CN114833254A - 一种电磁辅助滚弯成形方法及其成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电磁辅助滚弯成形方法及其成形装置，包括以下步骤：利用弹性辊下压板材弯曲变形，形成具有内弧面和外弧面的板材；保持弹性辊的下压位置，在板材的外弧面对板材进行周期性的电磁脉冲放电；放电增幅时，板材受到电磁加载反弯曲变形，同时，压缩弹性辊的弹性表面发生形变；放电衰减时，弹性辊的弹性表面恢复形变且迫使板材复位；驱动板材沿滚弯方向连续移动，同时，持续进行周期性的电磁脉冲放电，直至板材的连续滚弯弧长大于等于成形目标弧长。本发明通过对板材周期性的交替进行局部反弯曲和局部弯曲，能够改善板材的塑性成形性能，抑制滚弯后板材的回弹，提高小曲率薄壁弯曲零件成形后的表面质量和成形精度。

Description

一种电磁辅助滚弯成形方法及其成形装置

技术领域

本发明涉及薄壁板材的弯曲成形技术领域，特别是涉及一种电磁辅助滚弯成形方法及其成形装置。

背景技术

薄壁弯曲零件是航空航天装备气动外形的首选结构，其成形质量直接影响航空、航天装备飞行安全和使用寿命。拉伸成形(拉形)和滚弯成形是薄壁弯曲壳体最主要的成形方式。与板材拉形工艺相比、滚弯成形工艺减小了模具对板材表面的划伤、成形零件的表面质量好，有利于提高弯曲壳体的疲劳寿命，被广泛用于单曲率弯曲壳体零件的成形制造。

小曲率(大曲率半径)弯曲零件在滚弯变形过程中，由于弯曲变形量小，使得弯曲后板材塑性变形量小，再加之板材在一次弯曲后沿厚度方向应力分布不均(从弯曲板材内侧的压应力逐渐变为外侧的拉应力)，使得卸载后板材的回弹量很大，成形零件的成形控制难度大，这将导致零件的生产制造周期增加，甚至成形失败。

授权公告号为CN 102581087 B的中国专利公开了一种型材柔性滚弯成形装置及其成形方法，该成形装置包括机床、滚轮进给机构、安装在机床工作台上的工件承接机构以及机床的NC加工控制器，该工件承接机构设有容框以及置于容框内的聚氨酯橡胶块；该装置的成形方法根据欲加工工件的曲面形状，通过计算机建模程序模拟确定出滚轮进给机构的下压量和下压位置，以及确定出工作台所走的轨迹和速度，然后利用NC加工程序控制滚轮进给机构的下压量、下压位置以及工作台所走的轨迹和速度，也就是说，该方案通过调节滚轮进给机构的下压量、下压位置以及工作台所走的轨迹和速度来完成工件的成形，对于大曲率(小曲率半径)的弯曲零件来说，在一定程度上提高了加工的效率和质量，但是对于小曲率(大曲率半径)的弯曲零件来说，仍旧面临回弹量大，成形控制难度大的问题。

授权公告号为CN 109848298 B的中国专利公开了一种大型整体壁板的分区电磁复合成形方法及成形装置，方法包括S1：对板料进行滚弯预成形；S2：设置成形模具，板料放置到成形模具上；S3：将板料与成形模具夹紧；S4：将板料设置多个待变形区；S5：从板料夹紧区域向侧向对各待变形区分次施加电磁力，使板料向成形模具挤压直至所有待变形区成形完成，在完成每一个待变形区成形时将该区与成形模具夹紧；S6：在板料不发生回弹的情况下卸载夹紧力。该方案采用先滚弯预成形再进行电磁辅助成形的方式，能够对滚弯成形后的成形精度达不到的位置进行修整，但是，实质上是对于单独采用电磁成形方式的补充，目的是采用滚弯组对板料进行预成形，使成形后的板料与成形模具之间的间距大幅度降低，大幅度降低后续设备放电能量。因此，该方案对于小曲率(大曲率半径)的回弹问题并没有解决。

综上，如何解决小曲率铝合金滚弯回弹控制难题，提高滚弯成形精度，减少后续校形工艺，缩短弯曲壳体零件的生产制造周期，是板材滚弯成形工艺亟需突破的技术瓶颈。

发明内容

本发明的目的是提供一种电磁辅助滚弯成形方法及其成形装置，以解决上述现有技术存在的问题，通过在滚弯过程中周期性的对板材进行电磁加载反弯曲变形，并在弹性辊的弹性作用下迫使板材复位，能够交替进行局部反弯曲和局部弯曲，进而能够改善板材的塑性成形性能，抑制滚弯后板材的回弹，提高小曲率薄壁弯曲零件成形后的表面质量和成形精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种电磁辅助滚弯成形方法，包括以下步骤：

