CN103302210B - 一种连续板带等厚面内弯曲成形方法 - Google Patents

Abstract

一种连续板带等厚面内弯曲成形方法，将板带放入两个轧辊辊面之间确定的辊缝中，并使板带的下表面位于A点。两个轧辊同步相向旋转。轧辊的转速ω为2rad/s～10rad/s。成形开始时，板带产生塑性变形。由于轧辊的辊面线速度分布不同，使得在变形区板带宽度方向上的各金属质点的流动速度呈单调不均匀分布。由于金属流动速度分布的差异使变形区内板带长度方向上产生单调不均匀伸长变形。这种不均匀伸长变形协调发展使板带向形成圆环的方向发展进而成形为等厚的面内弯曲环形件。本发明有效避免了塑性弯曲法成形中板带材料外区受拉内区受压而引起的弯曲件外区开裂内区起皱。并且板带材料在轧制过程中发生加工硬化，材料的力学性能得到提高。

Description

一种连续板带等厚面内弯曲成形方法

技术领域

本发明涉及塑性加工领域，是一种连续板带等厚面内弯曲成形方法。

背景技术

板带面内弯曲成形技术在轻型法兰产品、型材弯曲件、环形件等塑性加工领域具有广泛的应用价值。在该成形过程中材料在变形区呈三向压应力状态，有利于金属材料塑性的发挥，能够充分挖掘材料的成形潜力，材料的成形极限得到极大的提高。目前，对于板带面内弯曲件的制造，采用的是传统的塑性弯曲法和冲裁法。塑性弯曲外区受拉及内区受压的应力状态易导致弯曲件外区开裂、内区起皱，难于成形薄而半径小的面内弯曲件；冲裁法材料利用率低，材料的组织流线被破坏，所成形的环形件的力学性能大大降低，且每套模具只能生产一种规格的零件。

为提高面内弯曲环形件的力学性能和材料的利用率，Murakami采用边缘轧制弯曲法（Edge-wise roll bending）成形面内弯曲环形件（United Stated Patent4,429,558,公开日期1984年2月7日），其实质是利用一个圆柱型轧辊和一个圆盘型轧辊之间形成楔形辊缝，对板料进行楔形辗轧成形。由于厚度方向的局部不均匀变形，板带在长度方向上产生不均匀伸长，变形协调的结果使板带产生面内弯曲成形。该方法的缺点是圆柱型轧辊和圆盘型轧辊形成的边界条件不同，导致轧辊端面线速度不同，成形的环形叶片容易起皱，成形的稳定性差。YingJun Jin采用断续局部增量法成形面内弯曲环件（Yingjun Jin,Takashi Kuboki,Makoto Murata.Influence of pitch and cross-sectionalratio of strip of sheet metal on incremental in-plane bending.Journal of MaterialsProcessing Technology,155–156(2004)1810–1814)，该方法是利用截面尺寸小于金属板带的冲头，对板带断续进行局部锻造增量变形。板带受压区域沿长度方向产生不均匀伸长，使板带在面内产生弯曲变形。采用这一加载方式难以进行不均匀协调控制，成形后的环形件出现反复重叠的压痕，表面质量粗糙。西北工业大学杨合教授采用了一种轧辊共面的板带连续局部不均匀加载方法成形面内弯曲环形件（CN101844190A，公开日期2010年9月29日）。该加载方式为利用轧辊对称楔形轧制使板带产生外缘大内缘小的连续局部不均匀变形，克服了边轧弯曲法和断续加载的缺点。该成形方法的成形实质是，利用板带在宽度方向上受到不均匀厚向压缩，使得板带在长度方向上产生不均匀伸长，这种不均匀变形协调的结果使条形板带成形为面内弯曲环形件。该成形方法中板带外缘压下量难以控制，外缘减薄降低了环形件外缘强度，内缘增厚造成内缘起皱的几率增大，成形稳定性差。

上述的几种成形方法都是采用板带外缘减薄的方式实现板带的不均匀协调变形，形成外薄内厚的面内弯曲件，成形过程难以控制，易产生起皱扭曲等成形缺陷，且不能成形等厚的面内弯曲件以满足目前市场上对等厚环形件、等厚螺旋叶片等需求。因此，迫切需要提出一种新的面内弯曲成形方法成形等厚的面内弯曲件，提高产品的成形性能和适用范围。

