CN110814176B - 采用柔性辊与弹性辊的曲面零件连续成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种了采用柔性辊与弹性辊的曲面零件连续成形方法，以一个柔性辊及一个弹性辊作为成形工具，通过控制柔性辊的轮廓曲线形状及柔性辊的压下量，使柔性辊与弹性辊之间的板料在纵向及横向同时弯曲变形；根据曲面成形件的纵向与横向曲率以及曲面成形件与弹性辊的材料参数，确定能够补偿回弹变形的柔性辊曲率与压下量，调整出所需的柔性辊轮廓形状，同时控制柔性辊的压下量，通过柔性辊的连续转动实现曲面零件的连续成形；本方法操作简单、成本低，为解决单件、小批量曲面加工问题提供了一种有效途径，可以满足金属塑性加工领域对大型曲面零件加工新技术的需求，具有广泛的应用前景。

Description

采用柔性辊与弹性辊的曲面零件连续成形方法
技术领域
本发明涉及采用柔性辊与弹性辊的曲面零件连续成形方法，属于金属塑性加工领域，适用于侧弯形三维曲面零件的低成本、快速成形。
背景技术
三维曲面零件广泛应用于飞机、轮船、高速列车、化工容器等制造领域，在现代建筑结构以及城市雕塑中双曲度曲面的需求量也越来越大。传统的模具成形技术适于零件的大批量生产，用于大尺寸、小批量的三维曲面零件加工时，由于模具成本太高，并且需要大型的成形设备，模具成形方法不再适用。随着工程上对三维曲面零件的需求越来越多，急需开发出快捷、低成本的新成形技术。基于辊弯方式的连续成形技术加工三维曲面零件不需要模具，能实现快速、高效生产，易于实现成形过程的自动控制。另外，所需的成形力小，因而设备小、投资较少，生产成本低，非常适用于加工大型的三维曲面零件。
发明内容
本发明提供采用柔性辊与弹性辊的曲面零件连续成形方法，通过对具有弯曲轮廓曲线的柔性辊施加压下量，使柔性辊与弹性辊之间的板料在纵向及横向同时弯曲变形，根据曲面成形件的纵向与横向曲率以及曲面成形件与弹性辊的材料参数，确定能够补偿回弹变形的柔性辊曲率与柔性辊压下量，并调整出所需的柔性辊轮廓形状，同时控制柔性辊的压下量，通过柔性辊的连续转动实现曲面零件的连续成形。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
采用柔性辊与弹性辊的曲面零件连续成形方法，以一个柔性辊及位于柔性辊下方的弹性辊作为成形工具，通过控制柔性辊的轮廓曲线的形状以及柔性辊的压下量，使柔性辊与弹性辊之间的板料在纵向及横向同时弯曲变形，纵向为板料的进给方向，横向垂直于板料的进给方向；弹性辊是由刚性辊及包覆在刚性辊外部的厚度为H的弹性层构成，随着柔性辊绕自身轴线的转动，带动板料连续进给，同时也带动弹性辊绕自身轴线转动，最终形成双曲度的曲面成形件；曲面成形件的横向曲率取决于柔性辊的轮廓曲线的曲率；曲面成形件的纵向曲率取决于成形过程中柔性辊的压下量；基于成形过程中板料在弹性辊上所产生的横向弹塑性弯曲变形与纵向弹塑性弯曲变形，构造出能够补偿横向回弹变形的柔性辊的轮廓曲线，并计算出能够补偿纵向回弹变形的柔性辊的压下量，进行曲面的连续成形，从而消除回弹造成的形状误差，获得精确的曲面成形件，其特征在于，本方法的具体步骤如下：
步骤1：根据曲面成形件的几何参数，确定出曲面成形件的横向曲率半径ρT及纵向曲率半径ρL；
步骤2：基于板料到曲面成形件成形过程中所产生的横向弹塑性弯曲变形与回弹变形，由方程(1)确定能够补偿横向回弹变形从而获得精确的横向曲率半径ρT的曲面成形件的柔性辊的轮廓曲线的曲率半径RT；
Figure GDA0002654841230000021
其中E为曲面成形件的材料的弹性模量，σs为曲面成型件材料的屈服应力；h为曲面成形件的厚度；
步骤3：基于成形过程中板料在弹性辊上所产生的纵向弹塑性弯曲变形与回弹变形，由方程(2)确定能够补偿纵向回弹变形从而获得精确的纵向曲率半径为ρL的曲面成形件的柔性辊的压下量δ；
Figure GDA0002654841230000022
其中：
Figure GDA0002654841230000023
Figure GDA0002654841230000024
Figure GDA0002654841230000025
其中，b为曲面成形件的宽度，k为弹性辊的弹性层的变形系数，并有k＝E0/H，其中E0为弹性层的材料的弹性模量，H为弹性层的厚度。
