CN110193536A - 一种柔性热辊弯成形设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性热辊弯成形设备，它包括沿坯料输送线方向依次设置的输送模块、加热模块和成形模块，输送模块用于将直钢材坯料输送到后工序进行加工；加热模块用于对直钢材坯料进行加热处理；成形模块包括纵向电机、横向电机、外成形环、内成形环和电机控制器，内成形环内圈边沿设有环状梯形槽，环状梯形槽内圈嵌有一圈成形滚珠；横向电机的转动轴与外成形环外圈固定连接，外成形环上开设有第一通孔，纵向电机的转动轴穿过第一通孔并与内成形环外圈固定连接，纵向电机的机壳与外成形环外圈固定连接。发明继承了热辊弯成形的优点，成形力小，残余应力控制好，零件回弹小、精度高。

Description

一种柔性热辊弯成形设备及方法

技术领域

本发明涉及金属材料成形技术领域，具体地指一种柔性热辊弯成形设备及方法。

背景技术

车身轻量化是汽车工业未来发展的重要方向之一。车身重量的减轻意味着续航里程的增加，能耗的降低，排放的减少，针对代表未来发展趋势的新能源汽车而言，增加了续航里程将扩大新能源汽车的应用范围并显著提高驾驶者的用户体验，对制约新能源汽车发展的能耗问题将起到关键性作用，同时能耗的降低和排放的减少也符合汽车工业绿色发展环保产业的战略需求。

(超)高强钢的应用是实现车身轻量化的重要技术路径，但是(超)高强钢的成形存在较大的难度：成形力高、塑性差、回弹大等。热辊弯成形是解决(超)高强钢成形的重要方式，通过辊弯的方式将热态的长条状坯件零件(方管、圆管等)进行弯曲，然后进行冷却定型，达到零件的目标形状，其优点如下：

1、力学性能方面，热辊弯成形中钢材在热状态下成形时的成形力显著下降，降低了对设备的要求；

2、质量控制方面，高温成形在质量控制方面的优势主要体现在控制高强钢回弹，增加尺寸精度，避免了回弹无法预测，加大孔型设计难度的问题；

3、使用性能方面，热辊弯成形能使残余应力通过晶粒组织的回复再结晶得到释放，降低了产生过大残余应力的风险；

随着汽车工业的发展，特别是新能源汽车的推广和应用，汽车结构件逐渐呈现复杂化的趋势，不但要实现材料的轻量化，这主要体现在(超)高强钢替代一般强度钢的厚度减薄，而且要实现结构的轻量化，这主要体现在车体结构的轻量化，根据零件载荷工况的不同，采用相匹配的零件结构，用复杂形状零件来代替简单形状零件来满足车身等强度的设计要求，从而实现车身轻量化。

传统的热辊弯成形能够成形的零件形状比较简单，以一根管状坯料为例，传统的热辊弯成形能够将管状坯料的某一部位加热后进行一定角度弯曲，从而实现将圆直管变成L形圆管的成形。因此，传统热辊弯成形对坯料的成形是一次性或者是某一区域的简单重复成形，只能成形轮廓简单的零件，无法满足复杂零件形状的要求或者轻量化设计的需要。

发明内容

本发明提供一种柔性热辊弯成形设备及方法，本发明通过具有多自由度热辊弯成形环的驱动，能够实现复杂轮廓线的长形零件的成形，不受成形位置和次数的限制，并且能将传统热辊弯成形只能在二维平面成形的局限扩展到三维空间成形，实现长形坯料的任意位置、任意角度的成形，充分满足零件几何形状的设计需要。

为实现此目的，本发明所设计的柔性热辊弯成形设备，其特征在于，它包括沿坯料输送线方向依次设置的输送模块、加热模块和成形模块，其中输送模块用于将直钢材坯料输送到后工序进行加工；所述加热模块用于对直钢材坯料进行加热处理；

所述成形模块包括纵向电机、横向电机、外成形环、内成形环和电机控制器，内成形环内圈边沿设有环状梯形槽，环状梯形槽内圈嵌有一圈成形滚珠，所述内成形环的内圈区域作为成形孔，所述内成形环位于外成形环内部，所述内成形环与外成形环同轴；

