一种侧弯类曲面零件的连续辊压成形方法

摘要

本发明提供了一种侧弯类曲面零件的连续辊压成形方法，在带有凸形轮廓型面的上工作辊和带有凹形轮廓型面的下工作辊之间，形成中线是曲线形状并且宽度是非等值分布的辊缝，随着上工作辊和下工作辊绕各自轴线的转动，板料被连续辊压成形；通过合理设计上、下辊轮廓之间的辊缝宽度与辊缝形状，使辊压后的板料在获得与辊缝中线一致的截面形状的同时，在宽度方向上受到不均匀压缩，产生不均匀分布的伸长量，从而形成连续侧向弯曲，最后获得侧弯形三维曲面零件；本方法所需的成形力小、设备结构简单、造价低，能实现侧弯类曲面零件的高效、低成本加工，并能提高材料的利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种侧弯类曲面零件的连续辊压成形方法，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。在各种形状的三维曲面零件中，大型侧弯类曲面零件的成形与加工存在较大的难度。由于曲面有较大的侧向弯曲，拉伸成形方法不适用于此类零件。另外，这些曲面零件通常是单件、小批量生产，采用传统的模具成形方法，模具制造的成本太高，并且需要大型的成形设备。随着工程上对侧弯类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。

发明内容

本发明为克服现有成形方式中存在的成形与加工难度大、成本高等问题，提供了一种连续辊压成形方法，通过合理设计上、下辊型面轮廓之间的辊缝宽度与辊缝形状，使辊压后的板料获得所需的截面形状的同时，板料被不均匀压缩，产生沿宽度方向上不均匀分布的伸长量，从而形成连续侧向弯曲，最后获得侧弯形的三维曲面零件。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种侧弯类曲面零件的连续辊压成形方法，以带有凸形轮廓型面的上工作辊和带有凹形轮廓型面的下工作辊为成形工具，在上工作辊和下工作辊之间形成中线是曲线形状、并且宽度是非等值分布的辊缝，通过上工作辊和下工作辊绕各自轴线的转动对板料进行连续辊压成形，使辊压后的板料在获得与辊缝的辊缝中线一致的截面形状的同时，沿宽度方向被不均匀压缩，产生不均匀分布的伸长量，从而导致辊压后的板料连续侧向弯曲变形，最终形成侧弯形曲面零件，其特征在于，本方法的具体步骤如下：

步骤1：根据侧弯形曲面零件的几何参数，确定侧弯形曲面零件的横截面曲线z＝g(x)、侧弯形曲面零件的厚度t及侧弯形曲面零件的外缘的曲率半径R；其中的x-坐标轴与上工作辊和下工作辊的轴线方向平行，z-坐标轴沿着侧弯形曲面零件的高度方向；

步骤2：根据侧弯形曲面零件的几何参数，设计板料的几何参数，板料的宽度b由式(1)计算，板料的厚度H由式(2)计算；

其中，x₁为侧弯形曲面零件的横截面曲线z＝g(x)的左端点的x坐标，x₂为侧弯形曲面零件的横截面曲线z＝g(x)的右端点的x坐标；

步骤3：根据侧弯形曲面零件与板料的几何形状参数，设计出用于辊压成形的上工作辊的凸形轮廓型面与下工作辊的凹形轮廓型面：

1)上工作辊的凸形轮廓型面的轮廓曲线的坐标x^T、z^T的计算公式为：

其中α为辊缝中线的切线方向与x-坐标轴的夹角，并有α＝arctg[g'(x)]；

2)下工作辊的凹形轮廓型面的轮廓曲线的坐标x^B、z^B的计算公式为：

步骤4：根据式(3)确定的上工作辊的凸形轮廓型面的轮廓曲线来设计上工作辊的凸形轮廓型面，根据式(4)确定的下工作辊的凹形轮廓型面的轮廓曲线来设计下工作辊的凹形轮廓型面，使上工作辊的凸形轮廓型面与下工作辊的凹形轮廓型面之间形成的辊缝其宽度非等值分布，并且辊缝的辊缝中线的曲线是曲线z＝g(x)；在上工作辊和下工作辊绕各自轴线旋转的过程中，对板料进行连续辊压，使辊压后的板料获得与辊缝中线一致的截面形状，同时，辊压后的板料产生沿宽度方向不均匀分布的伸长量，形成面内连续侧向弯曲，最终形成侧弯形状的侧弯形曲面零件。

进一步的技术方案包括：

板料可在室温下进行冷辊压成形，也可以对板料高温加热后进行热辊压成形。

所述的上工作辊是上刚性工作辊，所述的下工作辊是下刚性工作辊。由式确定出的凸形轮廓型面加工在上刚性工作辊上，由式(4)确定出的凹形轮廓型面加工在下刚性工作辊上。

所述的上工作辊是上柔性工作辊，所述的下工作辊是下柔性工作辊。上柔性工作辊与下柔性工作辊都能够小挠度弯曲，并能够绕各自弯曲后的轴线转动。由式(3)确定出的凸形轮廓型面通过上调形机构调整上柔性工作辊的轮廓形状来获得，由式(4)确定出的凹形轮廓型面通过下调形机构调整下柔性工作辊的轮廓形状来获得。

