基于扭轉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 交通學院， 湖北 武漢 430063)

基于扭轉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 交通學院， 湖北 武漢 430063)

目前板材滾彎成形加工工藝所使用的彎板機依據(jù)3點成圓原理，通過改變輥的相對位置對板材進行壓力滾彎，易造成過度彎曲、精度低、剩余直邊過長、人工對樣效率低等問題。以現(xiàn)有彎板機工作原理為基礎，創(chuàng)新設計使用施加彎矩的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)扭轉式四輥彎板機壓彎的工作原理，結合與功能相適應的結構設計，建立三維幾何模型進行虛擬仿真，對加工方案進行驗證，并建立實體模型對加工方法進行驗證。

扭轉式；板材滾彎；自動化；四輥彎板機；過彎矯正

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產(chǎn)品的過程，廣泛應用于造船、航空、石油、化工、機械制造等行業(yè)。板材成形加工分為熱彎和冷彎2種：熱彎是通過給板材加熱使之達到彎曲溫度后彎曲的成形加工方法；冷彎是通過機械向板材施加機械力使之在常溫下彎曲的成形加工方法。冷彎又進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旋轉的輥使之彎曲的加工方式，是應用最為廣泛的成形加工方法。

2 扭轉式四輥彎板機的設計意義

2.1 三輥彎板機滾彎加工存在的難點

傳統(tǒng)的彎板機采用角錐型置輥，根據(jù)3點成圓原理，通過三輥與板材的3個接觸點確定滾彎的曲率。工作輥的相對位置變化向板料施加壓力，使板材發(fā)生彎曲形變，旋轉運動推動板材產(chǎn)生連續(xù)彈塑性彎曲，從而獲得預定形狀及精度的工件。目前，三輥彎板機已經(jīng)發(fā)展出有預彎功能的非對稱式、下調式、萬能式等多種型式。

目前已有的四輥彎板機依然保留著三輥彎板機的3點成圓工作原理，不改變壓力壓彎的事實，僅僅在壓彎三輥旁附加矯正側輥，通過改變矯正側輥位移增量來對過彎板材進行擠壓矯正，實際工作時依然是三輥在作用，效果甚微。

對三輥彎板機的結構及加工原理的分析可歸納出目前已在使用的彎板機主要存在以下3個問題：

(1) 剩余直邊過長。三輥彎板機無法對板材兩端進行加工，兩端剩余直邊很長。部分三輥彎板機借助輔助機械預彎，步驟繁瑣，余料多。

(2) 無法自動測量回彈后曲率。壓力壓彎時，下壓量與回彈量不易協(xié)調，易造成過彎，曲率測量須脫離機器，回彈后依靠人工樣板對樣檢測，效率和精度較低。

(3) 無法自動過彎矯正。過彎判斷后，須添加補板重新裝載機械矯正，多次操作造成樣板和補板材料的浪費和人力、時間的耗費。

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

2.2 扭轉式四輥彎板機的優(yōu)勢

為滿足功能性、精確性、自動化和高效性的要求，從剩余直邊、回彈量與曲率測量、過彎矯正等3個方面優(yōu)化加工原理。

(1) 改變施加壓力為施加彎矩，扭轉滾彎。形成類似非對稱式三輥置輥結構，具備預彎邊功能，極大程度地減少剩余直邊，提高經(jīng)濟性。

(2) 無動力端包容回彈量，利用角位移程序計算曲率。一端輥組無驅動力，隨板材彎曲回彈情況轉動以包容回彈量，通過角位移傳感器測量角位移，程序計算回彈后曲率。

(3) 自動過彎矯正。程序計算曲率，若判斷過彎，自動施加反向彎矩直接矯正，無須脫離機器，節(jié)省樣板和補板材料，提高工作效率和精度。

3 基于扭轉模塊的板材滾彎加工原理

扭轉式四輥彎板機為夾緊式置輥，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，通過電動機驅動，為動力輥，依靠摩擦力使板材沿輥轉動方向進料，連續(xù)滾彎；上輥沿板材法線向動力輥靠攏，無動力，為夾緊輥。主動輥組外框連接電動機，輥組轉動向板材施加彎矩，從動輥組外框無動力，支撐板材并隨著板材彎曲和回彈情況轉動外框到合適的位置，2組輥配合自動控制滾彎過程。具體原理如圖1所示。

圖1 扭轉式四輥彎板機原理

在從動輥組測量包容回彈后角位移，反饋到控制端，通過程序計算自動完成曲率計算、檢測并進行過彎判斷。如需矯正，控制主動輥組外框的電動機反轉以施加相反的彎矩，完成過彎矯正。加工完成后，可將加工數(shù)據(jù)進行整合并儲存，加工相同類型的板材時直接調用相應數(shù)據(jù)，精簡加工步驟。圖2為加工原理流程。

圖2 加工原理流程

4 扭轉式四輥彎板機結構設計

設計制造扭轉式四輥彎板機實物模型，以便進一步檢測、研究和改進，如圖3所示。

圖3 扭轉式四輥彎板機實物模型

模型包括3面鏤空的機架，機架上設有主動輥組和從動輥組，輥組包括外框和外框內(nèi)從上至下平行設置的夾緊輥和動力輥。動力輥輥軸與送料電動機相連，置于外框上；夾緊輥兩端設有滑槽和夾緊機構，由螺釘旋緊，以夾緊板材。兩輥組外框兩側均設有支承軸，豎向置于機架上，一側支軸承上設有碼盤，用以讀取角位移。主動組外框的支承軸與滾彎電機相連，滾彎電機置于機架一側。

