CN103111499B - 三维曲面构件加工的多点柔性滚压成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维曲面构件加工的多点柔性滚压成形方法，将要求加工的构件形状展开成平板，确定板料的形状大小；根据构件加工形状要求确定成形道次数以及各道次的成形量以及相应的进行回弹补偿后的成形量；计算成形辊的理论位置，并对前3个道次的成形辊的位姿进行调整；将板料送入成形装置，成形辊旋转，驱动板料沿着滚压方向前进，板料走出成形装置完成前3个道次的加工，再进行辊位调节，使成形辊反转，实现板料的反向运动，完成后3个道次的成形，如此，以来回滚的方式，直到达到要求的成形道次数为止，完成加工。本发明克服了现有柔性成形工艺的缺点，具有成本低、效率高、完成质量高的优点。

Description

三维曲面构件加工的多点柔性滚压成形方法

技术领域

本发明涉及金属板材多点柔性滚压成形工艺领域，具体地，涉及一种三维曲面构件加工的多点柔性滚压成形方法。

背景技术

板材成形是现代制造业中一个重要的分支，被广泛应用在汽车、造船、航空航天、化工、城市建筑等诸多行业。汽车中75%的零件属于冲压件，采用模具加工的方式来生产，但对于新车型的试制以及一些消费者对汽车的个性化需求，就需要有针对性的单件或小批量的柔性成形方式。现代造船行业中，一般都是单艘或小批量生产，并且每艘船的每块船体外板的大小、形状都不一样，不适合采用传统的模具加工方式，需要柔性成形的方式进行加工。同样在航空航天行业，飞行器和运载火箭也是小批量生产模式，使得航空航天行业同样对柔性成形技术提出迫切的需求。目前，应用到板材成形的柔性成形技术有滚压成形、旋压成形、喷丸成形、水火弯板、单点渐进成形、多点成形、增量压弯成形、激光成形等。

滚压成形、旋压成形、喷丸成形以及水火弯板成形工艺属于比较传统的柔性成形工艺，在实际生产中有着广泛的应用。滚压成形是通过轧辊工具加工板材，使板材产生连续局部弯曲变形从而实现三维构件的加工，常见的有三辊滚压和四辊滚压，但受轴向刚度影响，所加工板料的相应长度有所限制，另外，该工艺不能实现多向曲率构件的加工。旋压成形是一种用于加工回转体零件的连续局部成形工艺，该工艺只适用于回转体的成形。喷丸成形是利用高速弹丸流撞击金属板材的表面，使受撞击的表面及下层金属材料产生塑性变形而延伸，从而逐步使板材发生向受喷面凸起的弯曲变形而达到所需外形的一种成形方法，但该成形技术工艺参数的选择及变形的控制难于掌握，过于依赖经验，而且受喷表面质量粗糙，有残余应力分布。水火弯板成形利用金属板局部受高温冷却后产生局部热弹塑性收缩变形的原理，形成所需要的三维曲面，但该工艺也有依靠有经验的技术工人、劳动强度大、加工质量波动大的缺点。单点渐进成形、多点成形、增量压弯成形都属于累积变形成形工艺。其中单点渐进成形工艺是基于快速制造“分层制造”的思想，将复杂的三维模型沿高度方向离散化，分解成一系列二维层，并在二维层上对板材进行局部的塑性加工，该工艺的加工效率低，只适用于薄板加工。多点成形基于传统模具离散化的思想，由一系列规则排列、高度可调的基本体组成“柔性多点模具”来代替整体模具，通过“柔性多点模具”来实现板材的成形，但该工艺方式由于控制点数量较多，使得设备造价较高，而且对于复杂、精度要求较高的三维曲面件而言，它还具有一定的局限性。增量压弯成形是基于三点弯曲变形的原理由专用压力机驱动压头在整体壁板表面上按一定的轨迹分段逐点进行局部三点弯曲变形，最后使整个壁板表面成形为所需的外形，但该工艺生产效率低下、产品尺寸精度难以控制，并且依赖有经验的技术工人。激光成形是以激光作为热源对金属板材表面进行局部扫描，由于加热的不均匀性在热作用区内产生非均匀分布的热应力，当热应力超过材料相应温度下的屈服极限，就会在材料内部产生塑性变形，在冷却后形成残余应力和永久性弯曲变形，但该工艺的自动化要求高，加工工艺参数的确定困难，成形精度不好保证，而且易产生烧伤现象，影响工件表面质量。