所述横向电机的转动轴与外成形环外圈固定连接，外成形环上开设有第一通孔，纵向电机的转动轴穿过第一通孔并与内成形环外圈固定连接，纵向电机的机壳与外成形环外圈固定连接，所述电机控制器的横向电机控制信号输出端连接横向电机的控制信号输入端，电机控制器的纵向电机控制信号输出端连接纵向电机的控制信号输入端。

一种基于上述设备的柔性热辊弯成形方法，它包括如下步骤：

步骤1：输送模块将直钢材坯料向后续工序输送；

步骤2：加热模块对直钢材坯料加热到目标温度；

步骤3：加热后的直钢材坯料进入成形模块的成形孔后外表面与各个成形滚珠进行点接触，纵向电机和/或横向电机控制成形孔滚动，同时，输送模块控制直钢材坯料的输送速度，当成形孔在纵向电机和/或横向电机的驱动下发生转动时，成形滚珠在加热后的直钢材坯料表面滚动，对加热后的直钢材坯料产生弯矩，使加热后的直钢材坯料弯曲成目标形状；

步骤4：冷却模块对成形后的直钢材坯料冷却硬化。

本发明具有如下有益效果：

1、该发明继承了热辊弯成形的优点，成形力小，残余应力控制好，零件回弹小、精度高；

2、该发明实现了传统热辊弯成形无法实现的复杂几何形状零件的成形，理论上可以实现任何空间形状的条状坯料的成形，大大拓展了热辊弯成形的应用范围；

3、该发明采用了独特的成形结构，坯料与成形滚珠之间采用点接触，内成形环一圈滚珠与坯料接触点的连线正好是零件的目标截面，可以实现任意时刻零件弯曲不受干涉影响，保证了成形的连续性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中成形模块结构原理图；

图3为本发明中成形模块爆炸结构示意图；

图4为本发明中内成形环细部结构图；

图5为本发明中目标零件的结构图；

图6为本发明中目标零件的轮廓线；

图7为目标零件在X-Y平面轮廓线投影；

图8为目标零件在X-Z平面轮廓线投影；

图9为目标零件在X-Y平面轮廓线角度θ_Y曲线；

图10为目标零件在X-Z平面轮廓线角度θ_X曲线。

其中，1—输送模块、2—加热模块、3—成形模块、3.1—纵向电机、3.2—横向电机、3.3—外成形环、3.4—内成形环、3.5—环状梯形槽、3.6—成形滚珠、3.7—成形孔、3.8—第一通孔、3.9—电机控制器、3.10—第二通孔、3.11—支持转轴、4—冷却模块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明所设计的柔性热辊弯成形设备，如图1～4所示，它包括沿坯料输送线方向依次设置的输送模块1、加热模块2和成形模块3，其中输送模块1用于将直钢材坯料输送到后工序进行加工；所述加热模块2用于对直钢材坯料进行加热处理(加热到500～700摄氏度)；

所述成形模块3包括纵向电机3.1、横向电机3.2、外成形环3.3、内成形环3.4和电机控制器3.9，内成形环3.4内圈边沿设有环状梯形槽3.5，环状梯形槽3.5内圈嵌有一圈成形滚珠3.6，所述内成形环3.4的内圈区域作为成形孔3.7，所述内成形环3.4位于外成形环3.3内部，所述内成形环3.4与外成形环3.3同轴，成形孔3.7仅根据直钢材坯料的截面定义，直钢材坯料进入成形孔3.7后通过内成形环3.4的转动进行成形；

所述横向电机3.2的转动轴与外成形环3.3外圈固定连接，外成形环3.3上开设有第一通孔3.8，纵向电机3.1的转动轴穿过第一通孔3.8并与内成形环3.4外圈固定连接，纵向电机3.1的机壳与外成形环3.3外圈固定连接，所述电机控制器3.9的横向电机控制信号输出端连接横向电机3.2的控制信号输入端，电机控制器3.9的纵向电机控制信号输出端连接纵向电机3.1的控制信号输入端。

