CN109731978B - 一种筒形件旋压成形旋轮轨迹设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及旋压设计领域，尤其涉及一种筒形件旋压成形旋轮轨迹设计方法，包括的步骤有：一、以芯模、坯料为研究对象，根据芯模尺寸、坯料尺寸及芯模与坯料之间的装配关系确定旋轮轨迹的起点位置；二、选择渐开线轨迹作为曲线轨迹，并确定曲线参数；三、计算各道次旋轮轨迹及长度，计算间隙补偿量，对旋轮轨迹进行优化；四、将优化后的旋轮轨迹离散成点坐标形式，导入数控旋压机床代码；五、在数控旋压机床上对坯料进行试制，成功即可量产，失败的话返回步骤二，重新确定曲线参数，直至试制成功。本发明的有益效果是：建立了旋轮轨迹，能够对间隙量进行补偿，缩短成形时间，提高产品的生产效率。

Description

一种筒形件旋压成形旋轮轨迹设计方法

技术领域

本发明涉及旋压设计领域，尤其涉及一种筒形件旋压成形旋轮轨迹设计方法。

背景技术

随着我国制造业的发展，对高精度，快速制造的要求越来越高，然而目前旋压成形的轨迹设计主要依靠有经验的工人在CAD软件中的试错设计，所使用的轨迹曲线基本为圆弧曲线，或是通过有经验的工人在旋压机床上试制成功，然后采用录返系统录制所使用的轨迹，用于批量生产，然而无论是以上哪种轨迹设计方法，都需要不断试错和手动修改轨迹，使用起来极为麻烦其耗费精力巨大，生产效率低下。

为了解决上述问题，中国专利申请公开号CN108838265A，申请公开日为2018.11.20,名称为“曲面构件多道次旋压工艺轨迹建造方法”的专利文件中公开了一种曲面构件多道次旋压工艺轨迹建造方法，包含以下步骤：步骤S1：对法兰进行起皱预测，根据起皱预测结果获取曲面构件旋压的第一道次极限旋出角度α；步骤S2：确定多道次旋压成形道次数目N，其中N为正整数，且N≥2；步骤S3：根据设定的旋轮旋出点分配策略，确认第一道次之后每个道次的旋出角度α₁、α₂、...、α_N。但是这种建造方法依然存在缺陷，由于第一道次成形后旋轮回程至原起点位置时，此时进行第一次靠模，但旋轮与坯料间实际存在间隙量，所以靠模时旋轮会有一段空刀时间，而多道次的空刀会大大提高一个零件的生产时间，为此，需要对旋轮轨迹进行优化，从而对这段间隙进行补偿。

发明内容

本发明针对现有技术中旋轮与坯料间实际存在间隙量，导致靠模时旋轮会有一段空刀时间，而多道次的空刀会大大提高一个零件的生产时间的不足，提高一种筒形件旋压成形旋轮轨迹设计方法，能够对间隙量进行补偿，缩短成形时间，提高产品的生产效率。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种筒形件旋压成形旋轮轨迹设计方法，包括的步骤有：

一、以芯模、坯料为研究对象，根据芯模尺寸、坯料尺寸及芯模与坯料之间的装配关系确定旋轮轨迹的起点位置；

二、选择渐开线轨迹作为曲线轨迹，并确定曲线参数；

三、计算各道次旋轮轨迹及长度，计算间隙补偿量，对旋轮轨迹进行优化；

四、将优化后的旋轮轨迹离散成点坐标形式，导入数控旋压机床代码；

五、在数控旋压机床上对坯料进行试制，成功即可量产，失败的话返回步骤二，重新确定曲线参数，直至试制成功。

作为优选，步骤一中所述旋轮轨迹的起点位置为坯料的初始折弯处。

作为优选，步骤二中所述曲线参数具体包括：起始成形角、靠模量以及成形道次。

作为优选，步骤二中所述渐开线轨迹的坐标公式具体为：

P_nx＝r(cosθ+θsinθ-1)cos[α+(n-1)γ]+r(sinθ-θcosθ)sin[α+(n-1)γ]+OP₀

P_ny＝r(cosθ+θsinθ-1)sin[α+(n-1)γ]+r(θcosθ-sinθ)cos[α+(n-1)γ]+(n-1)m

其中：相比第一道次，第二道次逆时针再旋转γ角，并向y方向移动m，m即为靠模量，n为道次数，P_nx为第N道次旋轮的横坐标，P_ny为第N道次旋轮的纵坐标，r为基圆半径，θ为渐开线展角，P₀为初始位置坐标；