综上所述，面对日趋复杂和多样化的三维曲面件，柔性成形工艺的发展尤为重要，而现有的柔性成形工艺都存在一定的局限性，因此，新工艺新技术的提出就变得十分迫切。本专利就是在原有柔性成形工艺基础之上，通过对多种成形工艺的研究，综合多种成形工艺方式的优点，提出了一种金属板材多点柔性滚压成形方法。并且，经对现有文献检索，没有发现与本发明相同的三维曲面构件成形工艺方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种低成本、高效率、高精度，能够突破构件纵向长度限制、实现多种曲率半径的三维曲面构件加工的多点柔性滚压成形方法。

根据本发明的一个方面，提供一种三维曲面构件加工的多点柔性滚压成形方法，包括以下步骤：

第一步，将要求加工的构件形状展开成平板，确定加工原始板料的形状大小；

第二步，根据构件加工形状要求按照工程经验公式确定成形道次数以及每道次的成形量；并参照经典回弹公式对板料的成形进行回弹补偿，确定各道次板料回弹之前的成形量；

第三步，通过已经设计好的每道次板料的成形量利用成形辊子外轮廓与加工板料相切的原理计算成形辊的理论位置，并通过加工装置的调形系统控制完成前3个道次的成形辊位姿的调整；

第四步，将板料送入成形装置，上下成形辊咬合，使板料产生一定形状的变形，然后成形辊旋转，成形辊与板料之间产生摩擦力驱动板料沿着滚压方向前进，板料走出成形装置即完成了前3个道次的加工，之后进行辊位调节，使成形辊反转，实现板料的反向运动，完成后3个道次的成形，如此，以来回滚的方式，直到达到要求的成形道次数为止，完成加工。

优选地，第二步中，以圆柱件为例，采用工程经验公式计算采用的各道次弯曲角度分配公式如下： ${\mathrm{\θ}}_i={\mathrm{\θ}}_f{\{1-{[2{\left(\frac{i}{N}\right)}^3-3{\left(\frac{i}{N}\right)}^2+1]}^{\frac{1}{1.30}}\}}^{\frac{1}{1.81}},$

i为成形道次，i=1,2,…,N；

N为全成形道次数；

θ_i为各道次弯曲角度；

θ_f为板料未考虑回弹补偿的最终弯曲角度。

优选地，通过所述工程经验公式得到的各道次成形所对应的成形半径为：

R_i=B/θ_i,

其中：

R_i为各道次成形半径；

B为板料原始宽度。

优选地，第二步中经典回弹公式为：

$\frac{R}{R_f}=1-\frac{3(1-v^2){\mathrm{\σ}}_{b}R}{\mathrm{Et}}+4{\left[\frac{{\mathrm{\σ}}_{b}R(1-v^2)}{\mathrm{Et}}\right]}^3,$

其中：

R为回弹前的成形半径；

R_f为回弹后的成形半径；

v为泊松比；

σ_b为屈服强度；

E为弹性模量；

t为板料厚度。

优选地，第三步中，成形辊的横向理论位置确定具体为：

成形辊在横向采用均匀排布的方式，横向每相邻3个成形辊的中心位置都呈三角形交错排布，对于横向距离比较长的构件，采用将圆弧分成几段，一段段进行加工的方式。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明是在多点成形、增量压弯成形和滚压成形三种柔性成形工艺基础上提出的，与多点成形工艺相比，减少了控制点的数量，降低了设备成本；与增量压弯成形相比，由于采用了渐进式的连续成形方式，提高了生产效率，也提高了产品的尺寸精度；与三辊滚压成形相比，由于横向排辊的形状可调，每个成形机架的成形辊在图1所示的Y方向和Z方向都可以进行调节，以构建不同的轮廓形状，可以实现多向曲率三维构件的加工，并且构件尺寸不受限制。

综上所述，本发明结合了多点成形、增量压弯成形和滚压成形三种成形工艺的优点，并克服了相应的不足之处，能够实现低成本、高效率、高质量地完成多种曲率半径三维曲面构件的加工。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为加工三维曲面构件装置的结构示意图；

