CN104148397B - 一种螺旋孔型斜轧轧辊柔性设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于回转塑性加工领域。一种螺旋孔型斜轧轧辊柔性设计方法，其特征在于包括如下步骤：第一步：在三维建模软件中设置和定义轧辊孔型相关参数；第二步：以轧辊基圆为截面轮廓，通过拉伸命令创建圆柱实体特征；第三步：创建初始凸棱螺旋轨迹线和轮廓截面，通过将初始凸棱轮廓截面沿螺旋轨迹线扫描，在上一步实体圆柱面上创建螺距为基本导程、高度为轧件最大横截面位置半径的初始螺旋凸棱；第四步：获得不同孔型位置的凸棱高度尺寸，实现轧辊凸棱高度按设计的变化规律变化；第五步：实现轧辊螺旋孔型的变导程几何变化特征；第六步：完成斜轧轧辊的全部三维设计。可快速、准确的生成轧辊三维实体模型，实现轧辊柔性设计，并显著提高设计效率和精度。

Description

一种螺旋孔型斜轧轧辊柔性设计方法

技术领域

本发明属于回转塑性加工领域，具体涉及一种球形、圆柱形或圆锥形等回转体零件螺旋孔型斜轧轧辊柔性设计方法。

背景技术

螺旋孔型斜轧(简称斜轧)是一种球形、圆柱形、圆锥形等回转体零件先进回转塑性成形技术，相比传统锻压、铸造和车削工艺具有优质、节能、节材、高效等显著优点，广泛用于球磨钢球、轴承钢球和滚子等回转体零件的成形制造。螺旋孔型斜轧中，精确的轧辊设计是轧辊制造以及轧制产品精度的重要保障。然而，由于轧辊模具孔型曲面较为复杂，为变导程和变高度的螺旋孔型，目前还未有一套高效、精确的设计方法。传统的设计是借助编程计算孔型曲面上特征曲线的数据点，再将其导入三维软件中依次进行各特征曲线和曲面的拟合，最后将轧辊曲面进行实体化，这一过程既繁琐复杂又降低了设计精度。另外，当设计不同尺寸规格产品的轧辊或需对轧辊孔型结构参数做调整、修正时，传统方法须逐一从头开始重新进行，耗费大量设计时间和精力。因此，现有的螺旋孔型斜轧轧辊设计过程复杂、效率低、精度差，即不符合现代设计理念，也不能较好的满足螺旋孔型斜轧工艺设计需求。

发明内容

本发明目的在于提供一种螺旋孔型斜轧轧辊柔性设计方法。基于该设计方法，通过对同一几何类型零件螺旋孔型斜轧轧辊建立参数化模型，只需输入相关的孔型几何参数，即可快速、准确的生成轧辊三维实体模型，实现轧辊柔性设计，并显著提高设计效率和精度。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是，一种螺旋孔型斜轧轧辊柔性设计方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：在三维建模软件中设置和定义轧辊孔型相关参数，主要包括轧制零件尺寸、轧辊基圆直径、孔型凸棱起始和终了凸棱高度和孔型各分区段导程值等；

第二步：以轧辊基圆为截面轮廓，通过拉伸命令创建圆柱实体特征；

第三步：创建初始凸棱螺旋轨迹线和轮廓截面，通过将初始凸棱轮廓截面沿螺旋轨迹线扫描，在上一步实体圆柱面上创建螺距为基本导程、高度为轧件最大横截面位置半径的初始螺旋凸棱；

第四步：借助尺寸关系式驱动切口截面深度方向尺寸，将此矩形切口截面沿初始凸棱螺旋轨迹线扫描，切口截面扫描过程与凸棱实体做布尔减运算，获得不同孔型位置的凸棱高度尺寸，实现轧辊凸棱高度按设计的变化规律变化；

第五步：创建包络凸棱变导程一侧多余实体材料的面组，并以此面组与凸棱实体做布尔减运算来切除变导程一侧多余实体部分，实现轧辊螺旋孔型的变导程几何变化特征；

第六步：创建储料槽、与主轴装配的中心孔和倒圆角特征，完成斜轧轧辊的全部三维设计。

其进一步特征在于：第四步，切口截面深度尺寸的驱动关系式按下述方法确定：

a)当凸棱高度按直线规律变化，切口截面深度尺寸由以下关系式来驱动：

sdx＝R-h₀+(h₀-h_b)*trajpar

式中sdx为切口截面深度尺寸代号，R为轧件最大横截面半径，h₀和h_b分别为扫描起始(孔型凸棱终了)和扫描结束(孔型凸棱起始)凸棱高度，trajpar是轨迹参数，它是从0～1的呈线性变化的一个变量，代表扫描特征的长度百分比；

b)当凸棱高度按曲线规律变化，且变化规律有确定的函数表达式h(θ)时，可将函数表达式通过变量代换将自变量螺旋孔型展开线度数θ通转化为包含trajpar的自变量，进而可以得到用来驱动切口截面深度尺寸的函数关系式：

h(θ)＝h((θ_b-θ₀)*trajpar+θ₀)

sdx＝R-h(θ)＝R-h((θ_b-θ₀)*trajpar+θ₀)