轨迹长度公式为：

其中，θ₀为起始角度，其值为0，Δ₀为弧长补偿量，n为成形道次数，θ_nf为第n道次的终止角度，l_n为第n道次的轨迹长度。

作为优选，步骤三中所述计算间隙补偿量的公式为：

其中，P_nQ_n为第N道次的间隙补偿量，n为成形的道次数，m为靠模量，Δr_n为初始位置的补偿量，随着成形道次的增加，初始位置也逐渐发生移动，Δα_n为第n道次坯料的回弹角。

作为优选，步骤四中所述离散成点坐标形式具体方式为：每隔一个角度取一个点坐标，可以得到每道次旋轮轨迹的离散的横纵坐标。

本发明的有益效果是：1)根据实际成形条件预先设定曲线参数，自动生成成形轨迹，且轨迹调节可以通过修改曲线参数实现，所生成的轨迹可自行导入数控旋压机床，避免了手抄CAD中代码输入机床或是采用录返系统录制轨迹的繁琐轨迹设计程序；2)提供了间隙补偿量公式，能够对间隙量进行补偿，缩短筒形件的成形时间，大幅提高筒形件的生产效率。

附图说明

图1是本发明中旋轮轨迹使用流程图；

图2是本发明中旋轮轨迹设计示意图；

图3是靠模过程中旋轮与坯料的间隙补偿示意图；

图4是本发明中旋轮轨迹优化设计示意图。

图中：1：第一道次旋轮轨迹、11：依据靠模量在y方向平移后的旋轮轨迹、2：第二道次旋轮轨迹、3：第三道次旋轮轨迹、4：第四道次旋轮轨迹、5：第五道次旋轮轨迹、6：第六道次旋轮轨迹、7：第七道次旋轮轨迹、1'：优化后第一道次旋轮轨迹、2'：优化后第二道次旋轮轨迹、3'：优化后第三道次旋轮轨迹、4'：优化后第四道次旋轮轨迹、5'：优化后第五道次旋轮轨迹、6'：优化后第六道次旋轮轨迹、7'：优化后第七道次旋轮轨迹、8：芯模、9：坯料、10：尾顶、旋轮12。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

本实施例中的坯料9是圆形坯料，通过旋压加工呈筒形件，旋轮曲线轨迹有多种，比如渐开线旋轮轨迹，圆弧曲线轨迹，贝塞尔曲线轨迹，蚌线轨迹等，本实施例中以渐开线旋轮轨迹的筒形件七道次旋压成形为例。基于以上，如图1至图4中所示，一种筒形件旋压成形旋轮轨迹设计方法，具体步骤如下：

以芯模、坯料为研究对象，因为旋压加工时，尾顶10和芯模8将坯料夹在中间共同旋转，由旋轮12对坯料进行旋压加工，尾顶和芯模具有相同的转速和旋转方向，其受力大致相同，仅方向相反，故只需选取旋轮和芯模作为研究对象，根据芯模尺寸、坯料尺寸及芯模与坯料之间的装配关系确定旋轮轨迹的起点位置，具体如图2中所示，旋轮轨迹的起点位置为坯料的初始折弯处P₀。

选择渐开线轨迹作为曲线轨迹，并确定曲线参数，包括起始成形角、靠模量以及成形道次。将渐开线的基圆圆心O₁定于线段O P₀的延长线上，基圆半径为r，得到渐开线展角θ下的初始渐开线轨迹0为P₀P₁，即：

