CN110883285A - 螺栓球双对辊球体局部连续塑性辊压装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空间网架结构中的螺栓球毛坯制作技术领域，且公开了螺栓球双对辊球体局部连续塑性辊压装置，包括支撑辊、圆柱形坯料、压辊、横向小滑台、压辊固定侧箱体、竖向滑台、机架和工作台，所述工作台的上表面固定连接有所述机架，所述机架的内部转动连接有两个所述支撑辊，两个所述支撑辊之间放置有所述圆柱形坯料；由于均为局部连续塑性变形，受力显著降低，设备功率1/20以上和结构尺寸显著减少，无噪音污染，并且从原理上消除了产生裂纹的大塑性变形因素；球度可控，热锻工艺缺点在于形状控制依靠模具和受力，而本项方法采用的力和位置控制，位置和力变化的连续性为自动控制提供了可行性。

Description

螺栓球双对辊球体局部连续塑性辊压装置

技术领域

本发明涉及空间网架结构中的螺栓球毛坯制作技术领域，具体为螺栓球双对辊球体局部连续塑性辊压装置。

背景技术

热锤锻工艺造成的局部褶皱由于难于消除，毛坯球中的细小裂纹缺陷在所难免，适用于空间网架结构中有可能由于裂纹在一定受力条件下逐步扩展成为局部破坏的因素，造成安全隐患，另一个现实问题是由于锻工环境较差，技术和体力的要求极高，随着社会生活水平提高，年轻人多不愿从事这项劳动，已经出现了人才技术断档现象，可以预见这种趋势会愈加明显且不可逆转，使用模锻方法毛坯球球度指标过大，达到2mm~3mm以上，使得数控加工中螺栓球的定位间隙不得不外移以避免撞刀现象发生，空刀行程加大，严重降低了数控加工的效率，其原因主要是锤锻过程中受力边缘区域的塑性变形方向无法控制。

在轴承钢球或者球磨钢球的制造中斜轧技术得到了应用，但是对于直径在85mm~350mm左右的大型钢球而言，在两极区内部的疏松裂纹严重，难于适用于结构件。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了螺栓球双对辊球体局部连续塑性辊压装置，解决了热锤锻工艺中，毛坯球上容易产生细小裂纹的问题，还解决了由于锻工环境较差，技术和体力的要求极高，出现了人才技术断档现的问题，最后，还解决了对于直径在85mm~350mm左右的大型钢球而言，在两极区内部的疏松裂纹严重，难于适用于结构件的问题。

（二）技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：螺栓球双对辊球体局部连续塑性辊压装置，包括支撑辊、圆柱形坯料、压辊、横向小滑台、压辊固定侧箱体、竖向滑台、机架和工作台，所述工作台的上表面固定连接有所述机架，所述机架的内部转动连接有两个所述支撑辊，两个所述支撑辊之间放置有所述圆柱形坯料，所述机架的后方固定连接有所述竖向滑台，所述竖向滑台的前表面左侧固定连接有所述压辊固定侧箱体，所述压辊固定侧箱体的底部固定连接有一个所述压辊，所述竖向滑台的前方右侧固定连接有一个所述横向小滑台，所述横向小滑台的下表面固定连接有另一个所述压辊。

优选的，两个所述支撑辊的直径相同，两个所述支撑辊之间的距离使得所述圆柱形坯料中心和所述支撑辊轴心的连线与横向形成的支撑角度α=20°~30°。

优选的，所述压辊的数量为两个，两个所述压辊的竖直中心线平行且处于两个所述圆柱形坯料对称面中。

优选的，所述压辊固定侧箱体的上方、所述支撑辊的一侧借助外部减速电动机带动旋转。

优选的，所述圆柱形坯料位于两个所述支撑辊之间，且与所述圆柱形坯料滚动接触。

优选的，两个所述压辊的廓形为圆弧形控制成形过程和球体半径，且圆弧半径为成形球体的半径，圆弧角度为π/2。

（三）有益效果

本发明提供了螺栓球双对辊球体局部连续塑性辊压装置，具备以下有益效果：

（1）、由于均为局部连续塑性变形，受力显著降低，设备功率1/20以上和结构尺寸显著减少，没有噪音污染，并且使得产生裂纹的大塑性变形因素从原理上消除；（2）、没有明显的技巧性工艺，容易实现自动化，减少劳动量；（3）、球度可控，热锻工艺缺点在于形状控制依靠模具和受力，而本项方法采用的力和位置控制，具体位置和力变化的均匀性作为控制的标准是可控制的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明图1中的局部放大结构示意图；

