專利名稱：塑性成形板坯軋輥裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種塑性成形技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種用于截面形狀可 以變化的型材和毛坯的塑性成形板坯軋輥裝置。
背景技術(shù)：
漸進(jìn)成形是一種采用簡單工具、使待處理工件按預(yù)定軌跡發(fā)生連續(xù)的塑性變 形、從而生產(chǎn)復(fù)雜形狀的零件或毛坯的塑性成形方法，特別適合于單件制造?，F(xiàn) 有的漸進(jìn)成形方法主要是針對(duì)板材成形工藝的，這是因?yàn)榘宀囊子诎l(fā)生貫穿板厚 的局部的塑性變形，也易于控制局部塑性變形區(qū)的變化軌跡，通過局部變形區(qū)的 逐漸積累而完成整個(gè)待處理工件的成形。而工業(yè)中型材和零件毛坯的體積成形方 法，如型材軋制和模鍛，都要求變形區(qū)的材料發(fā)生整體變形，形成與軋輥或模腔 一致的形狀，尚未提出采用漸進(jìn)體積成形方法生產(chǎn)變截面型材和毛坯的方法。德 國亞琛工業(yè)大學(xué)的R. K叩p在柔性體積成形工藝方面進(jìn)行了一些開創(chuàng)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)—文中，介 紹了采用變厚度板材(tailor rolled blank)生產(chǎn)變厚度沖壓件的方法，所用 的板材是通過在板材軋制過程中隨時(shí)改變輥縫高度的方式生產(chǎn)的、沿軋制方向厚 度可變的板材。這禾中車L制方法在文獻(xiàn)"Kinematische Erzeugung von belastungsangepaJ3ten Langprodukten mit einem他er die LSnge variablen Querschnitt mittels Walzen ，， ( R. Kopp， A. Hauger, Tagungsband des Abschlusskolloquium zum DFGSchwerpunktprogra Flexible Umformtechnik, Verlag Mainz， Aachen, 1995)中作了介紹。2003年，他在"A New Rolling Process for Strips with a Defined Cross Section" (R. Kopp， P. B6hlke， CIRP Annals - Manufacturing Technology, Volume 52， Issue 1， 2003， Pages 197-200) 一文中，提出了一種利用一個(gè)或多個(gè)簡單形狀的小軋輥，通過組合和多道次軋制 生產(chǎn)厚度沿板材橫向任意變化、沿軋制方向截面形狀不變的板材的方法，所生產(chǎn) 的變厚度板材也是用于沖壓變厚度沖壓件。2005年，他在"The Technical andCommercial Potential of an Incremental Ring Rolling Process" (J.M. Allwood, R. Kopp， D. Michels， 0. Music, M. 6ztop， T. F. Stanistreet, A. E. Tekkaya， I. Tiedemman， CIRP Annals _ Manufacturing Technology, Volume 54, Issue 1， 2005, Pages 233-236) —文中，提出了在軋環(huán)機(jī)上同時(shí)利用簡單形狀 的工作輥(mandrel)的縱向和橫向運(yùn)動(dòng)、采用漸進(jìn)體積成形方式，生產(chǎn)任意截 面形狀、沿周向截面形狀不變的環(huán)形待處理工件的方法。以上幾種方法生產(chǎn)的待 處理工件具有共同的特點(diǎn) 一個(gè)縱向或橫向截面的形狀可以任意變化，但沿與該 截面垂直的方向形狀、尺寸不變；不能成形出不僅截面本身形狀可變、且沿與該 截面垂直方向也可變化的型材和毛坯。由于采用變截面型材可以沿長度方向按承 載需要改變截面尺寸，因而可以有效地減輕重量、節(jié)省材料；而采用變截面毛坯 生產(chǎn)長軸類機(jī)器零件，能顯著地減少后續(xù)切削加工量，改善產(chǎn)品質(zhì)量，因此，開 發(fā)截面形狀可變化的型材和毛坯的漸進(jìn)軋制成形方法，適合于結(jié)構(gòu)件和機(jī)器零件 的單件生產(chǎn)和試制，并具有縮短時(shí)間、降低成本等方面的優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種塑性成形板坯軋輥裝置，能 夠生產(chǎn)出截面形狀可變化的型材和毛坯。本發(fā)明可以平衡成形載荷，成形效率較 高；通過漸進(jìn)成形法，可成形出變截面對(duì)稱和不對(duì)稱的型材和毛坯。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括四套相同結(jié)構(gòu)的寬輥工作 單元、四套相同結(jié)構(gòu)的窄輥工作單元和機(jī)架，其中寬輥工作單元和窄輥工作單 元正對(duì)機(jī)架的中心依次間隔固定設(shè)置于機(jī)架內(nèi)部，寬輥工作單元和窄輥工作單元 中央所圍區(qū)域構(gòu)成局部塑性變形區(qū)。