在板带等厚面内弯曲环形件的制造方面，目前采用的是传统的塑性弯曲法和冲裁法。塑性弯曲法成形等厚面内弯曲环形件的过程中，板带外区受拉而内区受压的应力状态易导致弯曲件外区开裂和内区起皱，难于成形厚度薄而半径小的平整的面内弯曲件。而采用冲裁法成形等厚面内弯曲件时，材料利用率低，材料的组织流线被破坏，所成形的面内弯曲件的力学性能大大降低，且每套模具只能生产一种规格的零件。

发明内容

为了克服现有技术中存在的等厚面内弯曲环形件的成形缺陷，材料利用率低以及成形中材料性能降低等的不足，本发明提出了一种连续板带等厚面内弯曲成形方法。

本发明的具体成形过程是：

步骤1、制备板料

将铝合金裁剪成板带，并且所述板带满足l₀>3b₀的要求，l₀为所述轧辊母线长，b₀为板带的宽度。

步骤2、加工参数确定

所述加工参数包括板带面内弯曲成形装置的两个轧辊之间的辊缝、板带放置位置确定和摩擦条件。

第一轧辊和第二轧辊之间的辊缝确定

采用板带等厚面内弯曲成形方法成形环形件前，面内弯曲成形装置的初始状态为两个轧辊的辊面相互贴合，锥顶相交于O点，第一轧辊与第二轧辊相邻表面之间的间距为辊缝δ，辊缝δ=0。确定辊缝时，首先根据所要成形环形件的厚度t确定两个轧辊之间的辊缝δ，且δ=t。然后通过调节两个轧辊上的滑动联轴器的伸缩量，使两个轧辊分别沿着各自轴线的方向移动s距离，使第一轧辊的锥顶由O点移动至C，第二轧辊的锥顶由O点移动至K点，得到第一轧辊和第二轧辊之间的辊缝δ。各轧辊的移动距离s根据公式（1）确定：

$s=\frac{t}{2\sin \mathrm{\θ}}---\left(1\right)$

公式（1）中，θ是1/2轧辊顶角；t是等厚环形件的厚度。

所述辊缝δ须满足t₀/4<δ<t₀，其中t₀为原始板带的厚度。

板带放置位置确定

将板带与第一轧辊辊面的接触点处记为A点；板带放置在第一轧辊辊面与第二轧辊辊面之间，并使该板带的下表面处于A点处。A点到第一轧辊的锥顶C的垂直距离为h,并且b₀<h≤l₀。

摩擦条件的确定

摩擦系数μ须满足μ≥0.2，所述摩擦系数μ根据板带轧制理论中的咬入条件要求确定，为咬入角。

步骤3、成形环形件

成形环形件时，根据确定的板带的放置位置将该板带一端放入两个轧辊辊面之间。调整两个轧辊的转速ω=2～10rad/s，并将两个轧辊设定为同步相向旋转。得到环形件。

步骤4、环形件修整

对所成形的等厚面内弯曲环形件的咬入端和出口端不平整、不规则区域进行剪裁修整。

成形环形件时，首先将板带放入两个轧辊辊面之间确定的辊缝中，使板带与两个轧辊的辊面相接触。放入板带时，板带的长度方向垂直于两个轧辊轴线所组成的平面，板带的宽度方向与两个轧辊轴线所组成的平面上的轧辊母线平行，使板带与第一轧辊辊面的接触点A到轧辊的锥顶C的垂直距离为h。开动电机调整两个轧辊的转速，并将两个轧辊设定为同步相向旋转。轧辊的转速ω必须严格控制在2rad/s～10rad/s范围内，否则，板带与轧辊之间将产生打滑，所成形的环形件的质量不能保证。

成形开始时，板带与轧辊辊面的接触点A处首先被轧辊咬入，板带依靠轧辊的旋转产生的摩擦带动整个板带沿板带长度方向运动并进入辊缝，产生塑性变形。在变形区板带宽度方向上的各金属质点在板带长度方向的流动速度由于轧辊的辊面线速度分布不同而呈单调不均匀分布:金属板带与轧辊相接触的接触变形区内靠近轧辊半径小的板带一侧，轧辊的辊面线速度小，金属质点在板带长度方向的流动速度较慢；靠近轧辊半径大的板带一侧，轧辊的辊面线速度大，金属质点在板带长度方向的流动速度快。由于金属流动速度分布的差异使变形区内板带长度方向上产生单调不均匀伸长变形。这种不均匀伸长变形协调发展使板带向形成圆环的方向发展进而成形为等厚的面内弯曲环形件。

