吳思翊， 褚式新， 胡文偉， 黃子瑜

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 湖北 武漢 430063)

基于扭轉(zhuǎn)模塊的新型板材滾彎加工方法

吳思翊， 褚式新， 胡文偉， 黃子瑜

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 湖北 武漢 430063)

目前板材滾彎成形加工工藝所使用的彎板機(jī)依據(jù)3點(diǎn)成圓原理，通過(guò)改變輥的相對(duì)位置對(duì)板材進(jìn)行壓力滾彎，易造成過(guò)度彎曲、精度低、剩余直邊過(guò)長(zhǎng)、人工對(duì)樣效率低等問(wèn)題。以現(xiàn)有彎板機(jī)工作原理為基礎(chǔ)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)使用施加彎矩的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)扭轉(zhuǎn)式四輥彎板機(jī)壓彎的工作原理，結(jié)合與功能相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立三維幾何模型進(jìn)行虛擬仿真，對(duì)加工方案進(jìn)行驗(yàn)證，并建立實(shí)體模型對(duì)加工方法進(jìn)行驗(yàn)證。

扭轉(zhuǎn)式；板材滾彎；自動(dòng)化；四輥彎板機(jī)；過(guò)彎矯正

1 板材成形加工方法

板材成形加工是把金屬板料加工制彎，制成圓筒、圓錐以及弧形板等目標(biāo)產(chǎn)品的過(guò)程，廣泛應(yīng)用于造船、航空、石油、化工、機(jī)械制造等行業(yè)。板材成形加工分為熱彎和冷彎2種：熱彎是通過(guò)給板材加熱使之達(dá)到彎曲溫度后彎曲的成形加工方法；冷彎是通過(guò)機(jī)械向板材施加機(jī)械力使之在常溫下彎曲的成形加工方法。冷彎又進(jìn)一步分為油壓和滾彎：油壓是液壓油使油缸或者活塞循環(huán)做功提供機(jī)械力使板材受力彎曲的加工方式；滾彎是將板材或型材通過(guò)旋轉(zhuǎn)的輥使之彎曲的加工方式，是應(yīng)用最為廣泛的成形加工方法。

2 扭轉(zhuǎn)式四輥彎板機(jī)的設(shè)計(jì)意義

2.1 三輥彎板機(jī)滾彎加工存在的難點(diǎn)

傳統(tǒng)的彎板機(jī)采用角錐型置輥，根據(jù)3點(diǎn)成圓原理，通過(guò)三輥與板材的3個(gè)接觸點(diǎn)確定滾彎的曲率。工作輥的相對(duì)位置變化向板料施加壓力，使板材發(fā)生彎曲形變，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)推動(dòng)板材產(chǎn)生連續(xù)彈塑性彎曲，從而獲得預(yù)定形狀及精度的工件。目前，三輥彎板機(jī)已經(jīng)發(fā)展出有預(yù)彎功能的非對(duì)稱(chēng)式、下調(diào)式、萬(wàn)能式等多種型式。

目前已有的四輥彎板機(jī)依然保留著三輥彎板機(jī)的3點(diǎn)成圓工作原理，不改變壓力壓彎的事實(shí)，僅僅在壓彎三輥旁附加矯正側(cè)輥，通過(guò)改變矯正側(cè)輥位移增量來(lái)對(duì)過(guò)彎板材進(jìn)行擠壓矯正，實(shí)際工作時(shí)依然是三輥在作用，效果甚微。

對(duì)三輥彎板機(jī)的結(jié)構(gòu)及加工原理的分析可歸納出目前已在使用的彎板機(jī)主要存在以下3個(gè)問(wèn)題：

(1) 剩余直邊過(guò)長(zhǎng)。三輥彎板機(jī)無(wú)法對(duì)板材兩端進(jìn)行加工，兩端剩余直邊很長(zhǎng)。部分三輥彎板機(jī)借助輔助機(jī)械預(yù)彎，步驟繁瑣，余料多。