利用弹性辊下压板材弯曲变形，形成具有内弧面和外弧面的板材；

保持弹性辊的下压位置，在板材的外弧面对板材进行周期性的电磁脉冲放电；放电增幅时，板材受到电磁加载反弯曲变形，同时，压缩弹性辊的弹性表面发生形变；放电衰减时，弹性辊的弹性表面恢复形变且迫使板材复位；

驱动板材沿滚弯方向连续移动，同时，持续进行周期性的电磁脉冲放电，直至板材的连续滚弯弧长大于等于成形目标弧长。

优选地，如果单次电磁辅助滚弯成形后的成形精度满足成形要求，则成形结束；如果成形精度不满足成形要求，则驱动板材反向滚弯移动，继续进行电磁辅助滚弯成形，往复进行直至板材的成形精度满足成形要求。

优选地，在每一个放电周期，电磁加载下板材的局部反弯曲可以在弹性辊作用下完全恢复。

优选地，根据弹性辊直径d确定放电线圈的宽度W，W＝d*sin(5°～10°)，线圈的长度＝板材的宽度。

优选地，在每一个放电周期，板材的弧长的增量不大于2-5倍的线圈的宽度。

本发明还提供一种电磁辅助滚弯成形装置，包括呈品字形分布的弹性辊和两刚性辊，所述弹性辊与所述刚性辊之间形成板材的滚压通道，还包括用于对板材进行电磁脉冲放电的工具线圈，所述工具线圈与所述弹性辊分别位于板材的两面，所述弹性辊连接有压下装置。

优选地，所述刚性辊作为主动辊，连接有同一驱动装置。

优选地，所述弹性辊包括本体和套设在所述本体外径侧的弹性套，所述弹性套的厚度为所述弹性辊直径的0.02～0.05倍。

优选地，所述工具线圈连接在放电回路中，所述放电回路还包括与所述工具线圈串联连接的高压电容和高压开关。

优选地，所述工具线圈采用矩形线圈，所述矩形线圈的中心轴线与所述弹性辊的轴线重合，所述矩形线圈的长度与板材的宽度相等。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)本发明通过在滚弯过程中周期性的对板材进行电磁加载反弯曲变形，并在弹性辊的弹性作用下迫使板材复位，能够交替进行局部反弯曲和局部弯曲，进而能够在成形过程中通过电磁冲击改善板材(特别是轻合金)的塑性成形性能，将电磁冲击下的增塑效应与往复变形下的包辛格效应叠加，可以增加弯曲变形后的塑性变形量、释放弯曲残余应力，抑制滚弯后板材的回弹，提高小曲率薄壁弯曲零件成形后的表面质量和成形精度；

(2)本发明在电磁辅助滚弯成形过程中，可以通过正向滚弯和反向滚弯往复进行多次，通过多次成形过程后，能够反复的进行多次电磁辅助滚弯成形，从而能够进一步提高成形精度，满足成形要求；

(3)本发明在每一个放电周期，电磁加载下板材的局部反弯曲可以在弹性辊作用下完全恢复，能够避免对板材产生明显的起皱、不平整等表面缺陷；可以通过改变电磁参数、聚氨酯弹性套的参数来调节反复加载力与卸载变形量的变化；通过改变工具线圈的放电周期与滚弯速度来协调反复变形与滚弯变形，从而进一步提高成形精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电磁辅助滚弯成形工艺原理图；

图2为本发明电磁辅助滚弯成形装置主视结构示意图；

图3为本发明电磁辅助滚弯成形装置侧视结构示意图；

图4为本发明电磁辅助滚弯成形装置工具线圈示意图；

图5为本发明电磁辅助滚弯成形初始弯曲变形阶段；

图6为本发明电磁辅助滚弯成形电磁加载下的局部反弯曲变形；

图7为本发明电磁加载下的局部反弯曲变形时A截面应力分布图；

图8为本发明电磁辅助滚弯成形工艺弹性辊加载下的局部弯曲变形；

图9为本发明弹性辊加载下的局部弯曲变形时A截面的应力分布图；

图10为本发明电磁辅助滚弯成形的电磁辅助滚弯变形阶段；

其中，1、压下装置；2、机架；3、弹性辊；4、弹性套；5、第一刚性辊；6、第二刚性辊；7、驱动装置；8、高压开关；9、工具线圈；10、高压电容；11、高压电源；12、传动齿轮；13、板材。