所述的寬輥工作單元包括寬輥、寬輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)、寬輥水平位移絲杠、寬輥 垂直位移絲杠、寬輥水平位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)和寬輥垂直位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其中寬輥直 接與寬輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，寬輥水平位移絲杠與寬輥和寬輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，寬輥水 平位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)與寬輥水平位移絲杠連接，寬輥垂直位移絲杠固定在機(jī)架上，寬 輥垂直位移絲杠分別與寬輥、寬輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)、寬輥水平位移絲杠和寬輥水平位移 驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，寬輥垂直位移電機(jī)與寬輥垂直位移絲杠連接。
所述的窄輥工作單元包括窄輥、窄輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)、窄輥水平位移絲杠、窄輥 垂直位移絲杠、窄輥水平位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)和窄輥垂直位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其中窄輥直 接與窄輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，窄輥垂直位移絲杠與窄輥和窄輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，窄輥垂直位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)與窄輥垂直位移絲杠連接，窄輥水平位移絲杠固定在機(jī)架上，窄 輥水平位移絲杠分別與窄輥、窄輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)、窄輥垂直位移絲杠、窄輥垂直位移 驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，窄輥水平位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)與窄輥水平位移絲杠連接。
所述的窄輥的頂部的寬度應(yīng)滿足減小水平方向的摩擦阻力、便于變形區(qū)的材 料在變形區(qū)以外的剛性區(qū)的約束下在垂直于軋制方向的平面內(nèi)流動(dòng)，在改變截面 形狀的同時(shí)基本不改變截面面積；同時(shí)，該寬度大于等于待處理工件變形區(qū)厚度 的1/45，以保證塑性變形區(qū)能穿透待處理工件的厚度。
所述的寬輥和窄輥的軸線在同一個(gè)垂直于軋制方向的平面內(nèi)，每一對(duì)寬輥和 窄輥在各自的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)作用下在軋制平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)且每一對(duì)寬輥 和窄輥與待處理工件接觸位置的線速度相同。 '
所述的寬輥和窄輥的水平和垂直位移都可以通過伺服電機(jī)獨(dú)立調(diào)節(jié)，這樣可 以在軋制過程中按既定程序調(diào)節(jié)寬輥和窄輥的水平和垂直方向位置，既可以成形 出截面對(duì)稱的變截面的型材和毛坯，又可以成形出截面不對(duì)稱的變截面的型材和 毛坯。
窄輥之間坯料的塑性變形區(qū)是局部塑性變形區(qū)，本發(fā)明通過窄輥垂直方向相 對(duì)位移控制局部塑性變形區(qū)在每次軋制過程中的變形量，具體是通過兩兩上下相 對(duì)的窄輥之間的輥縫確定，輥縫的大小可以通過窄輥垂直位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)節(jié)，高 度方向的最終尺寸可以通過一次或多次調(diào)節(jié)輥縫達(dá)到；當(dāng)截面形狀上下不對(duì)稱 時(shí)，在槽深較淺的一側(cè)的窄輥換為寬度和半徑較大的成形輥，槽深較深的一側(cè)使 用窄輥成形，逐次軋制，使得厚度減薄量等于槽深較深一側(cè)的槽深增加量，然后 將寬輥更換為上下對(duì)稱的窄輥，按上下對(duì)稱的成形方法成形；當(dāng)截面形狀左右不 對(duì)稱時(shí)，僅用一對(duì)窄輥；坯料成形區(qū)域?qū)挾确较虺叽缈刂仆ㄟ^調(diào)節(jié)窄輥水平方向 位置控制變形截面內(nèi)局部塑性變形區(qū)位置；坯料長度方向尺寸控制通過產(chǎn)品軋制 的前滑量來確定變形截面與坯料端面的距離，具體是通過在批量生產(chǎn)前的試制階 段確定該產(chǎn)品軋制的前滑量，從而確定變形區(qū)最小輥縫處的位置相對(duì)于端部的距 離、并與該位置給定的截面尺寸進(jìn)行比較，確定每次窄輥的下壓量。通過上述調(diào) 整實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)體積成形，生產(chǎn)出截面形狀可變的型材和毛坯。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述裝置的寬輥和窄輥的復(fù)合成形，同時(shí)寬輥和窄 輥的水平和垂直位置在軋制過程中可調(diào)，采用4個(gè)窄輥適合于截面形狀對(duì)稱的待 處理工件可以平衡成形載荷，防止軋制過程中截面的扭曲，成形效率較高；當(dāng)截