(2) 無(wú)法自動(dòng)測(cè)量回彈后曲率。壓力壓彎時(shí)，下壓量與回彈量不易協(xié)調(diào)，易造成過(guò)彎，曲率測(cè)量須脫離機(jī)器，回彈后依靠人工樣板對(duì)樣檢測(cè)，效率和精度較低。

(3) 無(wú)法自動(dòng)過(guò)彎矯正。過(guò)彎判斷后，須添加補(bǔ)板重新裝載機(jī)械矯正，多次操作造成樣板和補(bǔ)板材料的浪費(fèi)和人力、時(shí)間的耗費(fèi)。

“我什么意思你不知道？好吧，讓我告訴你，憑我對(duì)張仲平的了解，他絕對(duì)不會(huì)站在你現(xiàn)在站的這個(gè)位置上。年輕人，我給你的忠告是這樣，人在高處，別兩邊沒(méi)有依靠。得防著有人從你背后下手?！?/p>

2.2 扭轉(zhuǎn)式四輥彎板機(jī)的優(yōu)勢(shì)

為滿(mǎn)足功能性、精確性、自動(dòng)化和高效性的要求，從剩余直邊、回彈量與曲率測(cè)量、過(guò)彎矯正等3個(gè)方面優(yōu)化加工原理。

(1) 改變施加壓力為施加彎矩，扭轉(zhuǎn)滾彎。形成類(lèi)似非對(duì)稱(chēng)式三輥置輥結(jié)構(gòu)，具備預(yù)彎邊功能，極大程度地減少剩余直邊，提高經(jīng)濟(jì)性。

(2) 無(wú)動(dòng)力端包容回彈量，利用角位移程序計(jì)算曲率。一端輥組無(wú)驅(qū)動(dòng)力，隨板材彎曲回彈情況轉(zhuǎn)動(dòng)以包容回彈量，通過(guò)角位移傳感器測(cè)量角位移，程序計(jì)算回彈后曲率。

(3) 自動(dòng)過(guò)彎矯正。程序計(jì)算曲率，若判斷過(guò)彎，自動(dòng)施加反向彎矩直接矯正，無(wú)須脫離機(jī)器，節(jié)省樣板和補(bǔ)板材料，提高工作效率和精度。

3 基于扭轉(zhuǎn)模塊的板材滾彎加工原理

扭轉(zhuǎn)式四輥彎板機(jī)為夾緊式置輥，即兩輥一組，改變輥軸軸心距離擠壓夾緊板材。下輥軸心位置固定，通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，為動(dòng)力輥，依靠摩擦力使板材沿輥轉(zhuǎn)動(dòng)方向進(jìn)料，連續(xù)滾彎；上輥沿板材法線向動(dòng)力輥靠攏，無(wú)動(dòng)力，為夾緊輥。主動(dòng)輥組外框連接電動(dòng)機(jī)，輥組轉(zhuǎn)動(dòng)向板材施加彎矩，從動(dòng)輥組外框無(wú)動(dòng)力，支撐板材并隨著板材彎曲和回彈情況轉(zhuǎn)動(dòng)外框到合適的位置，2組輥配合自動(dòng)控制滾彎過(guò)程。具體原理如圖1所示。

圖1 扭轉(zhuǎn)式四輥彎板機(jī)原理

在從動(dòng)輥組測(cè)量包容回彈后角位移，反饋到控制端，通過(guò)程序計(jì)算自動(dòng)完成曲率計(jì)算、檢測(cè)并進(jìn)行過(guò)彎判斷。如需矯正，控制主動(dòng)輥組外框的電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)以施加相反的彎矩，完成過(guò)彎矯正。加工完成后，可將加工數(shù)據(jù)進(jìn)行整合并儲(chǔ)存，加工相同類(lèi)型的板材時(shí)直接調(diào)用相應(yīng)數(shù)據(jù)，精簡(jiǎn)加工步驟。圖2為加工原理流程。

圖2 加工原理流程

4 扭轉(zhuǎn)式四輥彎板機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)制造扭轉(zhuǎn)式四輥彎板機(jī)實(shí)物模型，以便進(jìn)一步檢測(cè)、研究和改進(jìn)，如圖3所示。