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。

本发明的目的是提供一种电磁辅助滚弯成形方法及其成形装置，以解决现有技术存在的问题，通过在滚弯过程中周期性的对板材进行电磁加载反弯曲变形，并在弹性辊的弹性作用下迫使板材复位，能够交替进行局部反弯曲和局部弯曲，进而能够改善板材的塑性成形性能，抑制滚弯后板材的回弹，提高小曲率薄壁弯曲零件成形后的表面质量和成形精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1～10所示，本发明提供一种电磁辅助滚弯成形方法，对于成形的板材13可以为铝合金材料，例如铝锂合金材料等，具体的可以包括以下步骤：

首先，利用弹性辊3下压板材13弯曲变形，即进行初始弯曲变形阶段，在下压之前，可以将板材13横跨在两个刚性辊上形成中部悬空的形式，再将弹性辊3朝向板材13悬空的位置下压，在弹性辊3的作用下使得板材13初步变形(如图5所示)，形成具有内弧面(弹性辊3所在一侧)和外弧面(与弹性辊3相反的一侧，即工具线圈9所在一侧)的一定弧度的板材13，根据所需求弧度的大小可以调整弹性辊3相对于刚性辊下压的深度以及两个刚性辊(第一刚性辊5和第二刚性辊6)之间的间距。

其次，进行电磁辅助弯曲变形阶段，在将弹性辊3下压到指定位置后，保持弹性辊3的下压位置，在板材13的外弧面对板材13进行周期性的电磁脉冲放电；电磁脉冲放电可以采用工具线圈9，工具线圈9连接在放电回路中，放电回路并联有充电回路，通过充电回路向放电回路的高压电容10充电，通过高压电容10对工具线圈9放电实现对板材13电磁力的施加。放电增幅时，板材13受到电磁加载反弯曲变形，同时，压缩弹性辊3的弹性表面发生形变(如图6～7所示)，弹性辊3的弹性表面可以是套设在弹性辊3上的弹性套4，弹性套4可以采用天然橡胶、聚氨酯或者其他具有弹性的聚四氟乙烯等材质；放电衰减时，弹性辊3的弹性表面能够恢复形变且迫使板材13复位即弯曲变形(如图8～9所示)。

最后，驱动板材13沿滚弯方向连续移动(如图10所示)，同时，持续进行周期性的电磁脉冲放电，也就是说，滚弯与电磁脉冲放电同时进行，形成电磁辅助滚弯成形的过程，直至板材13的连续滚弯弧长大于等于成形目标弧长。

本发明通过在滚弯过程中周期性的对板材13进行电磁加载反弯曲变形，并在弹性辊3的弹性作用下迫使板材13复位，能够交替进行局部反弯曲和局部弯曲，进而在成形过程中通过电磁冲击改善板材13(特别是轻合金)的塑性成形性能，将电磁冲击下的增塑效应与往复变形下的包辛格效应叠加，可以增加弯曲变形后的塑性变形量、释放弯曲残余应力，抑制滚弯后板材13的回弹，提高小曲率薄壁弯曲零件成形后的表面质量和成形精度。

如果单次电磁辅助滚弯成形后的成形精度满足成形要求，则成形结束；如果成形精度不满足成形要求，则驱动板材13反向滚弯移动，继续进行电磁辅助滚弯成形，往复进行直至板材13的成形精度满足成形要求，通过多次成形过程后，能够进一步提高成形精度，满足成形要求。

在每一个放电周期，电磁加载下板材13的局部反弯曲可以在弹性辊3的弹性表面的作用下完全恢复，能够避免对板材13产生明显的起皱、不平整等表面缺陷；可以通过改变电磁参数、弹性辊3的弹性表面的参数来调节反复加载力与卸载变形量的变化；通过改变工具线圈9的放电周期与滚弯速度来协调反复变形与滚弯变形，从而进一步提高成形精度。

结合图4所示，工具线圈9可以采用矩形线圈，矩形线圈的中心轴线与弹性辊3的轴线重合，矩形线圈的长度与被弯曲板材13的宽度相等，即矩形线圈的长度L＝板材13的宽度W₀。矩形线圈的宽度W由弹性辊3的直径d决定，矩形线圈的宽度W与弹性辊3直径d的关系为：W＝d*sin(5°～10°)。