本发明的连续板带等厚面内弯曲成形方法操作简单，只需一套模具或设备便可实现不同半径的等厚面内弯曲环形件；成形过程中，环形件外侧材料在变形区呈三向压应力状态，有效避免了塑性弯曲法成形中板带材料外区受拉内区受压而引起的弯曲件外区开裂内区起皱的成形缺陷；板带材料在轧制过程中发生加工硬化，材料的力学性能得到提高。

附图说明

图1为第一轧辊和第二轧辊的初始位置示意图；

图2为第一轧辊和第二轧辊分别移动s距离后的位置示意图；

图3为板带成环的示意图；

图4是本发明的流程图。图中：

1.第一轧辊；2.第二轧辊；3.板带

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种在板带面内弯曲成形装置的轧辊调整机构上实现的连续成形板带等厚面内弯曲环形件的方法。所述板带面内弯曲成形装置的轧辊调整机构的技术方案公开在专利号为200810231900.1的发明专利中。本实施例中，板带面内弯曲成形装置包括第一轧辊和第二轧辊，并且所述的两个轧辊为锥形辊，第一轧辊和第二轧辊的锥顶角α=60°，各轧辊的母线长度l₀=110mm。第一轧辊和第二轧辊对称布置，并且两个轧辊轴线之间的夹角为60°。所要成形的面内弯曲环形件的厚度t=1mm。具体成形过程如下：

步骤1、制备板料

根据板带面内弯曲成形装置的轧辊的形状尺寸，将铝合金3A21O裁剪为150mm×20mm×2mm的矩形板带，其中宽度b₀=20mm，满足l₀>3b₀的要求，l₀为所述轧辊母线长。

步骤2、加工参数确定

所述加工参数包括板带面内弯曲成形装置的第一轧辊和第二轧辊轧辊之间的辊缝、板带放置位置和摩擦条件。

第一轧辊和第二轧辊之间的辊缝确定

第一轧辊与第二轧辊相邻表面之间的间距为辊缝δ。辊缝δ须满足t₀/4<δ<t₀，其中t₀为原始板带的厚度。

采用板带等厚面内弯曲成形方法成形环形件前，面内弯曲成形装置的初始状态为两个轧辊的辊面相互贴合，锥顶相交，交点记为O点，此时两个轧辊之间的辊缝δ=0。确定辊缝时，首先根据所要成形环形件的厚度t=1mm确定出两个轧辊之间的辊缝δ，且δ=t=1mm。然后通过调节两个轧辊上的滑动联轴器的伸缩量，使两个轧辊分别沿着各自轴线的方向移动s距离，使两个轧辊的锥顶分别由O点移动至C、K点，其中第一轧辊沿轴向移动s距离后，该第一轧辊的锥顶处记为C点；第二轧辊沿轴向移动s距离后，该第二轧辊的锥顶处记为K点，从而得到之间的辊缝δ=1mm。各轧辊的移动距离s根据公式（1）确定：

$s=\frac{t}{2\sin \mathrm{\&theta;}}=\frac{1}{2\sin 30}=1\mathrm{mm}---\left(1\right)$

公式（1）中，θ是1/2轧辊顶角；t是等厚环形件的厚度。

板带放置位置的确定

将板带与第一轧辊辊面的接触点处记为A点；板带放置在第一轧辊辊面与第二轧辊辊面之间，并使该板带的下表面处于A点处。A点到第一轧辊的锥顶C的垂直距离h=40mm,并且b₀<h≤l₀。

摩擦条件的确定

本实施例中欲使轧辊能够自由咬入板带而不额外对其施加外力，在轧辊与板带尺寸、板带放置位置达到上述要求的条件下，摩擦系数μ须满足μ≥0.2，所述摩擦系数μ根据板带轧制理论中的咬入条件要求确定，为咬入角。在本实施例中，板带与轧辊的摩擦系数μ=0.4。