圖3 扭轉(zhuǎn)式四輥彎板機(jī)實(shí)物模型

模型包括3面鏤空的機(jī)架，機(jī)架上設(shè)有主動(dòng)輥組和從動(dòng)輥組，輥組包括外框和外框內(nèi)從上至下平行設(shè)置的夾緊輥和動(dòng)力輥。動(dòng)力輥輥軸與送料電動(dòng)機(jī)相連，置于外框上；夾緊輥兩端設(shè)有滑槽和夾緊機(jī)構(gòu)，由螺釘旋緊，以?shī)A緊板材。兩輥組外框兩側(cè)均設(shè)有支承軸，豎向置于機(jī)架上，一側(cè)支軸承上設(shè)有碼盤(pán)，用以讀取角位移。主動(dòng)組外框的支承軸與滾彎電機(jī)相連，滾彎電機(jī)置于機(jī)架一側(cè)。

5 曲率測(cè)量方法可行性分析與模型驗(yàn)證

5.1 滾彎成形過(guò)程及變形分析

扭轉(zhuǎn)式四輥彎板機(jī)依靠?jī)奢伣M給板材施加彎矩使之彎曲成形，其力學(xué)模型可抽象為圖4所示。1，2號(hào)輥為主動(dòng)輥組由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生角位移以提供彎矩。圖中：R為板材彎曲的曲率半徑；F為板材所受作用力。試驗(yàn)中彎曲的是Q235低碳鋼鐵絲，須使成形鐵絲的曲率半徑與電機(jī)輸出的彎矩產(chǎn)生一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。

圖4 扭轉(zhuǎn)式四輥彎板機(jī)計(jì)算原理

5.2 彎曲力矩計(jì)算

在鐵絲的任意截面上，彈性區(qū)和塑性區(qū)是共存的。在彈性區(qū)，應(yīng)力按線性分布；在塑性區(qū)，應(yīng)力都等于屈服應(yīng)力：因此取兩者的交界處，此時(shí)曲率半徑最大。

根據(jù)上述應(yīng)力分布，計(jì)算得

當(dāng)ys=R時(shí),鐵絲開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形，此時(shí)的彎曲稱(chēng)為彈性極限彎矩Me。

此時(shí)，對(duì)應(yīng)的曲率半徑為可實(shí)現(xiàn)的最大曲率。

此時(shí)彎矩為

以上各式中：M為橫截面上彎矩；R為截面半徑，向上為正；y為計(jì)算層到中性層的垂直距離；σy為計(jì)算層的應(yīng)力；Ry為計(jì)算層寬度；σs為材料屈服應(yīng)力；ys為橫截面的中性層到彈塑性分界面的距離；E為彈性模量。

鐵絲的材料為低碳鋼Q235,即E=206 GPa，R=1.5 mm，σs=235 MPa，計(jì)算得最大曲率為

模型上兩輥組旋轉(zhuǎn)中心間距為150 mm，即最小曲率半徑為

R=1.5 mm，ys=0.085 6 mm時(shí)：

R=1.5 mm，σs=235 MPa時(shí)：

5.3 理論計(jì)算和模型加工數(shù)據(jù)比較

卸載后，施加在鐵絲上的彎曲力矩消失，回彈釋放，此時(shí)鐵絲的曲率即其成形曲率，如圖5所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?輥組間距為0.15 m，2個(gè)滾彎模塊相對(duì)角位移為θ，鐵絲成形曲率半徑為R，兩者幾何關(guān)系為

圖5 實(shí)際曲率計(jì)算圖

為了驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某尚涡Ч?，以直徑? mm的Q235低碳鋼鐵絲為試驗(yàn)對(duì)象多次試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量鐵絲在加工區(qū)域的弦高d，并通過(guò)幾何關(guān)系換算成鐵絲的成形曲率半徑，計(jì)算公式為

