CN101623702A

CN101623702A - 塑性成形板坯轧辊装置

Info

Publication number: CN101623702A
Application number: CN200910055960A
Authority: CN
Inventors: 董湘怀; 马智慧; 马宁
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2009-08-06
Filing date: 2009-08-06
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2029-08-06
Also published as: CN101623702B

Abstract

一种塑性成形技术领域的塑性成形板坯轧辊装置，包括：四套相同结构的宽辊工作单元、四套相同结构的窄辊工作单元和机架，其中：宽辊工作单元和窄辊工作单元正对机架的中心依次间隔固定设置于机架内部，宽辊工作单元和窄辊工作单元中央所围区域构成局部塑性变形区。本发明在轧制过程中按既定程序调节宽辊和窄辊的水平和垂直方向位置，既可以成形出截面对称的变截面的型材和毛坯，又可以成形出截面不对称的变截面的型材和毛坯。

Description

塑性成形板坯轧辊装置

技术领域

本发明涉及的是一种塑性成形技术领域的装置，具体是一种用于截面形状可以变化的型材和毛坯的塑性成形板坯轧辊装置。

背景技术

渐进成形是一种采用简单工具、使待处理工件按预定轨迹发生连续的塑性变形、从而生产复杂形状的零件或毛坯的塑性成形方法，特别适合于单件制造。现有的渐进成形方法主要是针对板材成形工艺的，这是因为板材易于发生贯穿板厚的局部的塑性变形，也易于控制局部塑性变形区的变化轨迹，通过局部变形区的逐渐积累而完成整个待处理工件的成形。而工业中型材和零件毛坯的体积成形方法，如型材轧制和模锻，都要求变形区的材料发生整体变形，形成与轧辊或模腔一致的形状，尚未提出采用渐进体积成形方法生产变截面型材和毛坯的方法。德国亚琛工业大学的R.Kopp在柔性体积成形工艺方面进行了一些开创性的工作。1996年他在“Some current development trends in metal-forming technology”(Journal of Materials Processing Technology，60(1996)1-9)一文中，介绍了采用变厚度板材(tailor rolled blank)生产变厚度冲压件的方法，所用的板材是通过在板材轧制过程中随时改变辊缝高度的方式生产的、沿轧制方向厚度可变的板材。这种轧制方法在文献“Kinematische Erzeugung vonbelastungsangepaβten Langprodukten mit einem über die

variablenQuerschnitt mittels Walzen”(R.Kopp，A.Hauger，Tagungsband desAbschlusskolloquium zum DFGSchwerpunktprogramm Flexible Umformtechnik，Verlag Mainz，Aachen，1995)中作了介绍。2003年，他在“A New Rolling Processfor Strips with a Defined Cross Section”(R.Kopp，P.

CIRP Annals-Manufacturing Technology，Volume 52，Issue 1，2003，Pages 197-200)一文中，提出了一种利用一个或多个简单形状的小轧辊，通过组合和多道次轧制生产厚度沿板材横向任意变化、沿轧制方向截面形状不变的板材的方法，所生产的变厚度板材也是用于冲压变厚度冲压件。2005年，他在“The Technical andCommercial Potential of an Incremental Ring Rolling Process”(J.M.Allwood，R.Kopp，D.Michels，O.Music，M.