步骤3、成形环形件

成形环形件时，根据确定的板带的放置位置将该板带一端放入两个轧辊辊面之间。调整两个轧辊的转速,使轧辊的转速ω=3rad/s，并将两个轧辊设定为同步相向旋转。得到环形件。

成形开始时，板带与轧辊辊面的接触点A处首先被轧辊咬入，板带依靠轧辊的旋转产生的摩擦带动整个板带沿板带长度方向运动并进入辊缝，产生塑性变形。在变形区板带宽度方向上的各金属质点在板带长度方向的流动速度由于轧辊的辊面线速度分布不同而呈单调不均匀分布:金属板带与轧辊相接触的接触变形区内靠近轧辊半径小的板带一侧，轧辊的辊面线速度小，金属质点在板带长度方向的流动速度较慢；靠近轧辊半径大的板带一侧，轧辊的辊面线速度大，金属质点在板带长度方向的流动速度快。由于金属流动速度分布的差异使变形区内板带长度方向上产生单调不均匀伸长变形。这种不均匀伸长变形协调发展使板带向形成圆环的方向发展进而成形为等厚的面内弯曲环形件。

步骤4、环形件修整

对所成形的等厚面内弯曲环形件的咬入端和出口端不平整、不规则区域进行剪裁修整。

本实施例所成形的等厚面内弯曲环件的内缘弯曲半径为37mm.

实施例二：

本实施例是一种在板带面内弯曲成形装置的轧辊调整机构上实现的连续成形板带等厚面内弯曲环形件的方法。所述板带面内弯曲成形装置的轧辊调整机构的技术方案公开在专利号为200810231900.1的发明专利中。本实施例中，板带面内弯曲成形装置包括第一轧辊和第二轧辊，并且所述的两个轧辊为锥形辊，第一轧辊和第二轧辊的锥顶角α=60°，各轧辊的母线长度l₀=110mm。第一轧辊和第二轧辊对称布置，并且两个轧辊轴线之间的夹角为60°。所要成形的面内弯曲环形件的厚度t=1.2mm。具体的成形过程如下：

步骤1、制备板料

根据板带面内弯曲成形装置的轧辊的形状尺寸，将铝合金3A21O裁剪为150mm×25mm×2mm的矩形板带，其中宽度b₀=25mm，满足l₀>3b₀的要求，l₀为所述轧辊母线长。

步骤2、加工参数确定

所述加工参数包括板带面内弯曲成形装置的第一轧辊和第二轧辊轧辊之间的辊缝、板带放置位置和摩擦条件。

第一轧辊和第二轧辊之间的辊缝确定

第一轧辊与第二轧辊相邻表面之间的间距为辊缝δ。辊缝δ须满足t₀/4<δ<t₀，其中t₀为原始板带的厚度。

采用板带等厚面内弯曲成形方法成形环形件前，面内弯曲成形装置的初始状态为两个轧辊的辊面相互贴合，锥顶相交，交点记为O点，此时两个轧辊之间的辊缝δ=0。确定辊缝时，首先根据所要成形环形件的厚度t=1.2mm确定出两个轧辊之间的辊缝δ，且δ=t=1.2mm。然后通过调节两个轧辊上的滑动联轴器的伸缩量，使两个轧辊分别沿着各自轴线的方向移动s距离，使两个轧辊的锥顶分别由O点移动至C、K点，其中第一轧辊沿轴向移动s距离后，该第一轧辊的锥顶处记为C点；第二轧辊沿轴向移动s距离后，该第二轧辊的锥顶处记为K点，从而得到之间的辊缝δ=1.2mm。各轧辊的移动距离s根据公式（1）确定：

$s=\frac{t}{2\sin \mathrm{\&theta;}}=\frac{1.2}{2\sin 30}=1.2\mathrm{mm}---\left(1\right)$

公式（1）中，θ是1/2轧辊顶角；t是等厚环形件的厚度。

板带放置位置的确定

将板带与第一轧辊辊面的接触点处记为A点；板带放置在第一轧辊辊面与第二轧辊辊面之间，并使该板带的下表面处于A点处。A点到第一轧辊的锥顶C的垂直距离h=60mm,并且b₀<h≤l₀。