5 曲率測量方法可行性分析與模型驗證

5.1 滾彎成形過程及變形分析

扭轉式四輥彎板機依靠兩輥組給板材施加彎矩使之彎曲成形，其力學模型可抽象為圖4所示。1，2號輥為主動輥組由步進電機驅動產(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輸出的彎矩產(chǎn)生一定的數(shù)學關系。

圖4 扭轉式四輥彎板機計算原理

5.2 彎曲力矩計算

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)，應力按線性分布；在塑性區(qū)，應力都等于屈服應力：因此取兩者的交界處，此時曲率半徑最大。

根據(jù)上述應力分布，計算得

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

此時，對應的曲率半徑為可實現(xiàn)的最大曲率。

此時彎矩為

以上各式中：M為橫截面上彎矩；R為截面半徑，向上為正；y為計算層到中性層的垂直距離；σy為計算層的應力；Ry為計算層寬度；σs為材料屈服應力；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，計算得最大曲率為

模型上兩輥組旋轉中心間距為150 mm，即最小曲率半徑為

R=1.5 mm，ys=0.085 6 mm時：

R=1.5 mm，σs=235 MPa時：

5.3 理論計算和模型加工數(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，此時鐵絲的曲率即其成形曲率，如圖5所示。試驗模型中2輥組間距為0.15 m，2個滾彎模塊相對角位移為θ，鐵絲成形曲率半徑為R，兩者幾何關系為

圖5 實際曲率計算圖

為了驗證試驗模型的成形效果，以直徑為3 mm的Q235低碳鋼鐵絲為試驗對象多次試驗，通過測量鐵絲在加工區(qū)域的弦高d，并通過幾何關系換算成鐵絲的成形曲率半徑，計算公式為

試驗得到的加工數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗數(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：

(1) 測量誤差：量取精度受限。

(2) 機械誤差：機械加工過程中無法完全避免打滑。其中，打滑可分為以下2種情況：一是單次施加角位移過大，易產(chǎn)生明細折角，折角無法通過夾緊的輥組，阻礙該端進料，出現(xiàn)打滑現(xiàn)象；二是兩輥組打滑，輥組打滑導致加工區(qū)域鐵絲長度變化，影響加工曲率。

[][]

通過調整回彈補償角位移，可有效減少回彈誤差。通過多次滾彎，分攤單次施加角位移，可有效避免出現(xiàn)尖角。對兩輥組的協(xié)調配合調整改進，可有效減小打滑誤差。

6 基于扭轉模塊的板材滾彎加工方法應用前景

基于扭轉模塊的板材滾彎加工方法仍然處于研究的初始階段，原理和技術方面尚未完全成熟，需要進一步研究擴展提升。現(xiàn)階段這種方法具有以下幾個應用：

(1) 為相關試驗室提供研究和試驗的新思路，幫助實現(xiàn)試驗的高效準確、綠色經(jīng)濟、資源節(jié)約。試驗室可以根據(jù)這種方法原理，改進機械結構設計，制作更多模型樣機，進一步優(yōu)化加工方法，同時可以幫助實現(xiàn)試驗材料重復利用；在回彈控制的優(yōu)勢下，得到更加準確的試驗數(shù)據(jù)，使試驗結果更可靠。

(2) 幫助船廠實現(xiàn)自動化、智能化，給造船工藝帶來新的想法和啟發(fā)。設計者往往需要根據(jù)生產(chǎn)條件去完善設計，可能使一些新的想法由于條件和要求不匹配而無法實現(xiàn)，此項技術的提出可以為設計者實現(xiàn)自己的設計提供新思路。

(3) 得到實際生產(chǎn)的應用，充分體現(xiàn)包容回彈量、自動曲率測量和自動過彎矯正的優(yōu)勢，節(jié)省人力物力，提高生產(chǎn)效率。

7 結 論

通過分析三輥彎板機的缺陷，提出扭轉式四輥彎板機設計理念，在一定程度上解決傳統(tǒng)三輥彎板機不能在線測量和過彎矯正的問題，并通過理論計算、仿真驗證、模型試驗，驗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計等問題，導致試驗驗證過程中對鐵絲直徑、直線度等有一定要求，易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，對成形精度造成一定影響。

[1] 王旭，趙孝鳳.四輥卷板機的設計與分析[J].冶金設備，2011(S1):20-22.

[2] 趙學，王吉龍，顧富生.一種美制大型三輥卷板機的結構與特點[J].鍛壓裝備與制造技術， 2011，46(3)：41-43.

[3] 邢偉榮.卷板機的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].鍛壓裝備與制造技術， 2010，45(2)：10-16.

[4] 許文奎，王麗娟，尹利斌.上輥萬能式三輥彎板機[J].一重技術，2000(4)：1-2.

[5] 孫敏，吳國軍. 上輥萬能式三輥彎板機的結構特點[J].一重技術，1998(1)：13-15.

[6] 郭永平，李澤武.常用三輥卷板機結構形式及傳動方式[J].鍛壓裝備與制造技術， 2010，45(6)：21-23.

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

武漢理工大學國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃資助項目(編號：20151049702002)

吳思翊(1995-)，女，本科在讀，研究方向為船舶與海洋工程

1000-3878(2017)06-0039-04

U662

A