图2为图1的装置的横向成形原理示意图；

图3为图1的装置的纵向成形原理示意图；

图4为加工后的构件形状示意图。

图中：1为板料，2为成形机架，3为成形辊，4为底座。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

多点成形无需换模就可以实现不同曲面的柔性成形，具有成形的灵活性，但该工艺方式由于控制点数量较多，使得设备造价较高，而且对于复杂、精度要求较高的三维曲面件而言，它还具有一定的局限性；增量压弯成形具有变形力大，可成形各种带筋结构件，通用性强，制造成本低，对产品外形尺寸的适应性强，所需设备吨位小等一系列优点，但该工艺生产效率低下、产品尺寸精度难以控制，并且比较依赖有经验的技术工人；滚压成形在纵向（辊压成形方向）所加工工件的长度不受限制，其中三辊滚压还可以通过控制中间辊的下压量实现不同曲率半径三维构件的加工，但板料成形形状很大程度受成形辊的形状影响，并且传统滚压成形工艺很难实现多向曲率三维构件的加工。

考虑到以上三种三维曲面构件的柔性成形方式的优缺点，本发明将以上三种成形方式结合在一起，根据三维曲面构件的成形要求，选择多点成形、增量压弯成形和滚压成形三种柔性成形工艺相结合的方式，完成其所要求的三维曲面形状的加工。

一种三维曲面构件加工的多点柔性滚压成形方法，包括以下步骤：

第一步，将要求加工的构件形状展开成平板，确定加工原始板料的形状大小。

第二步，根据构件加工形状要求按照工程经验公式确定成形道次数以及每道次的成形量；并参照经典回弹公式对板料的成形进行回弹补偿，确定各道次板料回弹之前的成形量。

道次数的确定并没有明确的定义，理论上是道次数越多每次的成形量越均匀，工件的成形效果越好，但考虑到加工效率，在满足成形精度的前提下，选择合理的加工道次数。

具体的，以圆柱件为例，采用工程经验公式计算采用的各道次弯曲角度分配公式如下：

${\mathrm{\θ}}_i={\mathrm{\θ}}_f{\{1-{[2{\left(\frac{i}{N}\right)}^3-3{\left(\frac{i}{N}\right)}^2+1]}^{\frac{1}{1.30}}\}}^{\frac{1}{1.81}},$

i为成形道次，i=1,2,…,N；

N为全成形道次数；

θ_i为各道次弯曲角度；

θ_f为板料未考虑回弹补偿的最终弯曲角度。

通过上述工程经验公式得到的各道次成形所对应的成形半径为：

R_i=B/θ_i,

R_i为各道次成形半径；

B为板料原始宽度。

经典回弹公式为：

$\frac{R}{R_f}=1-\frac{3(1-v^2){\mathrm{\σ}}_{b}R}{\mathrm{Et}}+4{\left[\frac{{\mathrm{\σ}}_{b}R(1-v^2)}{\mathrm{Et}}\right]}^3,$

R为回弹前的成形半径；

R_f为回弹后的成形半径；

v为泊松比；

σ_b为屈服强度；

E为弹性模量；

t为板料厚度。

第三步，通过已经设计好的每道次板料的成形量利用成形辊子外轮廓与加工板料相切的原理计算成形辊的理论位置，并通过加工装置的调形系统控制完成前3个道次的成形辊位姿的调整。

成形辊的理论位置是指成形辊的中心位置，成形辊的理论位置确定比较简单，主要是根据成形辊和工件两理论接触面轮廓相切的原理。

具体的，参照图1的坐标系，X方向成形辊的理论位置是根据相邻两个成形机架的间距确定的，相邻两个成形机架的间距要根据实际加工情况来确定；Y方向和Z方向成形辊的理论位置的确定，首先在横向（YOZ平面）周向平均分配接触点（成形辊与理论加工工件半径的公切点），然后根据成形辊的形状即可确定成形辊在Y方向和Z方向的理论位置。