摩擦条件的确定

本实施例中欲使轧辊能够自由咬入板带而不额外对其施加外力，在轧辊与板带尺寸、板带放置位置达到上述要求的条件下，摩擦系数μ须满足μ≥0.2，所述摩擦系数μ根据板带轧制理论中的咬入条件要求确定，为咬入角。在本实施例中，板带与轧辊的摩擦系数μ=0.4。

步骤3、成形环形件

成形环形件时，根据确定的板带的放置位置将该板带一端放入两个轧辊辊面之间。调整两个轧辊的转速,使轧辊的转速ω=6rad/s，并将两个轧辊设定为同步相向旋转。

成形开始时，板带与轧辊辊面的接触点A处首先被轧辊咬入，板带依靠轧辊的旋转产生的摩擦带动整个板带沿板带长度方向运动并进入辊缝，产生塑性变形。在变形区板带宽度方向上的各金属质点在板带长度方向的流动速度由于轧辊的辊面线速度分布不同而呈单调不均匀分布:金属板带与轧辊相接触的接触变形区内靠近轧辊半径小的板带一侧，轧辊的辊面线速度小，金属质点在板带长度方向的流动速度较慢；靠近轧辊半径大的板带一侧，轧辊的辊面线速度大，金属质点在板带长度方向的流动速度快。由于金属流动速度分布的差异使变形区内板带长度方向上产生单调不均匀伸长变形。这种不均匀伸长变形协调发展使板带向形成圆环的方向发展进而成形为等厚的面内弯曲环形件。

步骤4、环形件修整

对所成形的等厚面内弯曲环形件的咬入端和出口端不平整、不规则区域进行剪裁修整。

本实施例所成形的等厚面内弯曲环件的内缘弯曲半径为62.3mm.

实施例三：

本实施例是一种在板带面内弯曲成形装置的轧辊调整机构上实现的连续成形板带等厚面内弯曲环形件的方法。所述板带面内弯曲成形装置的轧辊调整机构的技术方案公开在专利号为200810231900.1的发明专利中。本实施例中，板带面内弯曲成形装置包括第一轧辊和第二轧辊，并且所述的两个轧辊为锥形辊，第一轧辊和第二轧辊的锥顶角α=60°，各轧辊的母线长度l₀=110mm。第一轧辊和第二轧辊对称布置，并且两个轧辊轴线之间的夹角为60°。所要成形的面内弯曲环形件的厚度t=1.4mm。具体的成形过程如下：

步骤1、制备板料

根据板带面内弯曲成形装置的轧辊的形状尺寸，将铝合金3A21O裁剪为150mm×30mm×3mm的矩形板带，其中宽度b₀=20mm，满足l₀>3b₀的要求，l₀为所述轧辊母线长。

步骤2、加工参数确定

所述加工参数包括板带面内弯曲成形装置的第一轧辊和第二轧辊轧辊之间的辊缝、板带放置位置和摩擦条件。

第一轧辊和第二轧辊之间的辊缝确定

第一轧辊与第二轧辊相邻表面之间的间距为辊缝δ。辊缝δ须满足t₀/4<δ<t₀，其中t₀为原始板带的厚度。

采用板带等厚面内弯曲成形方法成形环形件前，面内弯曲成形装置的初始状态为两个轧辊的辊面相互贴合，锥顶相交，交点记为O点，此时两个轧辊之间的辊缝δ=0。确定辊缝时，首先根据所要成形环形件的厚度t=1.4mm确定出两个轧辊之间的辊缝δ，且δ=t=1.4mm。然后通过调节两个轧辊上的滑动联轴器的伸缩量，使两个轧辊分别沿着各自轴线的方向移动s距离，使两个轧辊的锥顶分别由O点移动至C、K点，其中第一轧辊沿轴向移动s距离后，该第一轧辊的锥顶处记为C点；第二轧辊沿轴向移动s距离后，该第二轧辊的锥顶处记为K点，从而得到之间的辊缝δ=1.4mm。各轧辊的移动距离s根据公式（1）确定：

$s=\frac{t}{2\sin \mathrm{\&theta;}}=\frac{1.4}{2\sin 30}=1.4\mathrm{mm}---\left(1\right)$

公式（1）中，θ是1/2轧辊顶角；t是等厚环形件的厚度。

板带放置位置的确定

将板带与第一轧辊辊面的接触点处记为A点；板带放置在第一轧辊辊面与第二轧辊辊面之间，并使该板带的下表面处于A点处。A点到第一轧辊的锥顶C的垂直距离h=80mm,并且b₀<h≤l₀。