图3为本发明图2的侧视连接图。

图中：1、支撑辊；2、圆柱形坯料；3、压辊；4、横向小滑台；5、压辊固定侧箱体；6、竖向滑台；7、机架；8、工作台。

具体实施方式

下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，本发明提供一种技术方案：螺栓球双对辊球体局部连续塑性辊压装置，包括支撑辊1、圆柱形坯料2、压辊3、横向小滑台4、压辊固定侧箱体5、竖向滑台6、机架7和工作台8，工作台8的上表面固定连接有机架7，机架7的内部转动连接有两个支撑辊1，两个支撑辊1之间放置有圆柱形坯料2，机架7的后方固定连接有竖向滑台6，竖向滑台6的前表面左侧固定连接有压辊固定侧箱体5，压辊固定侧箱体5的底部固定连接有一个压辊3，竖向滑台6的前方右侧固定连接有一个横向小滑台4，横向小滑台4的下表面固定连接有另一个压辊3，两个支撑辊1的位置固定，均保留一个自由度为沿自身轴线转动，圆柱形坯料2放置在支撑辊1之间，由于坯料与支撑辊1表面的压力的横向分力使之稳定，横向小滑台4上有压辊3，使得滑台运动方向和压辊3的旋转轴线垂直。

控制起始点位于圆柱形坯料2未变形前中心轴线与压辊3的下表面齐平，并且压辊3轮廓线与圆柱形坯料2端面棱边相交，控制终点位于圆柱形坯料2（已经基本成为球形）轮廓线与压辊3的廓线重合，控制曲线以横向小滑台4为控制对象建立坐标系，X为横向坐标（左向为正），Y为竖向坐标（上向为正），以控制起始点为原点，控制终点为终点，建立多项式控制曲线（如二次曲线，二次曲线的第三个点可由塑性有限单元方法获得，具体计算方法：将压辊3与圆柱形坯料2作用和支撑辊1与圆柱形坯料2作用分别计算，以压辊3横向位移作为输入，计算圆柱形坯料2的塑性变形量和总的受力情况，按照几何关系计算支撑辊1与圆柱形坯料2的受力，以此力为载荷条件计算支撑辊1对坯料塑性变形的修正作用，并按几何关系得到横向压辊3的竖向位移，由以上计算可得到XY坐标，由初始点、计算点和终点三个点坐标分别代入二次曲线方程得到控制曲线的三个常量参数），需要指出，在压辊3上有可能产生向下压力过大，使得支撑辊1作用于毛坯产生的塑性变形抵消压辊3对毛坯作用产生的塑性变形，引起毛坯直径变小，从而不能收敛于球形，这种情况下可以通过减少竖向进给力或者升高Y滑台的位置，使得Y向的力减少进行塑性变形，然后再降低Y滑台，分步使得坯料收敛于球形。

本实施例中，工作时，在横向小滑台4和竖向滑台6外侧施加力，支撑辊1转动，压辊固定侧箱体5内的主轴带动压辊，压辊3与圆柱形坯料2棱边接触，摩擦力带动圆柱形坯料2旋转，并在旋转的过程中圆柱形坯料2产生局部的塑性变形，变形区和变形形状依据与支撑角度α和压辊3廓形，同时，支撑辊1与圆柱形坯料2接触，并且旋转过程中对上述的变形边缘进行塑性修整。工作时，在辊压过程中调整压辊固定侧箱体5连接的压辊3的转速可调节塑性成形速度，在压制过程末期逐步减少动力形成左右力学对称的状态，由于支撑辊1对圆柱形坯料2的力的水平分力产生的绕竖向转动的力矩基本平衡，可使之产生基本球形。工作时，基本成球的依据是：依据两个压辊3形成的圆弧是否基本闭合或者圆柱形坯料2产生绕竖向的转动。精整时，在横向小滑台4和竖向滑台6外侧施加适当力，竖向滑台6和横向小滑台4，压辊固定侧箱体5连接的压辊3转速逐步反向旋转，使得合成转动轴线沿球面转动，支撑辊1和圆柱形坯料2的接触区发生接触塑性变形，并通过圆柱形坯料2表面上所有的点，由于力的连续性可逐步修正不圆情况，以横向小滑台4和竖向滑台6的位移或者力可作为判断球度的依据。

在基本成球时，竖直方向的转动力矩（上辊中的固定侧为动力轴）超过了两个支撑辊1水平侧向力产生的阻力矩，工件会发生横向转动，和辊压运动一起合成为绕某一个方向的滚动，为了使毛坯的球度增加，可以控制压辊3的转速在辊压过程中逐步降低动力输入，使得压辊3受力左右对称，这样毛坯的最终形成的球度将会显著增加，然后逐步增加压辊3的转速，使合成的转动速度发生变化，即球体的转轴不断变化，在连续的转动过程中，沿球表面各个区域均得到辊压，主要辊压的变形区域在支撑辊1与毛坯的接触区内，此时的接触区由线接触转换为了点接触，而压辊3与毛坯的接触区为线接触，由超过平衡位置形成的压力变化量进行尺寸控制，逐步最终形成一个球体，由压力的变化量和横向滑台的位移量作为控制指标，此过程称为精整过程。

