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。
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ρl(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ρl(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 与 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为三维曲面零件(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，g(x*)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(x*)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 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α＝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Ⅱ(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。
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ρl(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ρl(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：
[0008]
[0009] 决定第一道辊压成形的下工作辊轮廓的下辊辊形曲面Ⅰ6或下辊辊形曲面Ⅲ15的计算公式为：
[0010]
[0011] 其中 与 分别为第一道辊压成形时上工作辊的上辊辊形曲面Ⅰ5与下工作辊的下辊辊形曲面Ⅰ6，或上工作辊的上辊辊形曲面Ⅲ14与下工作辊的下辊辊形曲面Ⅲ15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Ⅰ3和下工作辊Ⅰ4成形纵曲率与横曲率同向的凸曲面零件时，g(x*)为横截面曲线g(x)上的z-坐标的最大值；当采用上工作辊Ⅲ10和下工作辊Ⅲ11成形纵曲率与横曲率反向的鞍曲面零件时，g(x*)为横截面曲线g(x)上的z-坐标的最小值；
[0012] 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Ⅰ3与下工作辊I4，或上工作辊Ⅲ10与下工作辊Ⅲ11，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Ⅰ12或变间隙辊缝Ⅲ13，板料1经过第一道次辊压后成为变厚度的预成形平板7；
[0013] 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Ⅱ8与下工作辊Ⅱ9的凸、凹形轮廓；
[0014] 决定第二道辊压成形上工作辊轮廓的上辊辊形曲面Ⅱ16的计算公式为：
[0015]
[0016] 决定第二道辊压成形下工作辊轮廓的下辊辊形曲面Ⅱ17的计算公式为：
[0017]
[0018] 其中 与 分别为第二道辊压成形时上工作辊的上辊辊形曲面Ⅱ16与下工作辊的下辊辊形曲面Ⅱ17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α＝arctg[dg(x)/dx]；
[0019] 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Ⅱ8与下工作辊Ⅱ9，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Ⅱ18，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Ⅱ8与下工作辊Ⅱ9的第二次辊压后成为等厚度的三维曲面零件2。
[0020] 进一步地，所述的第一道辊压由一对辊形轮廓同为凹的上工作辊Ⅰ3与下工作辊Ⅰ4或辊形轮廓同为凸的上工作辊Ⅲ10与下工作辊Ⅲ11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Ⅰ12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Ⅲ13为中间小两边大的间隙。
[0021] 进一步地，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Ⅱ8与下工作辊Ⅱ9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Ⅱ18的轮廓形状控制。
[0022] 进一步地，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。
[0023] 更进一步地，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。
[0024] 更进一步地，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。
[0025] 本发明的原理：
[0026] 本发明提供一种等厚度三维曲面的成形方法，该方法原理为：金属板料经过凸(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。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，随着工作辊的转动，等厚的金属板料被上下辊辊压后连续通过辊缝成为变厚度的平板；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，变厚度的预成形平板被上下辊辊压连续通过等间隙的弧形辊缝后，一方面获得与辊缝轮廓相同的横向弯曲变形，另一方面，由于板料厚度不同导致被压缩量不同，从而产生沿横向不均匀分布的伸长量，横向分布的不均匀伸长变形又导致纵向弯曲。随着板料的纵向进给，在横向与纵向弯曲变形的共同作用下，形成等厚度的三维曲面零件。
[0027] 本发明的有益效果：
[0028] 1.金属板料经过变厚度预成形及等厚度终成形两道次辊压，最终获得等厚度的三维曲面零件；
[0029] 2.成形出的等厚曲面零件其各处都有相同的强度，强度分布的均匀性使材料的承载潜力得到充分发挥，可在保证零件强度的前提下，达到零件轻量化的目的；