T.F.Stanistreet，A.E.Tekkaya，I.Tiedemman，CIRP Annals-Manufacturing Technology，Volume 54，Issue 1，2005，Pages 233-236)一文中，提出了在轧环机上同时利用简单形状的工作辊(mandrel)的纵向和横向运动、采用渐进体积成形方式，生产任意截面形状、沿周向截面形状不变的环形待处理工件的方法。以上几种方法生产的待处理工件具有共同的特点：一个纵向或横向截面的形状可以任意变化，但沿与该截面垂直的方向形状、尺寸不变；不能成形出不仅截面本身形状可变、且沿与该截面垂直方向也可变化的型材和毛坯。由于采用变截面型材可以沿长度方向按承载需要改变截面尺寸，因而可以有效地减轻重量、节省材料；而采用变截面毛坯生产长轴类机器零件，能显著地减少后续切削加工量，改善产品质量，因此，开发截面形状可变化的型材和毛坯的渐进轧制成形方法，适合于结构件和机器零件的单件生产和试制，并具有缩短时间、降低成本等方面的优势。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种塑性成形板坯轧辊装置，能够生产出截面形状可变化的型材和毛坯。本发明可以平衡成形载荷，成形效率较高；通过渐进成形法，可成形出变截面对称和不对称的型材和毛坯。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：四套相同结构的宽辊工作单元、四套相同结构的窄辊工作单元和机架，其中：宽辊工作单元和窄辊工作单元正对机架的中心依次间隔固定设置于机架内部，宽辊工作单元和窄辊工作单元中央所围区域构成局部塑性变形区。

所述的宽辊工作单元包括：宽辊、宽辊驱动电机、宽辊水平位移丝杠、宽辊垂直位移丝杠、宽辊水平位移驱动电机和宽辊垂直位移驱动电机，其中：宽辊直接与宽辊驱动电机连接，宽辊水平位移丝杠与宽辊和宽辊驱动电机连接，宽辊水平位移驱动电机与宽辊水平位移丝杠连接，宽辊垂直位移丝杠固定在机架上，宽辊垂直位移丝杠分别与宽辊、宽辊驱动电机、宽辊水平位移丝杠和宽辊水平位移驱动电机连接，宽辊垂直位移电机与宽辊垂直位移丝杠连接。

所述的窄辊工作单元包括：窄辊、窄辊驱动电机、窄辊水平位移丝杠、窄辊垂直位移丝杠、窄辊水平位移驱动电机和窄辊垂直位移驱动电机，其中：窄辊直接与窄辊驱动电机连接，窄辊垂直位移丝杠与窄辊和窄辊驱动电机连接，窄辊垂直位移驱动电机与窄辊垂直位移丝杠连接，窄辊水平位移丝杠固定在机架上，窄辊水平位移丝杠分别与窄辊、窄辊驱动电机、窄辊垂直位移丝杠、窄辊垂直位移驱动电机连接，窄辊水平位移驱动电机与窄辊水平位移丝杠连接。

所述的窄辊的顶部的宽度应满足减小水平方向的摩擦阻力、便于变形区的材料在变形区以外的刚性区的约束下在垂直于轧制方向的平面内流动，在改变截面形状的同时基本不改变截面面积；同时，该宽度大于等于待处理工件变形区厚度的1/45，以保证塑性变形区能穿透待处理工件的厚度。

所述的宽辊和窄辊的轴线在同一个垂直于轧制方向的平面内，每一对宽辊和窄辊在各自的驱动电机和位移驱动电机作用下在轧制平面内运动且每一对宽辊和窄辊与待处理工件接触位置的线速度相同。

所述的宽辊和窄辊的水平和垂直位移都可以通过伺服电机独立调节，这样可以在轧制过程中按既定程序调节宽辊和窄辊的水平和垂直方向位置，既可以成形出截面对称的变截面的型材和毛坯，又可以成形出截面不对称的变截面的型材和毛坯。