进一步地，成形辊在横向采用均匀排布的方式，横向每相邻3个成形辊的中心位置都呈三角形交错排布，对于横向距离比较长的构件，采用将圆弧分成几段，一段段进行加工的方式。

第四步，将板料送入成形装置，上下成形辊咬合，使板料产生一定形状的变形，然后成形辊旋转，成形辊与板料之间产生摩擦力驱动板料沿着滚压方向前进，板料走出成形装置即完成了前3个道次的加工，之后进行辊位调节，使成形辊反转，实现板料的反向运动，完成后3个道次的成形，如此，以来回滚的方式，直到达到要求的成形道次数为止，完成加工。

如图1所示，装置的纵向（X方向）由三个成形机架构成，每个成形机架完成一个道次的加工，板料通过装置即完成三个道次的加工，因此每次装置的调形能调节三个道次的辊位。完成三个道次的加工后，装置再调节后3个道次的成形辊位，然后板料反向运动再次进入装置，如此反复，直到完成板料的加工。本发明在纵向只设计三个道次借鉴了三辊滚压的成形工艺特点，实现了装置的小型化，通过板料来回辊的方式来实现多个道次的加工。

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例一

本实施例中取长度为2000mm，宽度为1500mm，厚度为7mm的铝合金板料2A12-O做为毛坯，采用如图1所示的装置对板材进行加工，最终实现在宽度方向直径为3350mm的简单圆柱面构件的加工。该装置包括：成形机架2，成形辊3和底座4，成形辊3设置在成形机架2上，成形机架2与底座4连接，板料1进入装置后，成形辊3与板料1之间产生摩擦力驱动板料1沿着滚压方向前进。

如图2所示，其为本发明加工装置的横向成形原理示意图，本实施例中，横向布置11个成形辊3，形成9个道次。每相邻3个成形辊3的中心位置都呈三角形交错排布，在横向根据多点成形和三点压弯的成形原理，通过调节上下成形辊3的辊位构造横向曲面形状来代替传统的模具，实现三维曲面构件横向曲率的加工；纵向成形的原理如图3所示，其中实线成形辊3为主要作用辊，根据三辊滚压的成形原理，通过调节中间排成形辊3的下压，在滚压方向上实现板料的连续弯曲成形，从而实现三维曲面构件纵向曲率的加工；整个三维曲面构件的成形采用往复方式多道次成形，根据渐进累积成形的原理最终实现所要求形状的加工。

具体的实施步骤如下：

首先，将要求加工的板料形状展开成平板（板料长度与圆柱构件长度相同，为2000mm，板料宽度与圆柱横截面的弧长相等，为1500mm，板料厚度与圆柱构件厚度一致），确定加工原始板料的形状大小；

之后，参照圆周成形轧滚压曲角度分配的方法，设计9道次的成形过程，并分配每个道次的成形半径；考虑到板料的回弹，结合三点弯曲成形的加工原理，计算每个道次的成形半径回弹前的半径，即为加工半径；9个道次成形半径的分配情况如表一：

表一各道次成形半径分配（单位：mm）

然后，通过已经设计好的每道次板料的成形量也就是回弹补偿后圆弧的弦长确定成形辊的横向分布位置（一般采用均匀分布的方式，对于横向距离比较长的构件，可以采用将圆弧分成几段，一段段进行加工），并利用成形辊子外轮廓与板料相切的原理计算成形辊中心所在的位置，完成各道次成形辊的横向布置，横向排布的结果如图2所示；对于纵向有曲率的构件，根据三辊滚压的成形原理，中间成形辊下压的距离等于所加工圆弧段的弧高值，可以完成纵向辊位的计算，由于本实施例并没有涉及纵向曲率，在此不做赘述，纵向成形的原理如图3所示；关于每个道次的间距，也就是两相邻机架2之间的距离，可以结合板料长度和仿真计算的结果设计最佳的道次间距，这样就完成了成形辊理论位置的计算，然后就可以通过加工装置的调形系统控制完成调整好辊位，就可以通过辊子的旋转驱动板料前进开始成形前3个道次的成形辊位姿的调整；

最后，将板料送入成形装置，上下成形辊咬合，使板料产生一定形状的变形，然后成形辊旋转，成形辊与板料之间产生摩擦力驱动板料沿着滚压方向前进，板料走出成形装置即完成了前3个道次的加工，之后再进行辊位调节，成形辊反转，实现板料的反向运动，完成后3个道次的成形，就这样以来回滚的方式，直到达到要求的成形道次数为止。