[0030] 3.连续辊压成形方法所需的成形力小，设备结构简单、造价低，能实现三维曲面零件的高效、低成本加工，可以满足金属塑性加工领域对等厚曲面零件加工新技术的需求，该成形方法具有广泛的应用前景。
附图说明
[0031] 图1a、图1b为第一道辊压成形示意图，图1a为正视图，图1b为图1aA-A方向剖面图；
[0032] 图2a、图2b为第二道辊压成形示意图，图2a为正视图，图2b为图2a B-B方向剖面图；
[0033] 图3为待成形三维曲面及其横截面曲线示意图；
[0034] 图4a为第一道辊压的凹形上下工作辊辊形轮廓及变间隙辊缝Ⅰ示意图；
[0035] 图4b为第一道辊压的凸形上下工作辊辊形轮廓及变间隙辊缝Ⅲ示意图；
[0036] 图5为第二道辊压的上下工作辊辊形轮廓及等间隙辊缝示Ⅱ意图；
[0037] 图6a、6b、6c为工作辊的模具与工作辊的安装结构示意图，图6a为正视图，图6b为图6a C-C方向剖面图，图6c为图6a D-D方向剖面图。
[0038] 图中：
[0039] 1.板料，2.三维曲面零件，3.上工作辊Ⅰ，4.下工作辊Ⅰ，5.上辊辊形曲面Ⅰ，6.下辊辊形曲面Ⅰ，7.预成形平板，8.上工作辊Ⅱ，9.下工作辊Ⅱ，10.上工作辊Ⅲ，11.下工作辊Ⅲ，12.变间隙辊缝Ⅰ，13.变间隙辊缝Ⅲ，14.上辊辊形曲面Ⅲ，15.下辊辊形曲面Ⅲ，16.上辊辊形曲面Ⅱ，17.下辊辊形曲面Ⅱ，18.等间隙辊缝Ⅱ，19.辊形曲面，20.模具，21.定位键，22.固定压块，23.固定螺钉，24.工作辊。
具体实施方式
[0040] 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。
[0041] 如图1a、1b、2a以及2b所示，本发明涉及的等厚度曲面的连续辊压成形过程通过两道次辊压实现，板料1经过具有凸(或凹)形轮廓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。
[0042] 如图1a、1b所示，所述的第一道次辊压由一对辊形轮廓同为凹的上工作辊Ⅰ3与下工作辊Ⅰ4完成，上下工作辊之间形成沿横向变间隙的平直辊缝；此外，如图4b所示，所述的第一道次辊压还可以由一对辊形轮廓同为凸的上工作辊Ⅲ10与下工作辊Ⅲ11完成，上下工作辊之间同样会形成沿横向变间隙的平直辊缝。
[0043] 板料1经过第一道次辊压后成为变厚度的预成形平板7。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。
[0044] 如图4a所示，当成形面为纵曲率与横曲率同向的凸曲面零件时，变间隙辊缝Ⅰ12中间大两边小；如图4b所示，当成形面纵曲率与横曲率反向的鞍曲面零件时辊缝间隙13中间小两边大。
[0045] 如图2a和2b所示，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Ⅱ8与下工作辊Ⅱ9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7通过第二次辊压后成为等厚度的三维曲面零件2。
[0046] 如图5所示，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Ⅱ18的轮廓形状控制。
[0047] 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。
[0048] 所述的上工作辊与下工作辊之间的辊缝由上下工作辊的辊形曲面决定，辊形曲面直接加工在工作辊上，或加工在模具20上，模具20通过定位键21、固定压块22及固定螺钉23等安装固定在工作辊24上，如图6a、6b以及6c所示。
[0049] 本发明实现等厚度曲面的连续辊压成形的具体步骤如下：
[0050] 步骤1：提取待成形三维曲面零件2的曲面几何方程z＝S(x,y)，如图3所示，计算出待成形曲面的纵向曲率ρl(y)，提取出待成形曲面的横截面曲线g(x)。其中x-坐标轴与工作辊轴线方向，即横向一致，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，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；
[0051] 步骤2：根据待成形曲面的纵向曲率及横截面曲线，如图4a和4b所示，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；
[0052] 决定第一道辊压成形上工作辊轮廓的辊形曲面Ⅰ5或辊形曲面Ⅲ14的计算公式为：
[0053]
[0054] 决定第一道辊压成形的下工作辊轮廓的下辊辊形曲面Ⅰ6或下辊辊形曲面Ⅲ15的计算公式为：
[0055]
[0056] 其中 与 分别为第一道辊压成形时上工作辊的山辊辊形曲面Ⅰ5与下工作辊的下辊辊形曲面Ⅰ6，或上工作辊的上辊辊形曲面Ⅲ14与下工作辊的下辊辊形曲面Ⅲ15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Ⅰ3和下工作辊Ⅰ4成形纵曲率与横曲率同向的凸曲面零件时，g(x )为横截面曲线g(x)上的z-坐标的最大值；当采用上工作辊Ⅲ10和下工作辊Ⅲ11成形纵曲率与横曲率反向的鞍曲面零件时，g(x*)为横截面曲线g(x)上的z-坐标的最小值
[0057] 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Ⅰ3与下工作辊I4，或上工作辊Ⅲ10与下工作辊Ⅲ11，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Ⅰ12或变间隙辊缝Ⅲ13，板料1经过第一道次辊压后成为变厚度的预成形平板7；
[0058] 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Ⅱ8与下工作辊Ⅱ9的凸、凹形轮廓；
[0059] 决定第二道辊压成形上工作辊轮廓的上辊辊形曲面Ⅱ16的计算公式为：
[0060]
[0061] 决定第二道辊压成形下工作辊轮廓的下辊辊形曲面Ⅱ17的计算公式为：
[0062]
[0063] 其中 与 分别为第二道辊压成形时上工作辊的上辊辊形曲面Ⅱ16与下工作辊的下辊辊形曲面Ⅱ17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α＝arctg[dg(x)/dx]。
[0064] 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Ⅱ8与下工作辊Ⅱ9，如图5所示，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Ⅱ8与下工作辊Ⅱ9的第二次辊压后成为等厚度的三维曲面零件2。
