等厚度曲面的连续辊压成形方法
【专利摘要】本发明提供一种由板料成形等厚度三维曲面零件的方法，属于金属塑性加工领域。板料经过凸(或凹)形工作辊的两道次辊压，成形出等厚度的三维曲面零件。第一道次辊压由一对辊形轮廓同为凸(或凹)的上、下工作辊完成，上下工作辊之间形成沿横向变间隙的平直辊缝，板料经过第一道次辊压后成为变厚度的预成形平板；第二道次辊压由一对辊形轮廓凹向相反的上下工作辊完成，上下工作辊之间形成沿横向等间隙的弧形辊缝，第一道次预成形的变厚度平板通过第二次辊压后成为等厚度的三维曲面零件。最终成形的三维曲面其纵向弯曲变形由第一道次辊压辊缝间隙的横向分布来控制，其横向弯曲变形由第二道次辊压弧形辊缝的轮廓形状来控制。
【专利说明】等厚度曲面的连续辊压成形方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种曲面成形方法，尤其涉及一种等厚度曲面的连续辊压成形方法， 属于金属塑性加工领域，适用于三维曲面零件的低成本、快速成形。
【背景技术】
[0002] 在飞机、轮船、高速列车、化工容器等制造领域以及现代建筑结构、城市雕塑等行 业对三维曲面零件的需求量日益增加。传统的模具成形、拉伸成形、液压成形以及旋压成形 等曲面加工技术所生产出曲面零件其厚度通常是不均匀的，在变形量大的地方厚度较小， 而变形量小的地方则厚度较大。曲面零件的厚度分布不均匀性直接导致其强度分布的不均 匀性，厚度小处强度弱，容易发生破坏，按照厚度最小处的强度进行零件设计，难免导致材 料的浪费及零件重量的增加。等厚度的曲面零件在各处都有相同的强度，不仅具有强度均 匀分布的优势，还能充分利用材料的承载潜力，达到零件轻量化的目的。因此，等厚度是曲 面零件设计与使用中追求的目标，开发一种等厚度曲面零件成形的方法十分必要。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种等厚曲面的连续辊压成形方法，以满足金 属塑性加工领域对等厚度曲面零件加工技术的需求。
[0004] 为了解决以上技术问题，本发明提出的技术方案如下：
[0005] 一种等厚度曲面的连续辊压成形方法，板料1经过凸或凹形工作辊的两道次连续 辊压，成形出等厚度的三维曲面零件2,该方法的具体步骤如下：
[0006] 步骤1 :提取待成形的三维曲面零件2的曲面，即待成形曲面的几何方程z= S(x，y)，计算出待成形曲面的纵向曲率P1(y)，提取出待成形曲面的横截面曲线g(x);其中 的x-坐标轴与工作辊轴线方向，即横向一致，并沿着待成形曲面的一个主曲率方向；y-坐 标轴与板料的进给方向，即纵向一致，并沿着待成形件曲面的另一个主曲率方向；z-坐标 轴沿着待成形件曲面的高度方向；
[0007] 步骤2:根据待成形曲面的纵向曲率Pl(y)及横截面曲线g(x)，确定出用于第一 道辊压成形的上工作辊I3和下工作辊I4的凹形轮廓，或上工作辊III10和下工作辊III11 的凸形轮廓，决定第一道辊压成形上工作辊轮廓的上辊辊形曲面I5或上辊辊形曲面III14 的计算公式为：
【权利要求】
1. 一种等厚度曲面的连续辊压成形方法，板料（1)经过凸或凹形工作辊的两道次连续 辊压，成形出等厚度的三维曲面零件（2)，其特征在于，等厚度曲面的连续辊压成形方法的 具体步骤如下： 步骤1:提取待成形的三维曲面零件（2)的曲面，即待成形曲面的几何方程z=S(X，y)，计算出待成形曲面的纵向曲率PI(y)，提取出待成形曲面的横截面曲线g(X);其中 的X-坐标轴与工作辊轴线方向，即横向一致，并沿着待成形曲面的一个主曲率方向；y-坐 标轴与板料的进给方向，即纵向一致，并沿着待成形件曲面的另一个主曲率方向；Z-坐标 轴沿着待成形件曲面的高度方向； 步骤2:根据待成形曲面的纵向曲率PJy)及横截面曲线g(x)，确定出用于第一道辊 压成形的上工作辊I(3)和下工作辊I(4)的凹形轮廓，或上工作辊III(10)和下工作辊 III(11)的凸形轮廓，决定第一道辊压成形上工作辊轮廓的上辊辊形曲面I(5)或上辊辊形 曲面III(14)的计算公式为：