試驗(yàn)得到的加工數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

5.4 誤差分析

誤差出現(xiàn)的原因可概括為以下2點(diǎn)：

(1) 測(cè)量誤差：量取精度受限。

(2) 機(jī)械誤差：機(jī)械加工過(guò)程中無(wú)法完全避免打滑。其中，打滑可分為以下2種情況：一是單次施加角位移過(guò)大，易產(chǎn)生明細(xì)折角，折角無(wú)法通過(guò)夾緊的輥組，阻礙該端進(jìn)料，出現(xiàn)打滑現(xiàn)象；二是兩輥組打滑，輥組打滑導(dǎo)致加工區(qū)域鐵絲長(zhǎng)度變化，影響加工曲率。

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通過(guò)調(diào)整回彈補(bǔ)償角位移，可有效減少回彈誤差。通過(guò)多次滾彎，分?jǐn)倖未问┘咏俏灰?，可有效避免出現(xiàn)尖角。對(duì)兩輥組的協(xié)調(diào)配合調(diào)整改進(jìn)，可有效減小打滑誤差。

6 基于扭轉(zhuǎn)模塊的板材滾彎加工方法應(yīng)用前景

基于扭轉(zhuǎn)模塊的板材滾彎加工方法仍然處于研究的初始階段，原理和技術(shù)方面尚未完全成熟，需要進(jìn)一步研究擴(kuò)展提升?，F(xiàn)階段這種方法具有以下幾個(gè)應(yīng)用：

(1) 為相關(guān)試驗(yàn)室提供研究和試驗(yàn)的新思路，幫助實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的高效準(zhǔn)確、綠色經(jīng)濟(jì)、資源節(jié)約。試驗(yàn)室可以根據(jù)這種方法原理，改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制作更多模型樣機(jī)，進(jìn)一步優(yōu)化加工方法，同時(shí)可以幫助實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)材料重復(fù)利用；在回彈控制的優(yōu)勢(shì)下，得到更加準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使試驗(yàn)結(jié)果更可靠。

(2) 幫助船廠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化，給造船工藝帶來(lái)新的想法和啟發(fā)。設(shè)計(jì)者往往需要根據(jù)生產(chǎn)條件去完善設(shè)計(jì)，可能使一些新的想法由于條件和要求不匹配而無(wú)法實(shí)現(xiàn)，此項(xiàng)技術(shù)的提出可以為設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)提供新思路。

(3) 得到實(shí)際生產(chǎn)的應(yīng)用，充分體現(xiàn)包容回彈量、自動(dòng)曲率測(cè)量和自動(dòng)過(guò)彎矯正的優(yōu)勢(shì)，節(jié)省人力物力，提高生產(chǎn)效率。

7 結(jié) 論

通過(guò)分析三輥彎板機(jī)的缺陷，提出扭轉(zhuǎn)式四輥彎板機(jī)設(shè)計(jì)理念，在一定程度上解決傳統(tǒng)三輥彎板機(jī)不能在線測(cè)量和過(guò)彎矯正的問(wèn)題，并通過(guò)理論計(jì)算、仿真驗(yàn)證、模型試驗(yàn)，驗(yàn)證該板材滾彎加工方法的可行性。但模型制作精度、扭矩模塊壓緊裝置的設(shè)計(jì)等問(wèn)題，導(dǎo)致試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中對(duì)鐵絲直徑、直線度等有一定要求，易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，對(duì)成形精度造成一定影響。

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NewMethodofPlateRollingBasedonTorsionModule

WU Siyi, CHU Shixin, HU Wenwei, HUANG Ziyu

(Transportation School, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, Hubei， China)

At present, the bending machine used in the plate rolling process is based on the principle of the three-point into a circle. By changing the relative position of the rollers, it is easy to cause over-bending. The precision is low while the remaining straight edge is too long at the same time. The efficiency is reduced by manual operation. Based on the working principle of the existing bending machine, the working principle of the reversal four-roll bending machine is applied instead of the traditional way, and the structural design is combined with the function. The virtual simulation is carried out by establishing the three-dimensional geometric model to verify the processing scheme. The solid model is established to verify the processing method.

reversal; plate rolling; automation; four-roll bending machine; over-bending correction

武漢理工大學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(編號(hào)：20151049702002)

吳思翊(1995-)，女，本科在讀，研究方向?yàn)榇芭c海洋工程

1000-3878(2017)06-0039-04

U662

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