CN103934320B - 一种薄壁柱面构件柔性滚弯成形边波控制的方法 - Google Patents

Abstract

一种薄壁柱面构件柔性滚弯成形边波控制的方法，步骤：设计初始变形路径1、2，根据板料与辊轮的几何关系得到各个道次辊轮位姿，分别进行数值仿真；提取仿真数据,检验结果是否满足纵向精度要求；如某个变形路径满足，则采用该变形路径，如两个都不满足，检验两个边波趋势；如边波趋势相同，调整斜率绝对值小的变形路径，重复上述步骤，如趋势相反，则设计新优化路径；建立新变形路径模型并仿真，检验是否满足纵向精度要求；如满足则采用，如不满足，则将新变形路径作为新变形路径1，原变形路径1、2两者中边波趋势与新变形路径1相反的路径作为新变形路径2，重复以上步骤，直至纵向精度满足要求。该方法能减弱边波效应，提升纵向成形精度。

Description

一种薄壁柱面构件柔性滚弯成形边波控制的方法

技术领域

本发明涉及一种柱面构件边波控制的方法，具体地，涉及一种基于数值仿真的超大直径薄壁柱面构件柔性滚弯成形边波控制的方法。

背景技术

大型复杂薄壁曲面构件是飞机、船舶、火箭等运载工具所用关键结构件，具有生产批量小、形状多样化等特点，边波是大型薄壁构件成形中容易出现的缺陷之一，表现为板材成形后边部的水平偏差，将直接影响板材的成形质量。

由于尺寸大，整体成形对装备要求较高，柔性成形是实现构件制造的重要方式。经过检索，目前并没有关于柔性成形方式边波控制方面的现有技术。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种薄壁柱面构件柔性滚弯成形边波控制的方法，通过调整变形路径从而减弱边波效应，提升构件柔性成形纵向成形精度。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种薄壁柱面构件柔性滚弯成形边波控制的方法，具体步骤如下：

1)设计两种初始变形路径，分别为变形路径1与变形路径2，根据板料与辊轮的几何关系计算得到各个道次辊轮位姿，分别进行数值仿真；

2)、提取仿真数据,检验仿真结果的纵向精度，与评价指标进行对比，检验是否满足纵向精度要求；

3)、如果某个变形路径满足纵向精度要求，则采用该变形路径，如果两个变形路径都不能满足纵向精度要求，检验两个边波趋势是否相反；

4)、如果边波趋势相同，调整通过仿真计算得到的边波趋势斜率绝对值小的变形路径，重复进行步骤1)、步骤2)、步骤3)，如果边波趋势相反，则依据初始变形路径设计新变形路径，得到优化路径；

5)、建立新变形路径的模型并进行仿真，提取仿真数据进行分析，与评价指标进行对比，检验是否满足纵向精度要求；

6)、如果新变形路径满足纵向精度要求，则采用该新变形路径，如果不满足，则将新变形路径作为新的变形路径1，原变形路径1与原变形路径2两者中边波趋势与新变形路径1相反的路径作为新的变形路径2，重复以上步骤，直至纵向精度满足要求。

步骤1)中所述的根据板料与辊轮的几何关系计算得到各个道次辊轮位姿的步骤具体为：

1)、根据道次变形因子得到各个道次成形目标半径：

$R_i=\frac{R}{{\mathrm{\α}}_i}$

i为道次序列，i＝1，2，…，n；R_i为第i个道次时的成形目标半径，R为构件的成形目标半径；α_i为第i个道次的道次变形因子；

2)、根据末位道次辊轮与板料的相切关系，可得末位道次辊轮m在x方向的坐标：

$x_{mi}=(R_i+\frac{t}{2}+r)|\sin \frac{w}{2R_n}$

t为板料厚度；w为板料宽度，r为辊轮半径与辊轮本体半径的差值；

3)、辊轮间的排布方式选择交错排布，即相邻辊轮间x方向坐标差值相同，由此得到各个辊轮x坐标：

$x_{ji}=\frac{j-1}{m-1}{x}_{mi},$

j表示辊轮序列，j＝1，2，…，m。其中m为偶数；

4)、根据辊轮与板料的位置关系，得到辊轮在y方向的坐标：

$\begin{array}{cc}{y}_{ji}=R_i-\sqrt{{(R_i-\frac{t}{2}-r)}^2-{x_{ji}}^2}+h& j=1,3,5,\mathrm{...},m-1\end{array}$