式中θ₀和θ_b分别为扫描起始(螺旋孔型终了位置)和扫描结束(螺旋孔型起始位置)螺旋凸棱展开线度数，根据初始定义的孔型成形段螺旋长度θ_f和精整段螺旋长度θ_s，由以下关系式确定：

θ₀＝θ_s

θ_b＝θ_f+θ_s

c)当凸棱高度按照经验数据设计的变化规律变化，无法用特定的函数关系来表示时，可先创建凸棱高度随螺旋孔型展开线度数θ变化的特征曲线；再借助evalgraph映射函数来表示特征曲线；最后通过包含evalgraph映射函数的下述关系式来驱动切口截面深度尺寸：

sdx＝R-evalgraph("graph_name",(θ_b-θ₀)*trajpar+θ₀)

式中，graph_name为创建的凸棱高度变化曲线名称，evalgraph映射函数表达式表示输出变量(θ_b-θ₀)*trajpar+θ₀在高度变化特征曲线中对应的高度值。

按照上述技术方案，第五步包括以下4个步骤：

a)依次创建各区段凸棱变导程一侧凸棱的理论圆弧形曲面轮廓和扫描用螺旋轨迹线，每个区段扫描轨迹轴向长度由该区段度数除以360再乘以基本导程确定，扫描螺距为各个区段对应的导程值，扫描截面轮廓如图4所示，其中平直段长度S应保证该直线段扫描时能越过圆弧型槽的最低点，可以由下式确定：

s＝(T₀-T₁₅)/4+2

其中T₁₅为凸棱最后一个区段变导程一侧的导程值；

b)以基本导程为螺距，垂直于轴向并过圆弧型槽最低点的直线段为扫描截面(图5所示)，创建过整个螺旋型槽最低点轨迹的螺旋曲面，其中扫描截面的直线段长度B按起始凸棱高度h_b的三倍确定；

c)在上述螺旋扫描曲面起始和终了截面位置用填充命令创建两个填充面；

d)通过曲面合并命令将上述创建的曲面合并为一个包络凸棱变导程侧多余实体部分的面组(图6所示)，再通过做布尔减运算切除该面组包络的凸棱变导程侧多余实体部分，从而实现轧辊螺旋孔型的变导程几何特征。

本发明的有益效果是：本发明一种螺旋孔型斜轧轧辊柔性参数化设计方法，针对轧辊螺旋孔型变高度和变导程设计的关键技术问题，先创建高度恒为零件截面最大半径、螺距恒为孔型基本导程的初始螺旋凸棱，再借助尺寸关系式驱动扫描截面深度尺寸实现凸棱变高度设计，最后通过构建包络凸棱变导程一侧多余实体材料的螺旋面组来切除多余实体部分实现螺旋孔型变导程设计。该方法直接调用三维造型软件中螺旋线等特征的创建命令，同时借助尺寸关系式来驱动螺旋扫描中变化的几何尺寸，避免了通过编程进行计算的繁琐和后续拟合引起的误差，有效地保证了螺旋孔型设计精度。同时对于具有相同工艺设计准则的某一系列尺寸零件，通过建立统一的参数化模型，当需要修改轧辊参数或者进行其它尺寸规格零件孔型斜轧轧辊设计时，只需修改定义的孔型设计参数即可快速、准确地实现三维设计，具有高效、精确、柔性设计优点。