上述技术方案中，它还包括位于在成形模块3之后的冷却模块4，冷却模块4用于对成形后的直钢材坯料冷却硬化。

上述技术方案中，输送模块1需要控制后续工艺的两个参数，分别是输送速度V和输送力F，均由输送模块1的内部电机控制，输送速度V将影响加热模块的加热效果和最终的成形温度T，成形模块成形辊的柔性转动路径也与输送速度V相关，输送力F在一定程度上可以影响成形的质量。

上述技术方案中，所述加热模块2为电磁感应加热炉，所述电磁感应加热炉的出口处设有测温枪，测温枪用来测定加热后的直钢材坯料进入成形模块3时的温度。电磁感应加热的优点是升温快，零件表面温差小，非常适应这种连续的成形作业。

上述技术方案中，所述横向电机3.2的机壳与大地固定连接，所述横向电机3.2的转动轴用于驱动外成形环3.3在X-Y平面转动，纵向电机3.1的转动轴用于驱动内成形环3.4在X-Z平面转动(X轴与Y轴为水平面上的轴线，Z轴为竖直方向上的轴线)。通过外成形环3.3在X-Y平面的转动叠加内成形环3.4在X-Z平面的转动，可以实现内成形环在三维空间范围内的转动。

上述技术方案中，所述成形模块3还包括支持转轴3.11，内成形环3.4外圈边沿设有与支持转轴3.11对应的支持转轴孔，第一通孔3.8正对面的外成形环3.3上开设有第二通孔3.10，第二通孔3.10与第一通孔3.8同轴连接，支持转轴3.11穿过第二通孔3.10插入内成形环3.4的支持转轴孔中，所述内成形环3.4能相对支持转轴3.11转动。

上述技术方案中，所述成形滚珠3.6能在环状梯形槽3.5内发生自转或者沿着环状梯形槽3.5的圆形轨迹滚动，加热后的直钢材坯料进入成形孔3.7后外表面与各个成形滚珠3.6进行点接触，纵向电机3.1和/或横向电机3.2控制成形孔3.7滚动，同时，输送模块1控制直钢材坯料的输送速度，当成形孔3.7在纵向电机3.1和/或横向电机3.2的驱动下发生转动时，成形滚珠3.6在加热后的直钢材坯料表面滚动，对加热后的直钢材坯料产生弯矩，使加热后的直钢材坯料弯曲成目标形状。由于任何时刻，成形滚珠与坯料表面都是点接触，因此可以保证弯曲成形的连续性。

上述技术方案中，所述横向电机3.2的转动轴与外成形环3.3外圈垂直，纵向电机3.1的转动轴与内成形环3.4外圈垂直。

一种基于上述设备的柔性热辊弯成形方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：输送模块1将直钢材坯料向后续工序输送；

步骤2：加热模块2对直钢材坯料加热到目标温度(500～700摄氏度)；

步骤3：加热后的直钢材坯料进入成形模块3的成形孔3.7后外表面与各个成形滚珠3.6进行点接触，纵向电机3.1和/或横向电机3.2控制成形孔3.7滚动，同时，输送模块1控制直钢材坯料的输送速度，当成形孔3.7在纵向电机3.1和/或横向电机3.2的驱动下发生转动时，成形滚珠3.6在加热后的直钢材坯料表面滚动，对加热后的直钢材坯料产生弯矩，使加热后的直钢材坯料弯曲成目标形状(如图5所示的复杂管状零件)；

步骤4：冷却模块4对成形后的直钢材坯料冷却硬化(冷却到室温)，具体方法为几个水柱喷向成形孔3.7的出口处。

上述技术方案的步骤3中，纵向电机3.1和/或横向电机3.2控制成形孔3.7滚动，同时，输送模块1控制直钢材坯料的输送速度，使加热后的直钢材坯料弯曲成目标形状的具体方法为：