P_0x＝rcosθ+rθsinθ-r+OP₀

P_0y＝rθcosθ-rsinθ

第一道次的旋轮轨迹1的设计通过逆时针旋转P₀P₁合适的成形角α至P₀P₂得到，即：

P_1x＝r(cosθ+θsinθ-1)cosα+r(sinθ-θcosθ)sinα+OP₀

P_1y＝r(cosθ+θsinθ-1)sinα+r(θcosθ-sinθ)cosα

第二道次的旋轮轨迹2通过将第一道次的旋轮轨迹1沿y方向移动靠模量m得到第一道次的旋轮轨迹11后再沿逆时针旋转增量角γ得到，即：

P_2x＝r(cosθ+θsinθ-1)cos(α+γ)+r(sinθ-θcosθ)sin(α+γ)+OP₀

P_2y＝r(cosθ+θsinθ-1)sin(α+γ)+r(θcosθ-sinθ)cos(α+γ)+m

其中：相比第一道次，第二道次逆时针再旋转γ角，并向y方向移动m，m即为靠模量，n为道次数，P_nx为第N道次旋轮的横坐标，P_ny为第N道次旋轮的纵坐标，r为基圆半径，θ为渐开线展角，P₀为初始位置坐标；

后续道次的旋轮轨迹采用相同的方法设计，第n道次的轨迹为：

P_nx＝r(cosθ+θsinθ-1)cos[α+(n-1)γ]+r(sinθ-θcosθ)sin[α+(n-1)γ]+OP₀

P_ny＝r(cosθ+θsinθ-1)sin[α+(n-1)γ]+r(θcosθ-sinθ)cos[α+(n-1)γ]+(n-1)m

第7道次为最后一道旋轮轨迹，为一条沿y方向的直线轨迹，起整形和矫直作用。

将旋轮轨迹离散化后得到微元段的长度为：

依据坯料直径和靠模量计算得到的第n道次旋轮轨迹长度l_n为：

其中，θ₀为起始角度，其值为0，Δ₀为弧长补偿量，n为成形道次数，θ_nf为第n道次的终止角度，l_n为第n道次的轨迹长度。

至此初步建立以渐开线旋轮轨迹的筒形件七道次旋压成形的旋轮轨迹，如图2中的1：第一道次旋轮轨迹、11：依据靠模量在y方向平移后的旋轮轨迹、2：第二道次旋轮轨迹、3：第三道次旋轮轨迹、4：第四道次旋轮轨迹、5：第五道次旋轮轨迹、6：第六道次旋轮轨迹、7：第七道次旋轮轨迹。但由于当第一道次成形后旋轮回程至原起点P₀时，旋轮与坯料、芯模间的位置关系如图3中所示，此时进行第一次靠模，但旋轮与坯料间实际存在有P₁Q₁的间隙量，所以靠模时旋轮会有一段空刀时间，而多道次的空刀会大大提高一个零件生产时间，为此，需要对这段间隙进行补偿。

虽然旋轮轨迹为渐开线型，但对于起始AC段来说，仍可近似看出是直线段，其角度近似取为α₁，而坯料回弹的角度近似取为Δα₁，对于第一道次的靠模过程而言，P₁Q₁可由以下公式推出：

AB≈r+t+R

BC＝ABtan(α₁-Δα₁)＝(r+t+R)tan(α₁-Δα₁)

其中r为芯模圆角半径，t为坯料壁厚，R为旋轮圆角半径。

根据上述原理，推导第n道次的间隙P_nQ_n以下公式所示：

其中，P_nQ_n为第N道次的间隙补偿量，n为成形的道次数，m为靠模量，Δr_n为初始位置的补偿量，随着成形道次的增加，初始位置也逐渐发生移动，Δα_n为第n道次坯料的回弹角。

根据计算间隙补偿量后得到的旋轮轨迹示意图如图4中的1'：优化后第一道次旋轮轨迹、2'：优化后第二道次旋轮轨迹、3'：优化后第三道次旋轮轨迹、4'：优化后第四道次旋轮轨迹、5'：优化后第五道次旋轮轨迹、6'：优化后第六道次旋轮轨迹、7'：优化后第六道次旋轮轨迹所示，优化后，成形道次的实际靠模量不变，而理论靠模量大大提高，也减小了成形轨迹长度，从而进一步降低了成形时间，大大提高了生产效率，降低了生产成本。