步骤4：根据方程(1)确定出的柔性辊的轮廓曲线的曲率半径RT及方程(2)确定的压下量δ，构造出曲率半径为RT的柔性辊的轮廓曲线，并对柔性辊施加压下量δ，使柔性辊和弹性辊之间的板料在纵向及横向同时产生弯曲变形；柔性辊绕自身轴线的转动，带动板料连续进给，连续成形出横向曲率半径为ρT、纵向曲率半径为ρL的曲面成形件。
进一步的技术方案包括：
所述的柔性辊能够小挠度弯曲，并能够绕自身弯曲后的轴线转动；柔性辊的轮廓形状由多个调形单元来控制，柔性辊及其上的全部调形单元能够整体向下移动；由方程(1)确定出的曲率半径为RT的柔性辊的轮廓曲线通过调整各调形单元的高度来获得；由方程(2)确定出的压下量δ通过柔性辊及调形单元的整体向下移动来实现。
弹性层的材料是聚氨酯或橡胶材料。
与现有的成形方式相比本发明的有益效果如下：
本发明为解决单件、小批量曲面加工问题提供了一种有效途径。这种方法是基于板料在柔性辊与弹性辊之间产生纵向弯曲变形及在柔性辊轮廓形状作用下的横向弯曲变形建立的，具有连续、局部成形的特点，所需的成形力小，以一个柔性辊与一个弹性辊作为成形工具，其设备结构简单、造价低，可实现三维曲面的快速成形。由于在柔性辊调形以及压下量确定中已对回弹变形进行了补偿，因此可以获得较好的成形效果。该成形方法可以满足金属塑性加工领域对大型曲面零件加工新技术的需求，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述的采用柔性辊与弹性辊的曲面零件连续成形方法的成形过程示意图；
图2为成形开始时刻与成形过程中的柔性辊、弹性辊、板料及曲面成形件纵向剖面图，也是图1的A-A向剖视图，Ⅰ为成形开始时刻，Ⅱ为成形过程中；
图3为成形过程中的柔性辊、弹性辊及曲面成形件的横向剖面图；
图4为柔性辊及柔性辊上的调形单元示意图；
图5为曲面成形件的横向剖面图；
图中：1.柔性辊，2.弹性辊，3.板料，4.曲面成形件，5.柔性辊的轮廓曲线，6.调形单元，7.刚性辊，8.弹性层。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的工作过程及其实施步骤。
采用柔性辊与弹性辊的曲面零件连续成形方法，以一个柔性辊1及位于柔性辊1下方的弹性辊2作为成形工具(如图1、图2所示)，通过控制柔性辊1的轮廓曲线5的形状以及柔性辊1的压下量，使柔性辊1与弹性辊2之间的板料3在纵向及横向同时弯曲变形；纵向为板料3的进给方向，横向垂直于板料3的进给方向；弹性辊2是由刚性辊7及包覆在刚性辊7外部的厚度为H的弹性层8构成，随着柔性辊绕自身轴线的转动，带动板料3连续进给，同时也带动弹性辊2绕自身轴线转动，最终形成双曲度的曲面成形件4；曲面成形件4的横向曲率取决于柔性辊1的轮廓曲线5的曲率(如图3所示)；曲面成形件4的纵向曲率取决于成形过程中柔性辊1的压下量；基于成形过程中板料3在弹性辊2上所产生的横向弹塑性弯曲变形与纵向弹塑性弯曲变形，构造出能够补偿横向回弹变形的柔性辊1的轮廓曲线5，并计算出能够补偿纵向回弹变形的柔性辊1的压下量，进行曲面的连续成形，从而消除回弹造成的形状误差，获得精确的曲面成形件4。
如图4所示，柔性辊1能够小挠度弯曲，并能够绕自身弯曲后的轴线转动；柔性辊1的轮廓形状由多个调形单元6来控制，柔性辊1及其上的全部调形单元6能够整体向下移动；由方程(1)确定出的曲率半径为RT的柔性辊的轮廓曲线5通过调整各调形单元6的高度来获得；由方程(2)确定出的压下量δ通过柔性辊1及调形单元6的整体向下移动来实现。
如图3所示，弹性辊2是由刚性辊7及其包覆在刚性辊7外部的厚度为H的弹性层8构成，弹性层8的材料可以是聚氨酯，也可以是橡胶材料。在成形过程中，柔性辊1的转动带动板料3连续进给，同时也带动弹性辊2绕其轴线的转动。
本发明所述的采用柔性辊与弹性辊的曲面零件的连续成形方法的具体步骤如下：
步骤1：根据曲面成形件4的几何参数，确定出曲面成形件4的横向曲率半径ρT(参阅图5)及纵向曲率半径ρL；
步骤2：基于板料3到曲面成形件4成形过程中所产生的横向弹塑性弯曲变形与回弹变形，参阅图4、图5，由方程(1)确定能够补偿横向回弹变形从而获得精确的横向曲率半径ρT的曲面成形件4的柔性辊1的轮廓曲线5的曲率半径RT；
Figure GDA0002654841230000051
其中E为曲面成形件4的材料的弹性模量，σs为曲面成形件(4)的材料的屈服应力；h为曲面成形件4的厚度；
步骤3：基于成形过程中板料3在弹性辊2上所产生的纵向弹塑性弯曲变形与回弹变形，由方程(2)确定能够补偿纵向回弹变形从而获得精确的纵向曲率半径为ρL的曲面成形件4的柔性辊1的压下量δ(参阅图2)；