根据矩形线圈的宽度W和选定的放电周期T，计算获得两刚性辊的转速ω，保证一个放电周期T内，板材13的弧长的增量不大于2-5倍的线圈宽度W，即：(2-5)W≤T*ω*d/2。

再次参考图1～10所示，本发明还提供一种电磁辅助滚弯成形装置，可以应用前文记载的成形方法，同时，前文记载的成形方法也可以应用后文记载的成形装置。成形装置包括滚弯成形装置和电磁辅助系统两部分，其中滚弯成形装置包括安装在机架2上的呈品字形分布的弹性辊3和两刚性辊，两刚性辊分别为第一刚性辊5和第二刚性辊6，弹性辊3与两刚性辊之间形成板材13的滚压通道，依靠第一刚性辊5和第二刚性辊6形成两点支撑，利用弹性辊3下压实现弧度成形。弹性辊3连接有压下装置1，利用压下装置1能够实现弹性辊3的压下动作，压下装置1连接在弹性辊3的两端部，能够均匀推动弹性辊3向板材13施加变形的压力。电磁辅助系统包括用于对板材13进行电磁脉冲放电的工具线圈9，工具线圈9与弹性辊3分别位于板材13的两面。工具线圈9放电增幅时，板材13受到电磁加载反弯曲变形，同时，压缩弹性辊3的弹性表面发生形变，放电衰减时，弹性辊3的弹性表面能够恢复形变且迫使板材13复位进行弯曲变形。

第一刚性辊5和第二刚性辊6均可以作为主动辊，连接有同一驱动装置7，驱动装置7通过传动齿轮12将动力均匀分配给第一刚性辊5和第二刚性辊6，保证二者的同步转动，提供板材13均匀的滚压前行的动力。

弹性辊3可以包括本体和套设在本体外径侧的弹性套4，其中，本体可以采用刚性材质，弹性套4可以采用天然橡胶、聚氨酯或者其他具有弹性的聚四氟乙烯等材质。弹性套4与刚性本体采用过盈配合，防止弹性套4与刚性本体产生相对滑动。弹性套4的厚度a为弹性辊3直径d的0.02～0.05倍，即弹性套4的厚度a＝(0.02～0.05)d。

工具线圈9连接在放电回路中，放电回路还包括与工具线圈9串联连接的高压电容10和高压开关8，高压电容10用于向工具线圈9提供高压电能，通过高压电容10对工具线圈9放电实现对板材13电磁力的施加。工具线圈9属于电磁辅助系统中的主要部件，电磁辅助系统主要包括充电回路和放电回路两部分，充电回路设置有高压电源11，通过高压电源11实现对高压电容10充电。

工具线圈9可以采用矩形线圈，矩形线圈的中心轴线与弹性辊3的轴线重合，矩形线圈的长度与板材13的宽度相等。根据板材13的屈服强度、厚度确定使板材13发生弯曲变形的磁场强度B。选取工具线圈9的导线直径为d'，根据工具线圈9的规格尺寸(宽W、长L)，确定工具线圈9的匝数N。根据磁场强度B、工具线圈9的规格尺寸(宽W、长L)、工具线圈9的匝数N，以及电磁场理论，确定放电电压U、电流I。可以通过改变电磁参数等来调节反复加载力与卸载变形量的变化，进一步提高成形精度。

本发明具体应用时：

先确定相关的参数：用于加工成形的板材13为薄壁弯曲壳体零件：其曲率半径为ρ，厚度为t，宽度为W₀。板材13的屈服极限为σ。弹性辊3的直径为d，聚氨酯材料的弹性套4的厚度为0.05d。工具线圈9的长度L等于板材13的宽度W₀(即原始板坯宽度W₀)，工具线圈9的宽度W为d*sin(10°)。

根据板材13的屈服强度σ、厚度t和曲率半径ρ，根据塑性弯曲理论确定使板材13弯曲所需的电磁面压力p。以电磁面压力p为基础，根据电磁理论确定使板材13发生弯曲变形的磁场强度B。

选取工具线圈9的导线直径为d'，根据工具线圈9的宽度W和长度L，确定工具线圈9的线圈匝数N。

根据计算获得的板材13发生弯曲变形的磁场强度B、线圈匝数N以及工具线圈9的宽度W和长度L。根据电磁感应理论确定工具线圈9的放电电压U、线圈电流I。

根据单次放电后(即电磁加载下的局部反弯曲)板材13弯曲变形可以在弹性辊3作用下恢复，不会对板材13产生明显的起皱、不平整等表面缺陷为依据，选取工具线圈9的放电周期T。