摩擦条件的确定

本实施例中欲使轧辊能够自由咬入板带而不额外对其施加外力，在轧辊与板带尺寸、板带放置位置达到上述要求的条件下，摩擦系数μ须满足μ≥0.2，所述摩擦系数μ根据板带轧制理论中的咬入条件要求确定，为咬入角。在本实施例中，板带与轧辊的摩擦系数μ=0.4。

步骤3、成形环形件

成形环形件时，根据确定的板带的放置位置将该板带一端放入两个轧辊辊面之间。调整两个轧辊的转速,使轧辊的转速ω=8rad/s，并将两个轧辊设定为同步相向旋转。

成形开始时，板带与轧辊辊面的接触点A处首先被轧辊咬入，板带依靠轧辊的旋转产生的摩擦带动整个板带沿板带长度方向运动并进入辊缝，产生塑性变形。在变形区板带宽度方向上的各金属质点在板带长度方向的流动速度由于轧辊的辊面线速度分布不同而呈单调不均匀分布:金属板带与轧辊相接触的接触变形区内靠近轧辊半径小的板带一侧，轧辊的辊面线速度小，金属质点在板带长度方向的流动速度较慢；靠近轧辊半径大的板带一侧，轧辊的辊面线速度大，金属质点在板带长度方向的流动速度快。由于金属流动速度分布的差异使变形区内板带长度方向上产生单调不均匀伸长变形。这种不均匀伸长变形协调发展使板带向形成圆环的方向发展进而成形为等厚的面内弯曲环形件。

步骤4、环形件修整

对所成形的等厚面内弯曲环形件的咬入端和出口端不平整、不规则区域进行剪裁修整。

本实施例所成形的等厚面内弯曲环件的内缘弯曲半径为84.5mm。

Claims (1)

1.一种连续板带等厚面内弯曲成形方法，其特征在于，具体成形过程如下：

步骤1、制备板料

将铝合金裁剪成板带，并且所述板带满足l₀>3b₀的要求，l₀为轧辊母线长，b₀为板带的宽度；

步骤2、加工参数确定

所述加工参数包括板带面内弯曲成形装置的两个轧辊之间的辊缝、板带放置位置确定和摩擦条件；

第一轧辊和第二轧辊之间的辊缝确定

采用板带等厚面内弯曲成形方法成形环形件前，面内弯曲成形装置的初始状态为两个轧辊的辊面相互贴合，锥顶相交于O点，第一轧辊与第二轧辊相邻表面之间的间距为辊缝δ，辊缝δ＝0；确定辊缝时，首先根据所要成形环形件的厚度t确定两个轧辊之间的辊缝δ，且δ＝t；然后通过调节两个轧辊上的滑动联轴器的伸缩量，使两个轧辊分别沿着各自轴线的方向移动s距离，使第一轧辊的锥顶由O点移动至C，第二轧辊的锥顶由O点移动至K点，得到第一轧辊和第二轧辊之间的辊缝δ；各轧辊的移动距离s根据公式(1)确定：

$s=\frac{t}{2\sin \mathrm{\&theta;}}---\left(1\right)$

公式(1)中，θ是1/2轧辊顶角；t是等厚环形件的厚度；

所述辊缝δ须满足t₀/4<δ<t₀，其中t₀为原始板带的厚度；

板带放置位置确定

将板带与第一轧辊辊面的接触点处记为A点；板带放置在第一轧辊辊面与第二轧辊辊面之间，并使该板带的下表面处于A点处；A点到第一轧辊的锥顶C的垂直距离为h,并且b₀<h≤l₀；

摩擦条件的确定

摩擦系数μ须满足μ≥0.2，所述摩擦系数μ根据板带轧制理论中的咬入条件要求确定，为咬入角；

步骤3、成形环形件

成形环形件时，根据确定的板带的放置位置将该板带一端放入两个轧辊辊面之间；调整两个轧辊的转速ω＝2～10rad/s，并将两个轧辊设定为同步相向旋转；得到环形件；

步骤4、环形件修整

对所成形的等厚面内弯曲环形件的咬入端和出口端不平整、不规则区域进行剪裁修整。