Figure GDA0002654841230000052
其中：
Figure GDA0002654841230000053
Figure GDA0002654841230000054
Figure GDA0002654841230000055
参阅图3、图5，b为曲面成形件4的宽度；k为弹性辊2的弹性层8的变形系数，并有k＝E0/H，其中E0为弹性层8材料的弹性模量，H为弹性层8的厚度；
步骤4：根据方程(1)确定出的柔性辊1的轮廓曲线5的曲率半径RT及方程2确定的压下量δ，构造出曲率半径为RT的柔性辊1的轮廓曲线5(参阅图4)，并对柔性辊1施加压下量δ(参阅图2)，使柔性辊1和弹性辊2之间的板料3在纵向及横向同时产生弯曲变形；柔性辊1绕自身轴线的转动，带动板料3连续进给，连续成形出横向曲率半径为ρT、纵向曲率半径为ρL的曲面成形件4。

Claims (3)

1.采用柔性辊与弹性辊的曲面零件连续成形方法，以一个柔性辊(1)及位于柔性辊(1)下方的弹性辊(2)作为成形工具，通过控制柔性辊(1)的轮廓曲线(5)的形状以及柔性辊(1)的压下量，使柔性辊(1)与弹性辊(2)之间的板料(3)在纵向及横向同时弯曲变形；纵向为板料(3)的进给方向，横向垂直于板料(3)的进给方向；弹性辊(2)是由刚性辊(7)及包覆在刚性辊(7)外部的厚度为H的弹性层(8)构成，随着柔性辊(1)绕自身轴线的转动，带动板料(3)连续进给，同时也带动弹性辊(2)绕自身轴线转动，最终形成双曲度的曲面成形件(4)；曲面成形件(4)的横向曲率取决于柔性辊(1)的轮廓曲线(5)的曲率；曲面成形件(4)的纵向曲率取决于成形过程中柔性辊(1)的压下量；基于成形过程中板料(3)在弹性辊(2)上所产生的横向弹塑性弯曲变形与纵向弹塑性弯曲变形，构造出能够补偿横向回弹变形的柔性辊(1)的轮廓曲线(5)，并计算出能够补偿纵向回弹变形的柔性辊(1)的压下量，进行曲面的连续成形，从而消除回弹造成的形状误差，获得精确的曲面成形件(4)；其特征在于，本方法的具体步骤如下：
步骤1：根据曲面成形件(4)的几何参数，确定出曲面成形件(4)的横向曲率半径ρT及纵向曲率半径ρL；
步骤2：基于板料(3)到曲面成形件(4)成形过程中所产生的横向弹塑性弯曲变形与回弹变形，由方程(1)确定能够补偿横向回弹变形从而获得精确的横向曲率半径ρT的曲面成形件(4)的柔性辊(1)的轮廓曲线(5)的曲率半径RT；
Figure FDA0002654841220000011
其中：E为曲面成形件(4)的材料的弹性模量，σs为曲面成形件(4)的材料的屈服应力；h为曲面成形件(4)的厚度；
步骤3：基于成形过程中板料(3)在弹性辊(2)上所产生的纵向弹塑性弯曲变形与回弹变形，由方程(2)确定能够补偿纵向回弹变形从而获得精确的纵向曲率半径为ρL的曲面成形件(4)的柔性辊(1)的压下量δ；
Figure FDA0002654841220000021
其中：
Figure FDA0002654841220000022
Figure FDA0002654841220000023
Figure FDA0002654841220000024
b为曲面成形件(4)的宽度，k为弹性辊(2)的弹性层(8)的变形系数，并有k＝E0/H，其中E0为弹性层(8)的材料的弹性模量，H为弹性层(8)的厚度；
步骤4：根据方程(1)确定出的柔性辊(1)的轮廓曲线(5)的曲率半径RT及方程(2)确定的压下量δ，构造出曲率半径为RT的柔性辊的轮廓曲线(5)，并对柔性辊(1)施加压下量δ，使柔性辊(1)和弹性辊(2)之间的板料(3)在纵向及横向同时产生弯曲变形；柔性辊(1)绕自身轴线的转动，带动板料(3)连续进给，连续成形出横向曲率半径为ρT、纵向曲率半径为ρL的曲面成形件(4)。
2.根据权利要求1所述的采用柔性辊与弹性辊的曲面零件连续成形方法，其特征在于，所述的柔性辊(1)能够小挠度弯曲，并能够绕自身弯曲后的轴线转动；柔性辊(1)的轮廓形状由多个调形单元(6)来控制，柔性辊(1)及其上的全部调形单元(6)能够整体向下移动；由方程(1)确定出的曲率半径为RT的柔性辊(1)的轮廓曲线(5)通过调整各调形单元(6)的高度来获得；由方程(2)确定出的压下量δ通过柔性辊(1)及调形单元(6)的整体向下移动来实现。
3.根据权利要求1所述的采用柔性辊与弹性辊的曲面零件连续成形方法，其特征在于，弹性层(8)的材料是聚氨酯或橡胶材料。
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