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 型材滚弯加工技术探讨与研究  

2011-4-22 20:34:28 浏览:1948 来源:  

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关键词:机械制造;滚弯成形;回弹问题

  前言滚弯是坯料在滚轮施加弯矩的作用下逐渐被弯曲成形的工艺过程to型材滚弯成形工艺在飞机弯曲收稿日期作者简介:周养萍(1973-),女,硕士,从事机械制造技术的研究和教学件的制造中得到了非常广泛的应用。飞机生产中,滚弯工艺主要用于成形框肋缘条、机身前后段和发动机短舱的长析。这些都是尺寸大、相对弯曲半径大的变曲率型材弯曲件,由于它们是组成飞机骨架的受力零件,并且直接影响到飞机的气动力外形,因而形状精度要求很高。因此,进行滚弯工艺的研究对提高飞机滚弯零件的质量有着十分重要的意义。    传统的滚弯机床都是手动控制的,往往要经过很多次的反复成形和校形才能满足要求,这样效率极低,成本也很高。对于变曲率的型材零件更是要通过制作靠模来控制滚轮成形零件,不仅加工精度低而且成本也高。特别是对于大尺寸、不对称截面型材零件的滚弯成形,在我国尚处于理论研究阶段,目前既没有有效的设备,又没有成熟的经验。

  对于飞机结构中大量的饭制型材零件,采用数控滚弯成形,可以节约大量的成形模具。美国公司和瑞士HAEUSLER公司已相继研制出加工该类零件的设备—数控四轴型材滚弯机。这类设备从性能上看具有加工变曲率型材零件的功能,但由于饭制型材零件的复杂性和回弹问题的不稳定性,这些设备没有将零件的理论外形数据与设备的各运动坐标联系起来,其数控编程系统只能将各运动坐标轴的坐标值输人给计算机。另外,这些设备在软件配套上还很不完善,主要表现在对零件外形数据和回弹间题的处理上,有待于进一步开发和完善。

  型材弯曲成形过程中普遍存在有回弹问题,特别在大尺寸零件的滚弯过程中回弹现象更为严重,回弹对零件的尺寸精度和生产效率造成极大的影响。为此,有必要对其进行深人的研究和有效的控制。

  通用性好,不需制造相应的模具设备简单,加工经济性好具有柔性制造的特点。

  型材滚弯过程中的质量缺陷型材滚弯过程中容易产生以下质量缺陷:①斜弯曲变形;②扭转变形;③剖面角度的变化;④腹板失稳起皱;⑤回弹。

  针对以上质量缺陷,在型材滚弯过程中要采取适当的措施提高加工精度,如:①增大上滚轮的直径;②减小左、右滚轮的水平中心距;③合理设计滚轮结构。

  滚弯型材零件分类滚弯成形可分为挤压型材和板弯型材滚弯两大类。按成形半径是否变化滚弯成形又可分为等曲率和变曲率两种。常用的型材剖面有角材、T形型材、形型材、类U形型材等。与外蒙皮连接的一般是收边的,如图2a所示;与内蒙皮连接的一般是放边的,如图2b所示。收边型材滚弯过程中所反映的一些问题具有普遍性,故作为主要的研究对象腹板滚弯成形工艺特点型材滚弯成形工艺特点滚弯成形加工时,先将被加工坯料的一端送人滚弯机的上、下滚轮之间,然后左、右滚轮向上移动,使位于左、右滚轮之间的坯料因受压而产生一定的塑性弯曲变形。当上滚轮作回转运动时,由坯料与滚轮之间的摩擦力形成的啮人力矩使坯料实现进给当坯料依次通过上下滚轮之间(即变形区)时,坯料也就获得了沿其全长的塑性弯曲变形。工艺原理如图1所示。

  型材滚弯成形的工艺特点收边型材(b)放边型材图2收边与放边型材型材与弯曲平面平行的一边称为腹板;与弯曲平面垂直的一边称为缘条。腹板的刚度远大于缘条,是施加弯曲力使其变形的主要部位。常见的滚弯型材零件的分类如图3所示。

  图3滚弯型材零件分类图1侧辊摆动式四辊滚弯原理冯区动轮3,4进给轮滚弯成形设备根据国内外滚弯成形机现状,可以将其分成种类型。

  辊式滚弯机机器工作原理如图4,5所示辊式滚弯机的特点:①滚弯方式:连续;②传动方式:机械传动,电液控制;③加工质量低二靠模式辊式滚弯机可以用于变曲率滚弯过程的理论分析。对滚弯过程中的力学分析,较早作过研究的还有前苏联学者莫施宁(MOLLIHI'IH ) I']和格罗莫娃(I'poMOSa ) I8}等,他们在分析滚弯成形过程中所作的共同假设与文献中的假设一样与实际加工过程有一定差异。