附图说明

图1是创建初始螺旋凸棱的扫描截面示意图。

图2是创建完成的初始轧辊螺旋孔型图。

图3是实现不同孔型位置高度变化特征的轧辊螺旋孔型图。

图4是创建过凸棱变导程一侧理论轮廓的扫描截面示意图。

图5是创建过圆弧型槽最低点螺旋曲面的扫描截面示意图。

图6是包络凸棱变导程侧多余实体部分的面组图。

图7是切除凸棱变导程侧多余实体材料后的轧辊螺旋孔型图。

图8是创建完成的轧辊实体模型图。

具体实施方式

下面以典型的球形零件孔型斜轧轧辊设计为例，结合附图，说明本发明孔型斜轧轧辊柔性设计方法的具体实施方式。

本发明的一种螺旋孔型斜轧轧辊柔性设计方法，包括以下步骤：

一、在三维建模软件中设置和定义轧辊孔型相关参数，将模型精度调至0.001mm，所需参数包括：

由于孔型成形阶段分区段个数的不确定，参数化建模时默认15个区段，输入参数时，对于超出的区段的导程都输入轧辊螺旋孔型最末区段的导程值即可。各分区段导程主要用于凸棱变导程一侧理论轮廓曲面的构建，对于构建的多余区段曲面，通过后续与其他曲面合并即可去除掉。

二、以轧辊基圆(直径D_b)为截面轮廓，通过拉伸命令创建圆柱体实体特征。

三、创建初始凸棱螺旋轨迹线和轮廓截面，通过将初始凸棱轮廓截面沿螺旋轨迹线扫描，在上一步实体圆柱面上创建螺距为基本导程T₀、高度为零件最大截面半径R的初始螺旋凸棱。扫描轨迹轴向长度为设计的整个螺旋孔型结构展开后轴向长度。扫描截面为凸棱法向截面轮廓，其高度为球形零件半径R，两侧边均为球形零件截面的四分之一圆弧,其示意图如图1所示。图中T₀为孔型基本导程，L_C螺旋扫描起始位置的偏置距离，是由于在设计轴承类钢球孔型时须切除一定长度的精整凸棱而产生，由下式可确定其值：

L_C＝T₀θ_C/360

式中θ_c为孔型精整段切除长度。

螺旋扫描完成后通过进一步切除超出起始端面的多余实体部分，则得到具有恒定导程、恒定高度的初步螺旋孔型结构，如图(2)所示。

四、借助尺寸关系式驱动切口截面深度方向尺寸，将此矩形切口截面沿初始凸棱螺旋轨迹线扫描，切口截面扫描过程与凸棱实体做布尔减运算，获得不同孔型位置的凸棱高度尺寸，实现轧辊凸棱高度按设计的变化规律变化。切口截面深度尺寸的驱动关系式按下述方法确定：

a)当凸棱高度按直线规律变化，切口截面深度尺寸由以下关系式来驱动：

sdx＝R-h₀+(h₀-h_b)*trajpar

式中sdx为切口截面深度尺寸代号，R为轧件最大横截面半径，h₀和h_b分别为扫描起始(孔型凸棱终了)和扫描结束(孔型凸棱起始)凸棱高度，trajpar是轨迹参数，它是从0～1的呈线性变化的一个变量，代表扫描特征的长度百分比。

b)当凸棱高度按曲线规律变化，且变化规律有确定的函数表达式h(θ)时，可将函数表达式通过变量代换将自变量螺旋孔型展开线度数θ通转化为包含trajpar的自变量，进而可以得到用来驱动切口截面深度尺寸的函数关系式：

h(θ)＝h((θ_b-θ₀)*trajpar+θ₀)

sdx＝R-h(θ)＝R-h((θ_b-θ₀)*trajpar+θ₀)

式中θ₀和θ_b分别为扫描起始(螺旋孔型终了位置)和扫描结束(螺旋孔型起始位置)螺旋凸棱展开线度数，根据初始定义的孔型成形段螺旋长度θ_f和精整段螺旋长度θ_s，由以下关系式确定：

θ₀＝θ_s

θ_b＝θ_f+θ_s

c)当凸棱高度按照经验数据设计的变化规律变化，无法用特定的函数关系来表示时，可先创建凸棱高度随螺旋孔型展开线度数θ变化的特征曲线；再借助evalgraph映射函数来表示特征曲线；最后通过包含evalgraph映射函数的下述关系式来驱动切口截面深度尺寸：

sdx＝R-evalgraph("graph_name",(θ_b-θ₀)*trajpar+θ₀)

式中，graph_name为创建的凸棱高度变化曲线名称，evalgraph映射函数表达式表示输出变量(θ_b-θ₀)*trajpar+θ₀在高度变化特征曲线中对应的高度值。