窄辊之间坯料的塑性变形区是局部塑性变形区，本发明通过窄辊垂直方向相对位移控制局部塑性变形区在每次轧制过程中的变形量，具体是通过两两上下相对的窄辊之间的辊缝确定，辊缝的大小可以通过窄辊垂直位移驱动电机调节，高度方向的最终尺寸可以通过一次或多次调节辊缝达到；当截面形状上下不对称时，在槽深较浅的一侧的窄辊换为宽度和半径较大的成形辊，槽深较深的一侧使用窄辊成形，逐次轧制，使得厚度减薄量等于槽深较深一侧的槽深增加量，然后将宽辊更换为上下对称的窄辊，按上下对称的成形方法成形；当截面形状左右不对称时，仅用一对窄辊；坯料成形区域宽度方向尺寸控制通过调节窄辊水平方向位置控制变形截面内局部塑性变形区位置；坯料长度方向尺寸控制通过产品轧制的前滑量来确定变形截面与坯料端面的距离，具体是通过在批量生产前的试制阶段确定该产品轧制的前滑量，从而确定变形区最小辊缝处的位置相对于端部的距离、并与该位置给定的截面尺寸进行比较，确定每次窄辊的下压量。通过上述调整实现渐进体积成形，生产出截面形状可变的型材和毛坯。

与现有技术相比，本发明所述装置的宽辊和窄辊的复合成形，同时宽辊和窄辊的水平和垂直位置在轧制过程中可调，采用4个窄辊适合于截面形状对称的待处理工件可以平衡成形载荷，防止轧制过程中截面的扭曲，成形效率较高；当截面形状不对称时，窄辊系只采用上、下各1个窄辊，这时宽度方向的成形载荷由宽辊来平衡，通过渐进成形法，可以成形出变截面对称和不对称的型材和毛坯。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为实施例变形示意图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，本实施例包括：宽辊工作单元1、窄辊工作单元2和机架3，宽辊工作单元1有四套，窄辊工作单元2有四套，其中：宽辊工作单元1和窄辊工作单元2正对机架3的中心依次间隔固定设置于机架3内部，宽辊工作单元1和窄辊工作单元2中央所围区域构成局部塑性变形区16。

所述的宽辊工作单元1包括：宽辊4、宽辊驱动电机5、宽辊水平位移丝杠6、宽辊垂直位移丝杠7、宽辊水平位移驱动电机8、宽辊垂直位移驱动电机9，其中：套宽辊工作单元1水平对称固定在机架3内，宽辊4直接与宽辊驱动电机5连接，宽辊水平位移丝杠6与宽辊4和宽辊驱动电机5连接，宽辊水平位移驱动电机8与宽辊水平位移丝杠6连接，宽辊垂直位移丝杠7固定在机架3上，宽辊垂直位移丝杠7与宽辊4、宽辊驱动电机5、宽辊水平位移丝杠6、宽辊水平位移驱动电机8连接，宽辊4垂直位移电机与宽辊垂直位移丝杠7连接。

所述的窄辊工作单元2包括：窄辊10、窄辊驱动电机11、窄辊水平位移丝杠12、窄辊垂直位移丝杠13、窄辊水平位移驱动电机14、窄辊垂直位移驱动电机15，其中：四套窄辊工作单元2水平对称固定在机架3内，窄辊10直接与窄辊驱动电机11连接，窄辊垂直位移丝杠13与窄辊10和窄辊驱动电机11连接，窄辊垂直位移驱动电机15与窄辊垂直位移丝杠13连接，窄辊水平位移丝杠14固定在机架3上，窄辊水平位移丝杠14与窄辊10、窄辊驱动电机11、窄辊垂直位移丝杠13、窄辊垂直位移驱动电机15连接，窄辊水平位移驱动电机14与窄辊水平位移丝杠12连接。

所述的宽辊4和窄辊10的轴线在同一个垂直于轧制方向的平面内，每一个宽辊4和窄辊10在各自的驱动电机和位移驱动电机作用下在轧制平面内运动，每一个宽辊4和窄辊10与待处理工件接触位置的线速度相同。

所述的窄辊10的顶部的宽度大于待处理工件的变形区厚度的1/45。

本实施例所述的轧辊装置通过以下步骤进行轧制，如图2所示，图中的A1、A2为待处理工件的局部塑性变形区。

第一步、预制坯，将金属棒材轧制成沿轧制方向高度、宽度和面积分别按预定规律变化的矩形截面毛坯。

第二步、采用上下相对的窄辊10使处于其间的材料A1、A2发生局部塑性变形，通过同时改变上下相对的窄辊10的位置控制局部变形区的位置和尺寸的变化，实现渐进体积成形；由于局部塑性变形区以外的刚性区的约束，局部塑性变形区的材料难以沿长度方向流动，而主要是在截面以内向两侧流动，因此各截面的面积基本不变，而仅发生形状变化。