本实施例参照圆周成形轧滚压曲角度分配的方法，设计9道次的成形过程，并分配每个道次的成形半径；考虑到板料的回弹，结合三点弯曲成形的加工原理，对每个道次的成形半径进行回弹补偿；根据回弹补偿后的圆弧弦长确定成形辊的横向分布（一般采用均匀分布，对于横向距离比较长的构件，可以采用分段加工的方式进行加工），并利用成形辊子外轮廓与板料相切的原理计算成形辊位，完成各道次成形辊的横向布置，横向排布的结果如图2所示；对于纵向有曲率的构件，根据三辊滚压的成形原理可以完成纵向辊位的计算，由于本实施例并没有涉及纵向曲率，在此不做赘述，纵向排布的结果如图3所示；关于每个道次的间距，可以结合板料长度和仿真计算的结果设计最佳的道次间距；完成辊位设计，调整好辊位，就可以通过辊子的旋转驱动板料前进开始成形。

按照上述方法，板料一次可以实现三个道次的加工，之后再进行辊位调节，成形辊反转，就可以实现板料的来回辊，节省了装置所占空间。图4为完成9个道次成形的板料仿真成形的结果。

采用本实施例方法，可以通过采用合理的加工工艺参数，以来回辊渐进累积变形的方式低成本、高效率、高质量地完成多种曲率半径三维曲面构件的加工。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种三维曲面构件加工的多点柔性滚压成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将要求加工的构件形状展开成平板，确定加工原始板料的形状大小；

第二步，根据构件加工形状要求按照工程经验公式确定成形道次数以及每道次的成形量；并参照经典回弹公式对板料的成形进行回弹补偿，确定各道次板料回弹之前的成形量；

第三步，通过已经设计好的每道次板料的成形量利用成形辊子外轮廓与加工板料相切的原理计算成形辊的理论位置，并通过加工装置的调形系统控制完成前3个道次的成形辊位姿的调整；

第四步，将板料送入成形装置，上下成形辊咬合，使板料产生一定形状的变形，然后成形辊旋转，成形辊与板料之间产生摩擦力驱动板料沿着滚压方向前进，板料走出成形装置即完成了前3个道次的加工，之后进行辊位调节，使成形辊反转，实现板料的反向运动，完成后3个道次的成形，如此，以来回滚的方式，直到达到要求的成形道次数为止，完成加工。

2.根据权利要求1所述的三维曲面构件加工的多点柔性滚压成形方法，其特征在于，第二步中，以圆柱件为例，采用所述的工程经验公式计算采用的各道次弯曲角度分配公式如下：

${\mathrm{\θ}}_i={\mathrm{\θ}}_f{\{1-{[2{\left(\frac{i}{N}\right)}^3-3{\left(\frac{i}{N}\right)}^2+1]}^{\frac{1}{1.30}}\}}^{\frac{1}{1.81}},$

i为成形道次，i=1,2,…,N；

N为全成形道次数；

θ_i为各道次弯曲角度；

θ_f为板料未考虑回弹补偿的最终弯曲角度。

3.根据权利要求2所述的三维曲面构件加工的多点柔性滚压成形方法，其特征在于，通过所述工程经验公式得到的各道次成形所对应的成形半径为：

R_i=B/θ_i,

其中：

R_i为各道次成形半径；

B为板料原始宽度。

4.根据权利要求1所述的三维曲面构件加工的多点柔性滚压成形方法，其特征在于，第二步中所述的经典回弹公式为：

$\frac{R}{R_f}=1-\frac{3(1-v^2){\mathrm{\σ}}_{b}R}{\mathrm{Et}}+4{\left[\frac{{\mathrm{\σ}}_{b}R(1-v^2)}{\mathrm{Et}}\right]}^3,$

其中：

R为回弹前的成形半径；

R_f为回弹后的成形半径；

v为泊松比；

σ_b为屈服强度；

E为弹性模量；

t为板料厚度。

5.根据权利要求1所述的三维曲面构件加工的多点柔性滚压成形方法，其特征在于，第三步中，成形辊的横向理论位置确定具体为：

成形辊在横向采用均匀排布的方式，横向每相邻3个成形辊的中心位置都呈三角形交错排布，对于横向距离比较长的构件，采用将圆弧分成几段，一段段进行加工的方式。