按照上述方法，假定凸棱高度选择按最常见的直线规律变化，完成的变高度螺旋孔型三维实体如图3所示。

五、创建包络凸棱变导程一侧多余实体材料的面组，并以此面组与凸棱实体做布尔减运算来切除变导程一侧多余实体部分，实现轧辊螺旋孔型的变导程几何变化特征，包括以下4个步骤：

a)依次创建各区段凸棱变导程一侧凸棱的理论圆弧形曲面轮廓和扫描用螺旋轨迹线，每个区段扫描轨迹轴向长度由该区段度数除以360再乘以基本导程确定，扫描螺距为各个区段对应的导程值，扫描截面轮廓如图4所示，其中平直段长度S应保证该直线段扫描时能越过圆弧型槽的最低点，可以由下式确定：

s＝(T₀-T₁₅)/4+2

其中T₁₅为凸棱最后一个区段变导程一侧的导程值；

b)以基本导程为螺距，垂直于轴向并过圆弧型槽最低点的直线段为扫描截面(图5所示)，创建过整个螺旋型槽最低点轨迹的螺旋曲面，其中扫描截面的直线段长度B按起始凸棱高度h_b的三倍确定；

c)在上述螺旋扫描曲面起始和终了截面位置用填充命令创建两个填充面；

d)通过曲面合并命令将上述创建的曲面合并为一个包络凸棱变导程侧多余实体部分的面组(图6所示)，再通过做布尔减运算切除该面组包络的凸棱变导程侧多余实体部分，从而实现轧辊螺旋孔型的变导程几何特征，如图7所示。

六、创建储料槽、与主轴装配的孔和倒圆角特征，完成轧辊三维设计，如图8所示。

实例1

下面以半径R为15mm的轴承钢球斜轧成形用轧辊为例，论述球形零件斜轧成形用轧辊参数模型的建立及其可靠性。

1)依据斜轧工艺设计方法，计算得到半径R为15mm轴承钢球斜轧成形用轧辊孔型的参数，将各参数输入到如下所示的参数化模型的参数列表中(长度尺寸单位为mm，角度单位为度数)。

2)以轧辊基圆为截面轮廓，通过拉伸命令创建圆柱体实体特征。截面圆形尺寸由参数列表中直径D_b＝150mm驱动得到。

3)创建初始凸棱螺旋轨迹线和轮廓截面，通过将初始凸棱轮廓截面沿螺旋轨迹线扫描，在上一步实体圆柱面上创建初始螺旋凸棱。扫描截面如图1所示，图中各参数可由参数列表中参数驱动得到，T₀为34.319mm，L_C为25.739mm，R为15mm。

4)将矩形切口截面沿初始凸棱螺旋轨迹线扫描，切口截面扫描过程与凸棱实体做布尔减运算，获得不同孔型位置的凸棱高度尺寸，实现轧辊凸棱高度按设计的变化规律变化。由下述尺寸关系式驱动切口截面深度方向尺寸：

sdx＝15-13.6+(13.6-1.5)*trajpar

式中sdx为切口截面深度尺寸代号，trajpar是轨迹参数，它是从0～1的呈线性变化的一个变量，代表扫描特征的长度百分比。

5)创建包络凸棱变导程一侧多余实体材料的面组，并以此面组与凸棱实体做布尔减运算来切除变导程一侧多余实体部分，实现轧辊螺旋孔型的变导程几何变化特征。每个区段螺旋面组扫描长度由参数列表中对应的导程值(Lead_1到Lead_15)驱动得到。图4所示扫描截面，平直段长度S由参数列表中基本导程值和最后一个区段导程值驱动得到，为7.1615mm。图所示扫描截面中B值由参数列表中起始凸棱高度值的3倍驱动得到，为4.5mm。

6)创建储料槽、与主轴装配的孔和倒圆角特征，完成轧辊参数化三维模型设计，如图(8)所示。

基于上述方法，创建得到了球形零件斜轧成形用轧辊的三维参数化几何模型。基于该参数化模型，后续进行其他尺寸规格球形球形零件的斜轧成形用轧辊设计、制造时，只需输入相应的孔型参数，即可快速、自动生成相应的轧辊三维CAD几何模型。

为验证按上述参数化建模方法建立的轧辊三维几何模型的准确性，依据半径为15mm的轴承钢球斜轧成形用轧辊的三维CAD模型，在数控机床上实际加工、制造了对应的轧辊。将加工制造的轧辊安装于斜轧设备上进行了斜轧实验，轧制得到的轴承钢球尺寸偏差在±0.05mm附近，具有着较高的精度。由上述实验可以看出，本发明所述斜轧轧辊的参数化、柔性设计制造方法是可靠的，同时具有较高的设计效率和设计精度。

Claims (1)