与现有的成形方式相比本发明的有益效果如下：

本发明为解决侧弯类曲面零件的单件、小批量加工问题提供了一种有效途径。这种辊压成形方法是基于不均匀减薄及侧向弯曲变形建立的，具有连续、局部成形的特点，所需的成形力小；采用上、下两个工作辊作为成形工具，其设备结构简单、造价低，能实现侧弯类曲面零件的高效、低成本加工，并能提高材料的利用率，而且由于板料在压缩减薄过程中材料发生较大的塑性变形，因此，这种曲面成形方法的回弹小，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侧弯类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为本发明所述的一种侧弯类曲面零件的连续辊压成形方法的成形过程示意图；

图2为板料的截面图，即图1中C-C方向的剖面图；

图3为侧弯形曲面零件示意图；

图4为侧弯形曲面零件沿图3中D-D方向的剖面图；

图5为辊压成形时的上工作辊与下工作辊之间的辊缝的剖面图，即图1中A-A方向剖面图；

图6为辊压成形时的上工作辊、下工作辊及板料的横向剖面图，即图1中B-B方向剖面图；

图7为采用刚性工作辊的辊压成形过程示意图；

图8为采用柔性工作辊的辊压成形过程示意图；

图中：1.上工作辊，2.下工作辊，3.板料，4.侧弯形曲面零件，4a.辊压后的板料，5.外缘，6.凸形轮廓型面，7.凹形轮廓型面，8.辊缝，9.辊缝中线，10.上刚性工作辊，11.下刚性工作辊，12.上柔性工作辊，13.下柔性工作辊，14.上调形机构，15.下调形机构。

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。

一种侧弯类曲面零件的连续辊压成形方法，以带有凸形轮廓型面的上工作辊1和带有凹形轮廓型面的下工作辊2为成形工具(如图1、图6所示)，在上工作辊1和下工作辊2之间形成中线是曲线形状、并且宽度是非等值分布的辊缝8(如图5所示)，通过上工作辊1和下工作辊2绕各自轴线的转动对板料3进行连续辊压成形(如图6所示)，使辊压后的板料4a在获得与辊缝8的辊缝中线9一致的截面形状的同时，沿宽度方向被不均匀压缩，产生不均匀分布的伸长量，从而导致辊压后的板料4a连续侧向弯曲变形，最终形成侧弯形曲面零件4(如图3、图4所示)。

板料3可在室温下进行冷辊压成形，也可以高温加热后进行热辊压成形。

如图7所示，上工作辊1是上刚性工作辊10，下工作辊2是下刚性工作辊11。由式(3)确定出的凸形轮廓型面6加工在上刚性工作辊10上，由式4确定出的凹形轮廓型面7加工在下刚性工作辊11上。另外，如图8所示，上工作辊1也可以是上柔性工作辊12，下工作辊2也可以是下柔性工作辊13。上柔性工作辊12与下柔性工作辊13都能够小挠度弯曲，并能够绕各自弯曲后的轴线转动。由式(3)确定出的凸形轮廓型面6通过上调形机构14调整上柔性工作辊12的轮廓形状来获得，由式(4)确定出的凹形轮廓型面7通过下调形机构15调整下柔性工作辊13的轮廓形状来获得。

本发明所述的一种侧弯类曲面零件的连续辊压成形方法的具体步骤如下：

步骤1：根据侧弯形曲面零件4的几何参数，参阅图3、图4，确定侧弯形曲面零件4的横截面曲线z＝g(x)、侧弯形曲面零件4的厚度t及侧弯形曲面零件4的外缘5的曲率半径R；其中的x-坐标轴与上工作辊1和下工作辊2的轴线方向平行，z-坐标轴沿着侧弯形曲面零件4的高度方向；

步骤2：根据侧弯形曲面零件4的几何参数，设计板料3的几何参数，参阅图2，板料3的宽度b由式(1)计算，板料3的厚度H由式(2)计算；

其中，x₁为侧弯形曲面零件4的横截面曲线z＝g(x)的左端点的x坐标，x₂为侧弯形曲面零件4的横截面曲线z＝g(x)的右端点的x坐标；

步骤3：根据侧弯形曲面零件4与板料3的几何形状参数，设计出用于辊压成形的上工作辊1的凸形轮廓型面6与下工作辊2的凹形轮廓型面7(如图5所示)：

1)上工作辊1的凸形轮廓型面6的轮廓曲线的坐标x^T、z^T的计算式为：

其中α为辊缝8的中线9的切线方向与x-坐标轴的夹角，并有α＝arctg[g'(x)]；

2)下工作辊2的凹形轮廓型面7的轮廓曲线的坐标x^B、z^B的计算式为：

步骤4：根据式(3)确定的上工作辊1的凸形轮廓型面6的轮廓曲线来设计上工作辊1的凸形轮廓型面6，根据式(4)确定下工作辊2的凹形轮廓型面7的轮廓曲线来设计下工作辊2的凹形轮廓型面7，使上工作辊1的凸形轮廓型面6与下工作辊2的凹形轮廓型面7之间形成的辊缝8的宽度非等值分布，并且辊缝8的辊缝中线9的曲线是曲线z＝g(x)(如图5所示)。在上工作辊1和下工作辊2绕各自轴线旋转的过程中，对板料3进行连续辊压，使辊压后的板料4a获得与辊缝中线9一致的截面形状，同时，使辊压后的板料4a产生沿宽度方向不均匀分布的伸长量，形成面内连续侧向弯曲，最终形成侧弯形状的侧弯形曲面零件4。