对于目标零件的形状，提取其轮廓线，如图6所示，轮廓线为目标零件形状截面形心点的集合，该轮廓线为三维体系下的空间曲线，将该曲线分别投影到X-Y平面和X-Z平面，得到该曲线在X-Y平面和X-Z平面的分量，如图7和8所示，得到Y和Z关于X轴的函数，表示为Y(X)和Z(X)函数，然后分别对两个函数进行求导，得到Y′(X)和Z′(X)，该函数的含义是在X-Y平面和X-Z平面内成形环3.4转动角度变换的轨迹，其角度分别记为θ_Y(X)和θ_Z(X)，如图9和10所示；

Y(X)→Y′(X)＝θ_Y(X)

Z(X)→Z′(X)＝θ_z(X)

其中，箭头代表推导的意思，从箭头前面的函数进行求导得到箭头后面函数；

同时直钢材坯料在X方向的速度通过输送模块1进行输入，其控制参数为X方向位移与时间t的函数，即X(t)，直钢材坯料的输送速度为定值V，因此X(t)函数为线性，将θ_Y(X)和θ_Z(X)分别与X(t)联合求解，可以得到θ_Y(t)和θ_Z(t)，即得到X-Y平面内成形环3.4转动角度α与时间t的关系，X-Z平面内成形环3.4转动角度β与时间t的关系；

其中，箭头前面两个方程联合求解可得箭头后面的方程；

将α＝θ_Y(t)函数输入给横向电机3.2，将β＝θ_Z(t)函数输入给纵向电机3.1，这样通过输送模块1、横向电机3.2和纵向电机3.1的配合实现内成形环3.4对直钢材坯料的成形，理论上可以将坯料在三维空间弯曲成任意形状，一根坯料完成成形，另一根坯料继续成形，循环往复。

上述技术方案中，直钢材坯料的输送速度定值V可以保证加热能够将坯料温度升至T摄氏度，并且保证生产效率；

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种柔性热辊弯成形设备，其特征在于，它包括沿坯料输送线方向依次设置的输送模块(1)、加热模块(2)和成形模块(3)，其中输送模块(1)用于将直钢材坯料输送到后工序进行加工；所述加热模块(2)用于对直钢材坯料进行加热处理；

所述成形模块(3)包括纵向电机(3.1)、横向电机(3.2)、外成形环(3.3)、内成形环(3.4)和电机控制器(3.9)，内成形环(3.4)内圈边沿设有环状梯形槽(3.5)，环状梯形槽(3.5)内圈嵌有一圈成形滚珠(3.6)，所述内成形环(3.4)的内圈区域作为成形孔(3.7)，所述内成形环(3.4)位于外成形环(3.3)内部，所述内成形环(3.4)与外成形环(3.3)同轴；

所述横向电机(3.2)的转动轴与外成形环(3.3)外圈固定连接，外成形环(3.3)上开设有第一通孔(3.8)，纵向电机(3.1)的转动轴穿过第一通孔(3.8)并与内成形环(3.4)外圈固定连接，纵向电机(3.1)的机壳与外成形环(3.3)外圈固定连接，所述电机控制器(3.9)的横向电机控制信号输出端连接横向电机(3.2)的控制信号输入端，电机控制器(3.9)的纵向电机控制信号输出端连接纵向电机(3.1)的控制信号输入端。

2.根据权利要求1所述的柔性热辊弯成形设备，其特征在于：它还包括位于在成形模块(3)之后的冷却模块(4)，冷却模块(4)用于对成形后的直钢材坯料冷却硬化。

3.根据权利要求1所述的柔性热辊弯成形设备，其特征在于：所述加热模块(2)为电磁感应加热炉，所述电磁感应加热炉的出口处设有测温枪，测温枪用来测定加热后的直钢材坯料进入成形模块(3)时的温度。

4.根据权利要求1所述的柔性热辊弯成形设备，其特征在于：所述横向电机(3.2)的机壳与大地固定连接，所述横向电机(3.2)的转动轴用于驱动外成形环(3.3)在X-Y平面转动，纵向电机(3.1)的转动轴用于驱动内成形环(3.4)在X-Z平面转动。

