時長為0.1秒，窗口重疊率為50%，且快速傅里葉變換的頻譜分辨率為5hz；所述信息熵公式的計算方式為：對20-500hz頻段內(nèi)每5hz子頻帶的能量占比取對數(shù)加權(quán)求和。

13、作為優(yōu)選的實施方式，步驟s3中所述線性插值法的具體實施為：當(dāng)待測管坯的鉬含量為，且時，其對應(yīng)的熵值閾值通過下式計算：

14、，

15、其中，和分別為鉬含量1.5%和3.0%樣本的標(biāo)定熵值閾值。

16、作為優(yōu)選的實施方式，步驟s4中所述壓力波傳播路徑的拓?fù)渲貥?gòu)還包括：當(dāng)檢測到應(yīng)力突變時，同步觸發(fā)模具間隙的微米級動態(tài)補償，補償量為當(dāng)前管材壁厚的0.5%-1.0%，且補償方向為遠(yuǎn)離應(yīng)力突變點的徑向擴(kuò)張方向。

17、作為優(yōu)選的實施方式，所述模具間隙的微米級動態(tài)補償通過電液伺服閥驅(qū)動模具支撐臂實現(xiàn)，所述電液伺服閥的響應(yīng)時間為10ms，壓力控制精度為±0.5mpa，模具支撐臂的位移分辨率≤1μm。

18、相比于背景技術(shù)所述問題，本發(fā)明的有益效果是：1、將成型設(shè)備固有振動信號的低頻段能量熵值突變作為鉬偏析應(yīng)力突變的直接判據(jù)，并基于壓力波傳播路徑的拓?fù)鋬?yōu)化干預(yù)（而非局部參數(shù)調(diào)節(jié)），突破傳統(tǒng)開環(huán)控制中應(yīng)力累積不可逆的瓶頸，從根本上消除壁厚不均與微裂紋的產(chǎn)生，在無新增高成本傳感器的條件下，實現(xiàn)應(yīng)力分布的動態(tài)解耦控制，實現(xiàn)將原本不可見的內(nèi)部應(yīng)力分布轉(zhuǎn)化為可實時解析的動態(tài)判據(jù)，無需高成本檢測設(shè)備，即可在毫秒級響應(yīng)中預(yù)判應(yīng)力突變風(fēng)險，從源頭遏制壁厚不均與隱性裂紋。2、由于僅需3組典型鉬含量樣本的稀疏標(biāo)定實驗，結(jié)合干預(yù)后熵值狀態(tài)的計數(shù)觸發(fā)式閾值偏移機(jī)制（連續(xù)5次異常觸發(fā)±5%修正），在避免復(fù)雜建模的同時，自適應(yīng)材料批次波動與環(huán)境擾動，實現(xiàn)以低于傳統(tǒng)方法的實驗成本，快速部署高精度應(yīng)力控制方案。

技術(shù)特征：

1.一種低碳高鉬薄壁不銹鋼管成型過程中應(yīng)力控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的低碳高鉬薄壁不銹鋼管成型過程中應(yīng)力控制方法，其特征在于，選取鉬多組低碳高鉬不銹鋼管坯樣本是指選取鉬含量為1.5%、2.0%、3.0%的三組低碳高鉬不銹鋼管坯樣本。

3.如權(quán)利要求2所述的低碳高鉬薄壁不銹鋼管成型過程中應(yīng)力控制方法，其特征在于，步驟s1中所述加速度傳感器為壓電式工業(yè)傳感器，其安裝位置為成型壓輥軸承座的徑向受力面中心點，且傳感器軸線與壓輥徑向受力方向一致；所述振動數(shù)據(jù)的采樣頻率為10khz，信號傳輸采用抗電磁干擾屏蔽電纜。

4.如權(quán)利要求2所述的低碳高鉬薄壁不銹鋼管成型過程中應(yīng)力控制方法，其特征在于，步驟s4中所述優(yōu)先干預(yù)節(jié)點的選擇邏輯為：根據(jù)管材直徑d與壁厚的比值（），預(yù)設(shè)壓力波傳播路徑的優(yōu)先級矩陣，其中：當(dāng)時，優(yōu)先選擇軸向距離應(yīng)力突變點最遠(yuǎn)的壓輥；當(dāng)時，優(yōu)先選擇周向?qū)ΨQ分布的相鄰兩壓輥；當(dāng)時，優(yōu)先選擇與應(yīng)力突變點呈120度夾角的壓輥。