5面形狀不對(duì)稱時(shí)，窄輥系只采用上、下各1個(gè)窄輥，這時(shí)寬度方向的成形載荷由 寬輥來平衡，通過漸進(jìn)成形法，可以成形出變截面對(duì)稱和不對(duì)稱的型材和毛坯。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為實(shí)施例變形示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖l對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方
案為前提下實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范 圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖1和圖2所示，本實(shí)施例包括寬輥工作單元1、窄輥工作單元2和機(jī) 架3，寬輥工作單元l有四套，窄輥工作單元2有四套，其中寬輥工作單元l
和窄輥工作單元2正對(duì)機(jī)架3的中心依次間隔固定設(shè)置于機(jī)架3內(nèi)部，寬輥工作 單元1和窄輥工作單元2中央所圍區(qū)域構(gòu)成局部塑性變形區(qū)16。
所述的寬輥工作單元1包括寬輥4、寬輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)5、寬輥水平位移絲杠 6、寬輥垂直位移絲杠7、寬輥水平位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)8、寬輥垂直位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)9， 其中套寬輥工作單元1水平對(duì)稱固定在機(jī)架3內(nèi)，寬輥4直接與寬輥驅(qū)動(dòng)電機(jī) 5連接，寬輥水平位移絲杠6與寬輥4和寬輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)5連接，寬輥水平位移驅(qū) 動(dòng)電機(jī)8與寬輥水平位移絲杠6連接，寬輥垂直位移絲杠7固定在機(jī)架3上，寬 輥垂直位移絲杠7與寬輥4、寬輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)5、寬輥水平位移絲杠6、寬輥水平 位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)8連接，寬輥4垂直位移電機(jī)與寬輥垂直位移絲杠7連接。
所述的窄輥工作單元2包括窄輥IO、窄輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)ll、窄輥水平位移絲 杠12、窄輥垂直位移絲杠13、窄輥水平位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)14、窄輥垂直位移驅(qū)動(dòng)電 機(jī)15，其中四套窄輥工作單元2水平對(duì)稱固定在機(jī)架3內(nèi)，窄輥10直接與窄 輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)11連接，窄輥垂直位移絲杠13與窄輥10和窄輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)11連接， 窄輥垂直位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)15與窄輥垂直位移絲杠13連接，窄輥水平位移絲杠14 固定在機(jī)架3上，窄輥水平位移絲杠14與窄輥10、窄輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)ll、窄輥垂直 位移絲杠13、窄輥垂直位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)15連接，窄輥水平位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)14與窄 輥水平位移絲杠12連接。
所述的寬輥4和窄輥10的軸線在同一個(gè)垂直于軋制方向的平面內(nèi)，每一個(gè) 寬輥4和窄輥10在各自的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)作用下在軋制平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，每一個(gè)寬輥4和窄輥10與待處理工件接觸位置的線速度相同。
所述的窄輥10的頂部的寬度大于待處理工件的變形區(qū)厚度的1/45。 本實(shí)施例所述的軋輥裝置通過以下步驟進(jìn)行軋制，如圖2所示，圖中的A1、
A2為待處理工件的局部塑性變形區(qū)。
第一步、預(yù)制坯，將金屬棒材軋制成沿軋制方向高度、寬度和面積分別按預(yù)
定規(guī)律變化的矩形截面毛坯。
第二步、采用上下相對(duì)的窄輥10使處于其間的材料Al、 A2發(fā)生局部塑性變
形，通過同時(shí)改變上下相對(duì)的窄輥10的位置控制局部變形區(qū)的位置和尺寸的變
化，實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)體積成形；由于局部塑性變形區(qū)以外的剛性區(qū)的約束，局部塑性變
形區(qū)的材料難以沿長度方向流動(dòng)，而主要是在截面以內(nèi)向兩側(cè)流動(dòng)，因此各截面
的面積基本不變，而僅發(fā)生形狀變化。