$\begin{array}{cc}{y}_{ji}=R_i-\sqrt{{(R_i+\frac{t}{2}+r)}^2-{x_{ji}}^2}-h& j=2,4,6,\mathrm{...},m,\end{array}$

h为辊轮本体的直径。

步骤2)中所述的提取仿真数据，检验仿真结果的纵向精度的步骤具体为：

1)、提取成形后板料纵向方向上各个节点的坐标(z_i，y_i)，z_i，y_i为第i道次时各节点在z方向和y方向的坐标值；

2)、对所有节点y坐标取均值得到取各个节点y坐标与均值的差值的最大值作为纵向精度，即

步骤4)中所述的依据初始变形路径设计新路径，得到优化路径的步骤具体为：

1)、对变形路径1与变形路径2得到的仿真结果提取边部坐标并进行一次拟合，分别得到相应的斜率的绝对值k₁与k₂；

2)、利用插值方法得到新路径优化公式：

${\mathrm{\α}}_{{\mathrm{path}}_{new}\_i}=\frac{k_2}{k_1+k_2}{\mathrm{\α}}_{path1\_i}+\frac{k_1}{k_1+k_2}{\mathrm{\α}}_{path2\_i}$

α_{path1_i}与α_{path2_i}分别为变形路径1与变形路径2第i个道次的变形量分配因子；

为新变形路径第i个道次的变形量分配因子。

本发明技术方案，由于柔性成形往往采用多道次辊压渐进成形，变形路径是多道次渐进成形的一个重要参数，变形路径(α₁，α₂，…，α_i，…，α_n)反映了各个道次成形量的分配情况，其中道次变形因子α_i表示第i个道次的变形量分配情况，变形路径参数具有调整范围大、对边波影响程度大、对装备设计影响小等优点，因此可以选择变形路径作为控制参数用以研究边波的控制方法，并针对柔性成形方法容易产生边波缺陷的现状，以超大直径薄壁柱面构件柔性滚弯成形为案例，设计了一种通过调整变形路径从而减弱边波效应，提升构件柔性成形纵向成形精度的方法。

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是本发明所提供的薄壁柱面构件柔性滚弯成形边波控制方法流程图；

图2是当m＝6时的辊轮序列示意图。

具体实施方式

为使本发明的实施案例的目的、技术方法更加清晰，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。

本实施例中取长度为1500mm，宽度为1500mm，厚度为13.5mm的铝合金板料2A12-O作为毛坯，采用柔性滚弯成形进行板材加工，成形过程设置为6个道次，末位道次成形半径设计为1675mm。

如图1所示：一种超大直径薄壁柱面构件柔性滚弯成形边波控制的方法，主要包括如下步骤：

首先设计两种初始变形路径，两种初始变形路径道次变形因子如表1所示。

表1

根据对称性，可采用1/2模型，只需确定3个上辊以及3个下辊的位姿即可，辊轮的序列如图2所示，分别为辊轮1～辊轮6。根据板料与辊轮的几何关系计算得到各个道次辊轮位姿，如表2所示的变形路径1各个道次辊轮位姿(单位：mm)，表3所示的变形路径2各个道次辊轮位姿(单位：mm)。

表2

表3

提取仿真数据，检验仿真结果的纵向精度，如下表所示

表4

两种初始变形路径下纵向精度均不满足精度要求，并且两种路径下边部趋势相反，因此依据初始变形路径设计新路径，得到优化路径，如表5所示的优化变形路径的道次变形因子。

表5

根据板料与辊轮的几何关系计算得到优化路径各个道次辊轮位姿，如表6所示的优化变形路径各个道次辊轮位姿(单位：mm)。

表6

提取仿真数据，检验仿真结果的纵向精度，优化变形路径下的纵向精度为2.01mm，满足精度要求，结束流程。

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 (4)