5.如權(quán)利要求2所述的低碳高鉬薄壁不銹鋼管成型過程中應(yīng)力控制方法，其特征在于，步驟s3中所述鉬含量-熵值閾值規(guī)則庫的構(gòu)建還包括：對在線檢測到的連續(xù)5次干預(yù)后熵值未恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的異常工況，觸發(fā)閾值自修正機(jī)制，將當(dāng)前鉬含量對應(yīng)的熵值閾值按以下規(guī)則調(diào)整：若連續(xù)5次干預(yù)后熵值仍高于原閾值，則將閾值上調(diào)5%；若連續(xù)5次干預(yù)后熵值低于原閾值且管材表面無裂紋缺陷，則將閾值下調(diào)5%。

6.如權(quán)利要求2所述的低碳高鉬薄壁不銹鋼管成型過程中應(yīng)力控制方法，其特征在于，步驟s4中所述壓輥進(jìn)給速率的動態(tài)調(diào)整通過以下方式實現(xiàn)：將優(yōu)先干預(yù)節(jié)點的進(jìn)給速率指令發(fā)送至plc控制器，所述plc控制器基于預(yù)設(shè)的速率調(diào)整梯度表，輸出脈沖寬度調(diào)制信號至伺服電機(jī)驅(qū)動器；所述伺服電機(jī)驅(qū)動器通過減速比為1:20的行星齒輪減速機(jī)驅(qū)動壓輥軸，進(jìn)給速率調(diào)整精度為±0.1mm/s。

7.如權(quán)利要求2所述的低碳高鉬薄壁不銹鋼管成型過程中應(yīng)力控制方法，其特征在于，步驟s2中所述滑動窗口的時長為0.1秒，窗口重疊率為50%，且快速傅里葉變換的頻譜分辨率為5hz；所述信息熵公式的計算方式為：對20-500hz頻段內(nèi)每5hz子頻帶的能量占比取對數(shù)加權(quán)求和。

8.如權(quán)利要求2所述的低碳高鉬薄壁不銹鋼管成型過程中應(yīng)力控制方法，其特征在于，步驟s3中所述線性插值法的具體實施為：當(dāng)待測管坯的鉬含量為，且時，其對應(yīng)的熵值閾值通過下式計算：

9.如權(quán)利要求8所述的低碳高鉬薄壁不銹鋼管成型過程中應(yīng)力控制方法，其特征在于，步驟s4中所述壓力波傳播路徑的拓?fù)渲貥?gòu)還包括：當(dāng)檢測到應(yīng)力突變時，同步觸發(fā)模具間隙的微米級動態(tài)補償，補償量為當(dāng)前管材壁厚的0.5%-1.0%，且補償方向為遠(yuǎn)離應(yīng)力突變點的徑向擴(kuò)張方向。

10.如權(quán)利要求9所述的低碳高鉬薄壁不銹鋼管成型過程中應(yīng)力控制方法，其特征在于，所述模具間隙的微米級動態(tài)補償通過電液伺服閥驅(qū)動模具支撐臂實現(xiàn)，所述電液伺服閥的響應(yīng)時間為10ms，壓力控制精度為±0.5mpa，模具支撐臂的位移分辨率≤1μm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及金屬管加工技術(shù)領(lǐng)域，公開一種低碳高鉬薄壁不銹鋼管成型過程中應(yīng)力控制方法，包括：實時采集成型設(shè)備壓輥軸承座的振動信號，提取20?500Hz頻段的能量分布并計算振動信號能量熵值，將所述熵值與預(yù)設(shè)的鉬含量?熵值閾值規(guī)則庫比對，判定應(yīng)力突變狀態(tài)；當(dāng)檢測到應(yīng)力突變時，基于管材直徑與壁厚特征，選擇距離應(yīng)力突變點最遠(yuǎn)的壓輥作為優(yōu)先干預(yù)節(jié)點，動態(tài)調(diào)整進(jìn)給速率，通過壓力波傳播路徑的拓?fù)渲貥?gòu)實現(xiàn)應(yīng)力場全局均衡。通過將成型設(shè)備固有振動信號的熵值突變作為鉬偏析應(yīng)力突變的直接判據(jù)，突破傳統(tǒng)開環(huán)控制中應(yīng)力累積不可逆的瓶頸，在無新增高成本傳感器的條件下，將不可見的內(nèi)部應(yīng)力分布轉(zhuǎn)化為可實時解析的動態(tài)判據(jù)。

技術(shù)研發(fā)人員：成志堅,成志立,盛行
受保護(hù)的技術(shù)使用者：湖南旺坤管業(yè)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15