决定第一道辊压成形的下工作辊轮廓的下辊辊形曲面I(6)或下辊辊形曲面III(15) 的计算公式为：
其中jf、彳与乂、<分别为第一道辊压成形时上工作辊的上辊辊形曲面I(5)与 下工作辊的下辊辊形曲面I(6)，或上工作辊的上辊辊形曲面III(14)与下工作辊的下辊辊 形曲面III(15)上一点的y-坐标与Z-坐标；H为板料（1)的初始厚度，h为成形曲面零件（2) 的厚度；R为工作辊的工作半径，即上下工作辊中心距的一半；g(x)为成形曲面在纵向坐标 为y处的横截面曲线；当采用上工作辊I(3)和下工作辊I(4)成形纵曲率与横曲率同向 的凸曲面零件时，gOO为横截面曲线g(x)上的Z-坐标的最大值；当采用上工作辊III(10) 和下工作辊III(11)成形纵曲率与横曲率反向的鞍曲面零件时，g〇〇为横截面曲线g(x)上 的Z-坐标的最小值； 步骤3 :根据公式（1)、（2)确定的辊形曲面来设计第一道辊压成形的上工作辊I(3) 与下工作辊I(4)，或上工作辊III(10)与下工作辊III(11)，使工作辊在转动过程中在上下辊 之间形成沿横向平直的变间隙辊缝I(12)或变间隙辊缝III(13)，板料（1)经过第一道次辊 压后成为变厚度的预成形平板（7); 步骤4:根据待成形曲面的横截面曲线g(x)，确定第二道辊压成形的上工作辊II(8) 与下工作辊II(9)的凸、凹形轮廓；决定第二道辊压成形上工作辊轮廓的上辊辊形曲面 II(16)的计算公式为：
决定第二道辊压成形下工作辊轮廓的下辊辊形曲面II(17)的计算公式为：
其中<、<、<与x_f、Z、<分别为第二道辊压成形时上工作辊的上辊辊形曲面II(16)与下工作辊的下辊辊形曲面II(17)上一点的X-坐标、y-坐标及Z-坐标，α为横 截面曲线g(x)的法向倾角，并且a=arctg[dg(x)/dx]; 步骤5:根据公式（3)、（4)确定的辊形曲面来设计第二道辊压成形的上工作辊II(8) 与下工作辊II(9)，使工作辊在转动过程中在上下辊之间形成沿横向呈弧形的等间隙辊缝 II(18)，经过第一道辊压成形的变厚度的预成形平板（7)通过上工作辊II(8)与下工作辊 Π(9)的第二次辊压后成为等厚度的三维曲面零件（2)。
2. 根据权利要求1所述的一种等厚度曲面的连续辊压成形方法，其特征在于，所述的 第一道辊压由一对辊形轮廓同为凹的上工作辊I(3)与下工作辊I(4)或辊形轮廓同为凸 的上工作辊III(10)与下工作辊III(11)完成，最终成形的三维曲面零件（2)的纵向弯曲变 形由第一道次辊压辊缝间隙的横向分布来控制，成形曲面为纵曲率与横曲率同向的凸曲面 零件时，变间隙辊缝I(12)为中间大两边小的间隙，成形曲面为纵曲率与横曲率反向的鞍 曲面零件时，变间隙辊缝III(13)为中间小两边大的间隙。
3. 根据权利要求1所述的一种等厚度曲面的连续辊压成形方法，其特征在于，所述的 第二道次辊压由一对辊形轮廓凹向相反的上工作辊II(8)与下工作辊II(9)完成，最终成 形的三维曲面零件（2)的横向弯曲变形由第二道次辊压的弧形等间隙辊缝II(18)的轮廓 形状控制。
4. 根据权利要求1所述的一种等厚度曲面的连续辊压成形方法，其特征在于，所述的 板料（1)在室温下进行辊压成形，或高温加热后进行辊压成形。
5. 根据权利要求1-4中任一项所述的一种等厚度曲面的连续辊压成形方法，其特征在 于，所述的上工作辊与下工作辊的辊形曲面直接加工在工作辊上。
6. 根据权利要求1-4中任一项所述的一种等厚度曲面的连续辊压成形方法，其特征在 于，所述的上工作辊与下工作辊的辊形曲面（19)加工在模具（20)上，模具（20)通过定位 键（21)、固定压块（22)及固定螺钉（23)固定安装在工作辊（24)上。
【文档编号】B21D5/14GK104438493SQ201410723072
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月1日 优先权日:2014年12月1日
【发明者】蔡中义, 吴皓, 杨振, 崔如坤, 胡维学, 胡志清 申请人:吉林大学