将优化后的旋轮轨迹离散成点坐标形式，导入数控旋压机床代码，每隔1°取一个点坐标，可以得到每道次旋轮轨迹的离散的横纵坐标，从而可以直接导入数控旋压机床。在数控旋压机床上对坯料进行试制，成功即可量产，失败的话重新确定曲线参数，直至试制成功。

本发明的有益效果是：1)根据实际成形条件预先设定曲线参数，自动生成成形轨迹，且轨迹调节可以通过修改曲线参数实现，所生成的轨迹可自行导入数控旋压机床，避免了手抄CAD中代码输入机床或是采用录返系统录制轨迹的繁琐轨迹设计程序；2)提供了间隙补偿量公式，能够对间隙量进行补偿，缩短筒形件的成形时间，大幅提高旋压成形的生产效率。

Claims (6)

1.一种筒形件旋压成形旋轮轨迹设计方法，其特征是，该方法具体采取如下步骤：

一、以芯模、坯料为研究对象，根据芯模尺寸、坯料尺寸及芯模与坯料之间的装配关系确定旋轮轨迹的起点位置；

二、选择渐开线轨迹作为曲线轨迹，并确定曲线参数；

三、计算各道次旋轮轨迹及长度，旋轮每次靠模回到初始位置时旋轮与坯料间存在间隙，计算该间隙的间隙补偿量，对旋轮轨迹进行优化；

四、将优化后的旋轮轨迹离散成点坐标形式，导入数控旋压机床代码；

五、在数控旋压机床上对坯料进行试制，成功即可量产，失败的话返回步骤二，重新确定曲线参数，直至试制成功。

2.根据权利要求1所述的一种筒形件旋压成形旋轮轨迹设计方法，其特征是，步骤一中所述旋轮轨迹的起点位置为坯料的初始折弯处。

3.根据权利要求1所述的一种筒形件旋压成形旋轮轨迹设计方法，其特征是，步骤二中所述曲线参数具体包括：起始成形角、靠模量以及成形道次。

4.根据权利要求1所述的一种筒形件旋压成形旋轮轨迹设计方法，其特征是，步骤二中所述渐开线轨迹的坐标公式具体为：

P_nx＝r(cosθ+θsinθ-1)cos[α+(n-1)γ]+r(sinθ-θcosθ)sin[α+(n-1)γ]+OP₀

P_ny＝r(cosθ+θsinθ-1)sin[α+(n-1)γ]+r(θcosθ-sinθ)cos[α+(n-1)γ]+(n-1)m

其中：相比第一道次，第二道次逆时针再旋转Υ角，并向y方向移动m，m即为靠模量，n为成形的道次数，P_nx为第N道次旋轮的横坐标，P_ny为第N道次旋轮的纵坐标，r为基圆半径，θ为渐开线展角，P₀为初始位置坐标，O为坯料与尾顶接触的一面的圆心，OP₀为筒形件的外半径，α为初始渐开线轨迹逆时针旋转到第一道次旋轮轨迹的旋转角；

轨迹长度公式为：

其中，θ₀为起始角度，其值为0，Δ₀为弧长补偿量，n为成形的道次数，θ_nf为第n道次的终止角度，l_n为第n道次的轨迹长度。

5.根据权利要求4所述的一种筒形件旋压成形旋轮轨迹设计方法，其特征是，步骤三中计算所述间隙补偿量的公式为：

其中，P_nQ_n为第N道次的间隙补偿量，n为成形的道次数，m为靠模量，Δr_n为初始位置的补偿量，随着成形道次的增加，初始位置也逐渐发生移动，Δα_n为第n道次坯料的回弹角，R为旋轮圆角半径，α_n为第n道次轨迹的成形角，t为坯料壁厚。

6.根据权利要求1所述的一种筒形件旋压成形旋轮轨迹设计方法，其特征是，步骤四中所述离散成点坐标形式具体方式为：每隔一个角度取一个点坐标，可以得到每道次旋轮轨迹的离散的横纵坐标。

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