  等在文献[9] , [10]中给出了关于主动辊传递扭矩的计算公式。1979年,丹麦的Hansen和发表了一篇有关分析矩形截面钢梁在对称式三辊弯板机上滚弯成形的文章I11J。文章着重研究了滚弯成形过程中各几何参数的变化,并假设各辊间的弯矩呈三角形分布,考虑实际材料的应力应变关系,利用滚弯过程中弯曲曲率、弧长、挠度角与所设直角坐标系的简单关系,在处理方法上与文献有所不同,建立了具有对称截面的钢梁在对称式三辊弯板机上滚弯成形时的数学模型。但文章所给的方程数少于待求的未知数,这是该理论在应用中需进一步处理的不完善的地方。

  国内学者在滚弯成形方面也有所研究,胡卫龙等人[12.13,14!对板材滚弯的工艺过程和受力分析进行了研究。斯厚达等对板材弯曲加工时的回弹分析与计算方法进行了探讨[tts.le,t2l。徐辅仁〔lx}运用弹塑性理论对船体板在对称式三辊弯板机中发生弹塑性弯曲时的受力及弯形作了系统的分析及研究,提出了一组可按照板材厚度、材料的弹性模量、屈服极限及船体板成形后的曲率等参数,来确定中心辊(上辊)进给量及作用力的理论计算公式。上述研究对板材滚弯过程所作的理论分析和计算较详尽,有一定的理论价值和参考意义。舒东海等人[19,20]通过对板材滚弯成形的理论分析计算,从理论上建立了板材滚弯成形的数学模型,通过具体材料的滚弯实验和实验数据的回归分析,得出板材在对称式三辊弯板机上滚弯成形时,上辊的下降值和成形曲率的关系为,并以此为控制模型建立了滚弯成形的实时控制模型。茅云生Iztl对板材的滚弯成形工艺进行了分析,建立了力学计算模型,并在此基础上运用弹塑性理论进行了力学计算,求解出了板材滚弯时的挠曲线方程。西安交通大学朱东波等人I}1,针对复杂弯曲问题,提出了“状态属性”的概念,建立了“状态坐标”算法,从而有效地降低了计算的复杂程度。应用“状态坐标”算法,以纯弯曲为例,对循环加载下的弯曲应力和回弹变化规律进行了分析计算,得到了一些有意义的现象和结果,并给出了线性回弹算法的计算公式:Ok=M(1-v2 )/!E(式中回弹后的中面弯曲曲率,kh—回弹前的中面弯曲曲率;M—回弹前的截面弯矩;1截面惯性矩,—材料泊松比沂一一材料弹性模量)。车世明研究了薄板异形型材滚弯成形的五工步成形工艺过程及滚轮设计要点等相关问题。赵丽娟‘}l提出了利用滚弯加工槽钢,并通过数控实现曲率在线测量和控制的新方法。聂爱琴Im对载重汽车车轮轮网滚弯变形进行分析,讨论了异型截面板滚弯成形过程中主要缺陷产生的形式和原因。

  板料成形的FEM模拟技术始于20世纪70年代,30多年来,在材料模型、单元类型、接触摩擦处理、非线性算法等方面都有了很大的发展。

  的研究表明,有限元单元尺寸和材料硬化模型对应力计算结果影响较大。S.W.Lee, etcl2'}对回弹计算结果的影响因素进行了研究,结果表明单元尺寸和圆角处单元密度对回弹计算结果影响最大。胡军峰等人fzxl对滚弯成形过程进行三维动态仿真数值模拟,分析了滚弯时间、板材厚度对滚弯成形半径的影响。闺静等人[f=91对双轴柔性滚弯系统进行了研究,分析了工件的材料特性对滚弯半径的影响。Yang和等人提出了用可控有限元方法来滚弯加工变曲率板材的方法。

  型材滚弯研究展望尽管型材滚弯成形的研究取得了一定的成果但目前许多基础性研究工作还很薄弱,哑待解决的问题主要有对滚弯成形过程的研究大部分处于理论分析阶段,对实际工艺参数的研究较少,而生产加工过程中工艺参数的确定直接影响到零件的加工质量。

  板材的滚弯成形理论已发展到比较成熟的阶段,而型材的滚弯成形理论期待进一步的完善。

  滚弯成形的精度垂待提高,特别是对弯曲回弹的控制。

  今后随着一些基础性问题的解决,型材滚弯成形研究工作需集中于以下几个方面基于弹塑性理论对型材滚弯成形的基本原理及滚弯成形中的弹性回复进行研究,推导出型材滚弯成形回弹半径的表达式,理论分析影响滚弯回弹量的因素。为数控滚弯成形中解决回弹问题奠定理论基础。

  对滚弯成形的工装设计进行研究,提出滚轮结构的设计方法,设计成形零件的滚轮结构,并在实验过程中总结出合理的工艺参数。

  以变曲率型材零件为加工对象,在充分考虑回弹的基础上,实现变曲率型材零件数控滚弯加工。

  采用有限元法建立型材滚弯成形弹塑性有限元模型,分析变曲率型材零件滚弯成形后的残余应力分布规律。研究不同滚弯半径时型材截面的应力应变,总结滚弯半径对型材截面应力应变的影响规律。分析滚弯成形后型材剖面角度的变化。研究弯曲半径、型材厚度、应变刚模量对回弹半径的影响规律。为进一步提高滚弯成形零件加工精度奠定基础。
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