所述的垂直方向的尺寸控制，在待处理工件截面的变形区窄辊10之间的辊缝确定，辊缝的大小可以通过调节窄辊垂直位移驱动电机15随时改变，垂直方向的最终尺寸可以通过一次或多次调节辊缝达到；在槽深较浅的一侧的窄辊10换为宽度和半径较大的成形辊，槽深较深的一侧使用窄辊10成形，逐次轧制，使得厚度减薄量等于槽深较深一侧的槽深增加量，然后将宽辊4更换为上下对称的窄辊10，按上下对称的成形方法成形；当截面形状左右不对称时，仅用一对成形辊；所述待处理工件成形区域宽度方向的尺寸控制，由窄辊10和宽辊4的水平位置确定，所述各宽辊4和窄辊10的水平位置都应该分别独立控制、随时调节、并通过控制程序相互配合。所述长度方向的尺寸控制方法是，批量生产前的试制阶段确定该产品轧制的前滑量，从而确定变形区最小辊缝处的位置相对于端部的距离、并与该位置给定的截面尺寸进行比较，确定每次窄辊的下压量。

Claims

1、一种塑性成形板坯轧辊装置，其特征在于，包括：四套相同结构的宽辊工作单元、四套相同结构的窄辊工作单元和机架，其中：宽辊工作单元和窄辊工作单元正对机架的中心依次间隔固定设置于机架内部，宽辊工作单元和窄辊工作单元中央所围区域构成局部塑性变形区。

2、根据权利要求1所述的塑性成形板坯轧辊装置，其特征是，所述的宽辊工作单元包括：宽辊、宽辊驱动电机、宽辊水平位移丝杠、宽辊垂直位移丝杠、宽辊水平位移驱动电机和宽辊垂直位移驱动电机，其中：宽辊直接与宽辊驱动电机连接，宽辊水平位移丝杠与宽辊和宽辊驱动电机连接，宽辊水平位移驱动电机与宽辊水平位移丝杠连接，宽辊垂直位移丝杠固定在机架上，宽辊垂直位移丝杠分别与宽辊、宽辊驱动电机、宽辊水平位移丝杠和宽辊水平位移驱动电机连接，宽辊垂直位移电机与宽辊垂直位移丝杠连接。

3、根据权利要求1所述的塑性成形板坯轧辊装置，其特征是，所述的窄辊工作单元包括：窄辊、窄辊驱动电机、窄辊水平位移丝杠、窄辊垂直位移丝杠、窄辊水平位移驱动电机和窄辊垂直位移驱动电机，其中：窄辊直接与窄辊驱动电机连接，窄辊垂直位移丝杠与窄辊和窄辊驱动电机连接，窄辊垂直位移驱动电机与窄辊垂直位移丝杠连接，窄辊水平位移丝杠固定在机架上，窄辊水平位移丝杠分别与窄辊、窄辊驱动电机、窄辊垂直位移丝杠、窄辊垂直位移驱动电机连接，窄辊水平位移驱动电机与窄辊水平位移丝杠连接。

4、根据权利要求2或3所述的塑性成形板坯轧辊装置，其特征是，所述的窄辊的顶部的宽度大于等于待处理工件的变形区厚度的1/45。

5、根据权利要求2或3所述的塑性成形板坯轧辊装置，其特征是，所述的宽辊和窄辊的轴线在同一个垂直于轧制方向的平面内。

6、根据权利要求2或3所述的塑性成形板坯轧辊装置，其特征是，所述的每一对宽辊和窄辊与待处理工件接触位置的线速度相同。