进一步的，两个支撑辊1的直径相同，两个支撑辊1之间的距离使得圆柱形坯料2中心和支撑辊1轴心的连线与横向形成的支撑角度α=20°~30°，两个支撑辊1规格相同。

进一步的，压辊3的数量为两个，两个压辊3的竖直中心线平行且处于两个圆柱形坯料2对称面中，压辊固定侧箱体5上的压辊3和横向小滑台4上的压辊3可同步上下移动，同时移动端的压辊3可水平方向左右移动，实现对圆柱形坯料2的加压。

进一步的，压辊固定侧箱体5的上方、支撑辊1的一侧借助外部减速电动机带动旋转，旋转方向产生的摩擦力均使得圆柱形坯料2沿同一个方向转动，作为辊压时的坯料转动的动力。

进一步的，圆柱形坯料2位于两个支撑辊1之间，且与圆柱形坯料2滚动接触，在工作状态下，圆柱形坯料2与压辊3处于滚动接触状态，塑性变形发生在接触区，保证了局部变形的连续性。

进一步的，两个压辊3的廓形为圆弧形控制成形过程和球体半径，且圆弧半径为成形球体的半径，圆弧角度为π/2，两个压辊3的底面始终处于同一表面。

综上可得，本发明的工作流程：圆柱形坯料2按照体积不变的假设设计，加工中所有阶段，圆柱形坯料2始终处于滚动状态，以保证局部变形的连续性，即维持毛坯旋转的连续性是前提条件，在变形初期，对圆柱形坯料2的支撑作用由支撑辊1提供，而压辊3的相互接近形成局部挤压作用，并且由于结构的对称性，圆柱形坯料2的两端变形近似相同，圆柱形坯料2棱边受到压力而发生局部塑性变形，在径向上的直径变大，而支撑辊1抑制了这种作用，每转一周的塑性变形量较小，在逐步变形过程中变形区域增大，由压辊3中的圆弧廓形控制圆柱形坯料2回转过程中的变形边界，控制横向和竖直方向上的力以及上下动力轴的转速，即可实现坯料成形速度的控制。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.螺栓球双对辊球体局部连续塑性辊压装置，包括支撑辊（1）、圆柱形坯料（2）、压辊（3）、横向小滑台（4）、压辊固定侧箱体（5）、竖向滑台（6）、机架（7）和工作台（8），其特征在于：所述工作台（8）的上表面固定连接有所述机架（7），所述机架（7）的内部转动连接有两个所述支撑辊（1），两个所述支撑辊（1）之间放置有所述圆柱形坯料（2），所述机架（7）的后方固定连接有所述竖向滑台（6），所述竖向滑台（6）的前表面左侧固定连接有所述压辊固定侧箱体（5），所述压辊固定侧箱体（5）的底部固定连接有一个所述压辊（3），所述竖向滑台（6）的前方右侧固定连接有一个所述横向小滑台（4），所述横向小滑台（4）的下表面固定连接有另一个所述压辊（3）。

2.根据权利要求1所述的螺栓球双对辊球体局部连续塑性辊压装置，其特征在于：两个所述支撑辊（1）的直径相同，两个所述支撑辊（1）之间的距离使得所述圆柱形坯料（2）中心和所述支撑辊（1）轴心的连线与横向形成的支撑角度α=20°~30°。

3.根据权利要求1所述的螺栓球双对辊球体局部连续塑性辊压装置，其特征在于：所述压辊（3）的数量为两个，两个所述压辊（3）的竖直中心线平行且处于两个所述圆柱形坯料（2）对称面中。

4.根据权利要求1所述的螺栓球双对辊球体局部连续塑性辊压装置，其特征在于：所述压辊固定侧箱体（5）的上方、所述支撑辊（1）的一侧借助外部减速电动机带动旋转，两个电机旋转方向使所述圆柱形坯料（2）旋转方向相同。

5.根据权利要求1所述的螺栓球双对辊球体局部连续塑性辊压装置，其特征在于：所述圆柱形坯料（2）位于两个所述支撑辊（1）之间，且与所述圆柱形坯料（2）滚动接触。

6.根据权利要求1所述的螺栓球双对辊球体局部连续塑性辊压装置，其特征在于：两个所述压辊（3）的廓形为圆弧形控制成形过程和球体半径，且圆弧半径为成形球体的半径，圆弧角度为π/2。

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