5.根据权利要求1所述的柔性热辊弯成形设备，其特征在于：所述成形模块(3)还包括支持转轴(3.11)，内成形环(3.4)外圈边沿设有与支持转轴(3.11)对应的支持转轴孔，第一通孔(3.8)正对面的外成形环(3.3)上开设有第二通孔(3.10)，第二通孔(3.10)与第一通孔(3.8)同轴连接，支持转轴(3.11)穿过第二通孔(3.10)插入内成形环(3.4)的支持转轴孔中，所述内成形环(3.4)能相对支持转轴(3.11)转动。

6.根据权利要求1所述的柔性热辊弯成形设备，其特征在于：所述成形滚珠(3.6)能在环状梯形槽(3.5)内发生自转或者沿着环状梯形槽(3.5)的圆形轨迹滚动，加热后的直钢材坯料进入成形孔(3.7)后外表面与各个成形滚珠(3.6)进行点接触，纵向电机(3.1)和/或横向电机(3.2)控制成形孔(3.7)滚动，同时，输送模块(1)控制直钢材坯料的输送速度，当成形孔(3.7)在纵向电机(3.1)和/或横向电机(3.2)的驱动下发生转动时，成形滚珠(3.6)在加热后的直钢材坯料表面滚动，对加热后的直钢材坯料产生弯矩，使加热后的直钢材坯料弯曲成目标形状。

7.根据权利要求1所述的柔性热辊弯成形设备，其特征在于：所述横向电机(3.2)的转动轴与外成形环(3.3)外圈垂直，纵向电机(3.1)的转动轴与内成形环(3.4)外圈垂直。

8.一种基于权利要求1所述设备的柔性热辊弯成形方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：输送模块(1)将直钢材坯料向后续工序输送；

步骤2：加热模块(2)对直钢材坯料加热到目标温度；

步骤3：加热后的直钢材坯料进入成形模块(3)的成形孔(3.7)后外表面与各个成形滚珠(3.6)进行点接触，纵向电机(3.1)和/或横向电机(3.2)控制成形孔(3.7)滚动，同时，输送模块(1)控制直钢材坯料的输送速度，当成形孔(3.7)在纵向电机(3.1)和/或横向电机(3.2)的驱动下发生转动时，成形滚珠(3.6)在加热后的直钢材坯料表面滚动，对加热后的直钢材坯料产生弯矩，使加热后的直钢材坯料弯曲成目标形状；

步骤4：冷却模块(4)对成形后的直钢材坯料冷却硬化。

9.根据权利要求8所述的柔性热辊弯成形方法，其特征在于：所述步骤3中，纵向电机(3.1)和/或横向电机(3.2)控制成形孔(3.7)滚动，同时，输送模块(1)控制直钢材坯料的输送速度，使加热后的直钢材坯料弯曲成目标形状的具体方法为：

对于目标零件的形状，提取其轮廓线，轮廓线为目标零件形状截面形心点的集合，该轮廓线为三维体系下的空间曲线，将该曲线分别投影到X-Y平面和X-Z平面，得到该曲线在X-Y平面和X-Z平面的分量，得到Y和Z关于X轴的函数，表示为Y(X)和Z(X)函数，然后分别对两个函数进行求导，得到Y′(X)和Z′(X)，该函数的含义是在X-Y平面和X-Z平面内成形环(3.4)转动角度变换的轨迹，其角度分别记为θ_Y(X)和θ_Z(X)；

Y(X)→Y′(X)＝θ_Y(X)

Z(X)→Z′(X)＝θ_Z(X)

同时直钢材坯料在X方向的速度通过输送模块(1)进行输入，其控制参数为X方向位移与时间t的函数，即X(t)，直钢材坯料的输送速度为定值V，因此X(t)函数为线性，将θ_Y(X)和θ_Z(X)分别与X(t)联合求解，可以得到θ_Y(t)和θ_Z(t)，即得到X-Y平面内成形环(3.4)转动角度α与时间t的关系，X-Z平面内成形环(3.4)转动角度β与时间t的关系；

将α＝θ_Y(t)函数输入给横向电机(3.2)，将β＝θ_Z(t)函数输入给纵向电机(3.1)，这样通过输送模块(1)、横向电机(3.2)和纵向电机(3.1)的配合实现内成形环(3.4)对直钢材坯料的成形。