1.一种薄壁柱面构件柔性滚弯成形边波控制的方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)、设计两种初始变形路径，分别为变形路径1与变形路径2，根据板料与辊轮的几何关系计算得到各个道次辊轮位姿，分别进行数值仿真；

2)、提取仿真数据，检验仿真结果的纵向精度，与评价指标进行对比，检验是否满足纵向精度要求；

3)、如果某个变形路径满足纵向精度要求，则采用该变形路径，如果两个变形路径都不能满足纵向精度要求，检验两个边波趋势是否相反；

4)、如果边波趋势相同，调整边波斜率绝对值小的变形路径，重复进行步骤1)、步骤2)、步骤3)，如果边波趋势相反，则依据初始变形路径设计新变形路径，得到优化路径；

5)、建立新变形路径的模型并进行仿真，提取仿真数据进行分析，与评价指标进行对比，检验是否满足纵向精度要求；

6)、如果新变形路径满足纵向精度要求，则采用该新变形路径，如果不满足，则将新变形路径作为新的变形路径1，原变形路径1与原变形路径2两者中边波趋势与新变形路径1相反的路径作为新的变形路径2，重复步骤1)至步骤5)，直至纵向精度满足要求。

2.根据权利要求1所述的薄壁柱面构件柔性滚弯成形边波控制的方法，其特征在于，步骤1)中所述的根据板料与辊轮的几何关系计算得到各个道次辊轮位姿的步骤具体如下：

1)、根据道次变形因子得到各个道次成形目标半径：

$R_i=\frac{R}{{\mathrm{\α}}_i}$

i为道次序列，i＝1，2，…，n；R_i为第i个道次时的成形目标半径，R为构件的成形目标半径；α_i为第i个道次的道次变形因子；

2)、根据末位道次辊轮与板料的相切关系，可得末位道次辊轮m在第i个道次时在x方向的坐标：

$x_{mi}=(R_i+\frac{t}{2}+r)sin\frac{w}{2R}$

t为板料厚度；w为板料宽度，r为辊轮半径与辊轮本体半径的差值；

3)、辊轮间的排布方式选择交错排布，即相邻辊轮间x方向坐标差值相同，由此得到各个辊轮x在第i个道次时的坐标：

$x_{ji}=\frac{j-1}{m-1}{x}_{mi},$

j表示辊轮序列，j＝1，2，…，m，其中m为偶数；

4)、根据辊轮与板料的位置关系，得到辊轮在y方向的坐标：

$y_{ji}=R_i-\sqrt{{(R_i-\frac{t}{2}-r)}^2-{x_{ji}}^2}+h,j=1,3,5,...,m-1$

$y_{ji}=R_i-\sqrt{{(R_i+\frac{t}{2}+r)}^2-{x_{ji}}^2}-h,j=2,4,6,...,m,$

h为辊轮本体的直径。

3.根据权利要求1所述的薄壁柱面构件柔性滚弯成形边波控制的方法，其特征在于，步骤2)中所述的提取仿真数据，检验仿真结果的纵向精度的步骤具体如下：

1)、提取成形后板料纵向方向上各个节点的坐标(z_i，y_i)，z_i，y_i为第i道次时各节点在z方向和y方向的坐标值；

2)、对所有节点y坐标取均值得到取各个节点y坐标与均值的差值的最大值作为纵向精度，即

4.根据权利要求1所述的薄壁柱面构件柔性滚弯成形边波控制的方法，其特征在于，步骤4)中所述的依据初始变形路径设计新变形路径，得到优化路径的步骤具体如下：

1)、对变形路径1与变形路径2得到的仿真结果提取边部坐标并进行一次拟合，分别得到相应的斜率的绝对值k₁与k₂；

2)、利用插值方法得到新路径优化公式：

${\mathrm{\α}}_{{\mathrm{path}}_{new}\_i}=\frac{k_2}{k_1+k_2}{\mathrm{\α}}_{path1\_i}+\frac{k_1}{k_1+k_2}{\mathrm{\α}}_{path2\_i}$

α_{path1_i}与α_{path2_i}分别为变形路径1与变形路径2第i个道次的变形量分配因子；

为新变形路径第i个道次的变形量分配因子。