1.一种螺旋孔型斜轧轧辊柔性设计方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：在三维建模软件中设置和定义轧辊孔型相关参数，相关参数包括轧件尺寸、轧辊基圆直径、孔型凸棱起始和终了凸棱高度、和孔型各区段导程值；

第二步：以轧辊基圆为截面轮廓，通过拉伸命令创建圆柱实体特征；

第三步：创建初始螺旋凸棱螺旋轨迹线和初始螺旋凸棱轮廓截面，通过将初始螺旋凸棱轮廓截面沿初始螺旋凸棱螺旋轨迹线扫描，在上一步圆柱实体特征的圆柱面上创建螺距为基本导程、高度为轧件最大横截面位置半径的初始螺旋凸棱；

第四步：借助尺寸关系式驱动矩形切口截面深度尺寸，将此矩形切口截面沿初始螺旋凸棱螺旋轨迹线扫描，矩形切口截面扫描过程与初始螺旋凸棱做布尔减运算，获得不同孔型位置的凸棱高度尺寸，实现轧辊凸棱高度按设计的变化规律变化；

驱动矩形切口截面深度尺寸的尺寸关系式按下述方法确定：

a)当凸棱高度按直线规律变化，矩形切口截面深度尺寸由以下尺寸关系式来驱动：

sdx＝R-h₀+(h₀-h_b)*trajpar

式中sdx为矩形切口截面深度尺寸代号，R为轧件最大横截面半径，h₀和h_b分别为扫描起始和扫描结束凸棱高度，trajpar是轨迹参数，它是从0～1的呈线性变化的一个变量，代表扫描特征的长度百分比；

b)当凸棱高度按曲线规律变化，且变化规律有确定的函数表达式h(θ)时，可将函数表达式通过变量代换将自变量螺旋孔型展开线度数θ通转化为包含trajpar的自变量，进而可以得到用来驱动矩形切口截面深度尺寸的尺寸关系式：

h(θ)＝h((θ_b-θ₀)*trajpar+θ₀)

sdx＝R-h(θ)＝R-h((θ_b-θ₀)*trajpar+θ₀)

式中θ₀和θ_b分别为扫描起始和扫描结束螺旋孔型展开线度数，根据初始定义的孔型成形段螺旋孔型展开线度数θ_f和精整段螺旋孔型展开线度数θ_s，由以下关系式确定：

θ₀＝θ_s

θ_b＝θ_f+θ_s

c)当凸棱高度按照经验数据设计的变化规律变化，无法用特定的函数关系来表示时，可先创建凸棱高度随螺旋孔型展开线度数θ变化的特征曲线；再借助evalgraph映射函数来表示特征曲线；最后通过包含evalgraph映射函数的下述尺寸关系式来驱动矩形切口截面深度尺寸：

sdx＝R-evalgraph("graph_name",(θ_b-θ₀)*trajpar+θ₀)

式中，graph_name为创建的凸棱高度变化的特征曲线名称，evalgraph映射函数表达式表示输出变量(θ_b-θ₀)*trajpar+θ₀在凸棱高度变化特征曲线中对应的高度值；

第五步：创建包络凸棱变导程一侧多余实体部分的面组，并以此面组与凸棱实体做布尔减运算来切除变导程一侧多余实体部分，实现轧辊螺旋孔型的变导程几何变化特征；

包括以下4个步骤：

a)依次创建各区段凸棱变导程一侧凸棱的理论圆弧形曲面轮廓和扫描用螺旋轨迹线，每个区段扫描用螺旋轨迹线轴向长度由该区段螺旋孔型展开线度数除以360再乘以基本导程确定，扫描螺距为各个区段对应的导程值，其中直线段长度S应保证该直线段扫描时能越过圆弧型槽的最低点，可以由下式确定：

s＝(T₀-T₁₅)/4+2

其中T₁₅为成形段第十五个变导程区段导程；

b)以基本导程为螺距，垂直于轴向并过圆弧型槽最低点的直线段创建扫描截面，并创建过整个螺旋型槽最低点轨迹的螺旋扫描曲面，其中扫描截面的直线段长度B按起始凸棱高度的三倍确定；

c)在上述螺旋扫描曲面起始和终了截面位置用填充命令创建两个填充面；

d)通过曲面合并命令将上述创建的面合并为一个包络凸棱变导程侧多余实体部分的面组，再通过做布尔减运算切除该面组包络的凸棱变导程侧多余实体部分，从而实现轧辊螺旋孔型的变导程几何特征；

第六步：创建储料槽、与主轴装配的中心孔和倒圆角特征，完成轧辊的全部三维设计。