根据工具线圈9的宽度W和选定的放电周期T，在一个放电周期T内，使板材13的弧长的增量为3倍的宽度W，3W≤T*ω*d/2，据此计算获得两刚性辊(第一刚性辊5和第二刚性辊6)的转速ω。

确定好以上参数后，进行板材13电磁辅助滚弯成形：

1)压下装置1带动弹性辊3压下，使板材13发生初始弯曲变形。

2)电磁辅助系统对发生初始弯曲后的板材13进行周期性的多次小能量电磁脉冲放电，放电周期为T。在放电周期T内，放电回路闭合，高压电容10对工具线圈9快速放电，板材13在脉冲电磁力的作用下迅速向弹性辊3侧发生变形，聚氨酯材料的弹性套4被压缩，板材13发生局部反弯曲变形。随着脉冲电磁力的衰减，被压缩的弹性套4产生回弹并对板材13加载，使板材13向工具线圈9侧发生弯曲变形。

3)电磁辅助系统对初始弯曲板材13多次小能量电磁脉冲放电的同时，驱动装置7带动两刚性辊以恒定的转速ω带动板材13滚压移动。随着板材13的移动，经过工具线圈9的局部板材13均要经历电磁力和弹性套4作用下的局部反复弯曲变形。

4)当连续滚弯板材13弧长大于等于成形目标弧长后，第一次电磁辅助滚弯成形结束。

5)第一滚弯成形板材13弧长大于等于成形目标弧长后，电磁辅助系统保持放电能量和放电周期不变，驱动装置7带动两刚性辊以转速ω反向旋转。

6)经过反复滚弯，直至板材13的成形精度满足成形要求，电磁辅助系统关闭，驱动装置7驱动的刚性辊旋转运动停止，弹性辊3在压下装置1的带动下卸载，成形结束。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种电磁辅助滚弯成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用弹性辊下压板材弯曲变形，形成具有内弧面和外弧面的板材；

保持弹性辊的下压位置，在板材的外弧面对板材进行周期性的电磁脉冲放电；放电增幅时，板材受到电磁加载反弯曲变形，同时，压缩弹性辊的弹性表面发生形变；放电衰减时，弹性辊的弹性表面恢复形变且迫使板材复位；

驱动板材沿滚弯方向连续移动，同时，持续进行周期性的电磁脉冲放电，直至板材的连续滚弯弧长大于等于成形目标弧长。

2.根据权利要求1所述的电磁辅助滚弯成形方法，其特征在于：如果单次电磁辅助滚弯成形后的成形精度满足成形要求，则成形结束；如果成形精度不满足成形要求，则驱动板材反向滚弯移动，继续进行电磁辅助滚弯成形，往复进行直至板材的成形精度满足成形要求。

3.根据权利要求1或2所述的电磁辅助滚弯成形方法，其特征在于：在每一个放电周期，电磁加载下板材的局部反弯曲可以在弹性辊作用下完全恢复。

4.根据权利要求3所述的电磁辅助滚弯成形方法，其特征在于：根据弹性辊直径d确定放电线圈的宽度W，W＝d*sin(5°～10°)，线圈的长度＝板材的宽度。

5.根据权利要求4所述的电磁辅助滚弯成形方法，其特征在于：在每一个放电周期，板材的弧长的增量不大于2-5倍的线圈的宽度。

6.一种电磁辅助滚弯成形装置，其特征在于：包括呈品字形分布的弹性辊和两刚性辊，所述弹性辊与所述刚性辊之间形成板材的滚压通道，还包括用于对板材进行电磁脉冲放电的工具线圈，所述工具线圈与所述弹性辊分别位于板材的两面，所述弹性辊连接有压下装置。

7.根据权利要求6所述的电磁辅助滚弯成形装置，其特征在于：所述刚性辊作为主动辊，连接有同一驱动装置。

8.根据权利要求7所述的电磁辅助滚弯成形装置，其特征在于：所述弹性辊包括本体和套设在所述本体外径侧的弹性套，所述弹性套的厚度为所述弹性辊直径的0.02～0.05倍。

9.根据权利要求6-8任一项所述的电磁辅助滚弯成形装置，其特征在于：所述工具线圈连接在放电回路中，所述放电回路还包括与所述工具线圈串联连接的高压电容和高压开关。

10.根据权利要求9所述的电磁辅助滚弯成形装置，其特征在于：所述工具线圈采用矩形线圈，所述矩形线圈的中心轴线与所述弹性辊的轴线重合，所述矩形线圈的长度与板材的宽度相等。

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