所述的垂直方向的尺寸控制，在待處理工件截面的變形區(qū)窄輥10之間的輥 縫確定，輥縫的大小可以通過調(diào)節(jié)窄輥垂直位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)15隨時(shí)改變，垂直方 向的最終尺寸可以通過一次或多次調(diào)節(jié)輥縫達(dá)到；在槽深較淺的一側(cè)的窄輥10 換為寬度和半徑較大的成形輥，槽深較深的一側(cè)使用窄輥10成形，逐次軋制， 使得厚度減薄量等于槽深較深一側(cè)的槽深增加量，然后將寬輥4更換為上下對(duì)稱 的窄輥10，按上下對(duì)稱的成形方法成形；當(dāng)截面形狀左右不對(duì)稱時(shí)，僅用一對(duì) 成形輥；所述待處理工件成形區(qū)域?qū)挾确较虻某叽缈刂?，由窄?0和寬輥4的 水平位置確定，所述各寬輥4和窄輥10的水平位置都應(yīng)該分別獨(dú)立控制、隨時(shí) 調(diào)節(jié)、并通過控制程序相互配合。所述長度方向的尺寸控制方法是，批量生產(chǎn)前 的試制階段確定該產(chǎn)品軋制的前滑量，從而確定變形區(qū)最小輥縫處的位置相對(duì)于 端部的距離、并與該位置給定的截面尺寸進(jìn)行比較，確定每次窄輥的下壓量。
權(quán)利要求
1、一種塑性成形板坯軋輥裝置，其特征在于，包括四套相同結(jié)構(gòu)的寬輥工作單元、四套相同結(jié)構(gòu)的窄輥工作單元和機(jī)架，其中寬輥工作單元和窄輥工作單元正對(duì)機(jī)架的中心依次間隔固定設(shè)置于機(jī)架內(nèi)部，寬輥工作單元和窄輥工作單元中央所圍區(qū)域構(gòu)成局部塑性變形區(qū)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的塑性成形板坯軋輥裝置，其特征是，所述的寬輥 工作單元包括寬輥、寬輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)、寬輥水平位移絲杠、寬輥垂直位移絲杠、 寬輥水平位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)和寬輥垂直位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其中寬輥直接與寬輥驅(qū)動(dòng)電 機(jī)連接，寬輥水平位移絲杠與寬輥和寬輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，寬輥水平位移驅(qū)動(dòng)電機(jī) 與寬輥水平位移絲杠連接，寬輥垂直位移絲杠固定在機(jī)架上，寬輥垂直位移絲杠 分別與寬輥、寬輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)、寬輥水平位移絲杠和寬輥水平位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接， 寬輥垂直位移電機(jī)與寬輥垂直位移絲杠連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的塑性成形板坯軋輥裝置，其特征是，所述的窄輥 工作單元包括窄輥、窄輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)、窄輥水平位移絲杠、窄輥垂直位移絲杠、 窄輥水平位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)和窄輥垂直位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其中窄輥直接與窄輥驅(qū)動(dòng)電 機(jī)連接，窄輥垂直位移絲杠與窄輥和窄輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，窄輥垂直位移驅(qū)動(dòng)電機(jī) 與窄輥垂直位移絲杠連接，窄輥水平位移絲杠固定在機(jī)架上，窄輥水平位移絲杠 分別與窄輥、窄輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)、窄輥垂直位移絲杠、窄輥垂直位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接， 窄輥水平位移驅(qū)動(dòng)電機(jī)與窄輥水平位移絲杠連接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的塑性成形板坯軋輥裝置，其特征是，所述的 窄輥的頂部的寬度大于等于待處理工件的變形區(qū)厚度的1/45。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的塑性成形板坯軋輥裝置，其特征是，所述的寬輥和窄輥的軸線在同一個(gè)垂直于軋制方向的平面內(nèi)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的塑性成形板坯軋輥裝置，其特征是，所述的 每一對(duì)寬輥和窄輥與待處理工件接觸位置的線速度相同。
全文摘要
一種塑性成形技術(shù)領(lǐng)域的塑性成形板坯軋輥裝置，包括四套相同結(jié)構(gòu)的寬輥工作單元、四套相同結(jié)構(gòu)的窄輥工作單元和機(jī)架，其中寬輥工作單元和窄輥工作單元正對(duì)機(jī)架的中心依次間隔固定設(shè)置于機(jī)架內(nèi)部，寬輥工作單元和窄輥工作單元中央所圍區(qū)域構(gòu)成局部塑性變形區(qū)。本發(fā)明在軋制過程中按既定程序調(diào)節(jié)寬輥和窄輥的水平和垂直方向位置，既可以成形出截面對(duì)稱的變截面的型材和毛坯，又可以成形出截面不對(duì)稱的變截面的型材和毛坯。
文檔編號(hào)B21B13/00GK101623702SQ200910055960
公開日2010年1月13日 申請日期2009年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月6日
發(fā)明者董湘懷, 寧 馬, 馬智慧 申請人:上海交通大學(xué)