柔性滚弯成形技术研究进展

柔性滚弯成形技术研究进展宋攀峰【摘要】Flexible roll bending forming technology is widely used for aircraft, ship, rocket and carrier to make small batch complex thin-wall Parts with various shapes. This paper summarizes the domestic and foreign research status of the flexible roll bending tech-nology and introduces three flexible roll bending technologies:the one-axle rotary shaping technology with rubber pad and rigid roll, the two-axis roll bending technology with a rigid roll and a elastic roll or two elastic rolls interacting on each other and the 3D surface continuous flexible forming technology with three bendable and flexible elastic rolls interacting on each other. It also analyzes and summarizes the basic principle and process characteristics of the new technologies above.%柔性滚弯成形技术主要用于制造形状多样化、生产批量小的复杂薄壁曲面制件,广泛运用于飞机、船舶、火箭等运载工具.总结了柔性滚弯成形技术在国内外的研究现状,介绍了刚性辊滚压橡胶垫的单轴柔性滚弯成形技术;刚性辊和柔性辊相互作用或者双柔性辊相互作用的双轴柔性滚弯成形技术;可弯曲、可调节的三柔性辊相互作用的曲面连续成形技术.对新型工艺技术的基本原理以及工艺特点进行了分析和总结.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2017(000)005【总页数】3页(P42-44)【关键词】薄壁制件;单轴、双轴柔性滚弯成形;曲面连续成形【作者】宋攀峰【作者单位】南京航空航天大学机电学院,江苏南京210000【正文语种】中文【中图分类】TH165单曲率制件和三维曲面制件广泛运用于航空航天、船舶、车辆、压力容器及城市建设等民用、军用制造领域[1]。

传统的加工方法有冲压成形、拉伸成形及液压成形等，但这些方法加工成本高，生产周期长[2]。

尤其是曲面制件呈现出形状多样化和小批量生产的需求。

要找到一种既能解决小批量生产、多样化需求的问题，又能减少加工成本、提高精度的加工工艺显得格外重要。

柔性滚弯成形技术克服了传统滚弯加工的不足，适用于高强度、低塑性材料，能够达到较好的成形精度，其中单轴或双轴柔性滚弯成形技术克服了三辊卷板机或四辊卷板机直边量大、精度低的弱点[3-4]，三轴柔性滚弯成形技术克服了传统加工成本高、生产周期长的弱点[5]。

柔性滚弯成形技术不需要制造复杂的模具，较好地节约了经济和时间成本，能实现零件的高效、柔性加工，并易于实现成形过程的自动控制。

在单曲率制件或三维曲面制件的小批量、多样化的需求背景下，具有比较明显的优势。

本文对国内外柔性滚弯成形技术的研究进展以及原理和特点做一些总结。

单轴柔性滚弯技术是以弹性垫为主动件，其中弹性垫一般采用聚氨酯橡胶材料，通过给刚性滚轮一定的下压量，弹性平垫在压力的作用下产生弹性变形以及相应的分布载荷，当作用在工件上的分布载荷足够大时，工件逐渐产生屈服，并在离开滚轮之后保持一定的曲率半径。

其成形原理如图1所示。

单轴柔性滚弯成形的主要优势在于实现了工件进给和弯曲的一致性[6]，可滚弯不同类型的零件，如曲面形筋板、波纹板，易于实现强度较高材料的正常送料，其次，工件在滚弯过程中逐渐屈服成形，从而减少滚弯工件两端的直边。

双轴柔性滚弯成形技术是由刚性辊和柔性辊相互挤压后形成包覆面弯曲薄板[7]；或者是由2个轴都是柔性辊，横截面两柔性辊形成一定的曲率，纵截面通过控制两柔性辊的间距的不同，加工三维曲面制件[8]。

双轴柔性滚弯成形相比单轴柔性滚弯成形，操作更方便，是一种高效、经济、实用的加工方法，可以加工更加复杂的薄壁件，如环面、马鞍面等。

2.1 刚性辊和柔性辊相互作用的双轴柔性滚弯成形刚性辊和柔性辊相互作用的双轴柔性滚弯原理是使板材在1个刚性轴和1个带聚氨酯材料的弹性外套的柔性辊之间[9]，通过密切接触并受到非常大的表面载荷而滚弯成形的，其原理如图2所示。

在加工中，影响零件加工尺寸的主要有下面4个因素：材料性能、橡胶层厚度、刚性辊直径和刚辊下压进给量[10]。

滚弯工艺措施大致可分为3种，套刚性管或提供多种直径的刚性辊的滚弯、加柔性垫滚弯、可变径柔性滚弯。

1) 套刚性管或提供多种直径的刚性辊的双轴柔性滚弯在刚性滚轴上套1个外径较大的空心薄壁管，相当于增大刚性辊的直径，滚弯各种不同直径的薄壁件。

薄壁管紧密贴合刚性辊，不发生变形。

薄壁管的外径一般选用系列化的尺寸。

或者提供多种直径的刚性滚轴，如俄罗斯制造的二轴滚弯机[11]，可提供参数型号系列化直径的刚性滚轴。

目标是将敏感的自由滚弯区改造成若干耦合滚弯和若干连续滚弯可控区，适用于单曲率制件的滚弯及精度要求高的场合。

2) 加柔性垫双轴柔性滚弯采用高弹性材料制造的柔性垫板，先将其滚弯成一定弧度的制件。

在平面薄板放进滚轴内加工时，加柔性垫滚弯。

由于柔性垫只发生了弹性变形，柔性垫加工前后形状、尺寸无变化，因此可以反复使用。

加柔性垫滚弯实质上相当于增大了刚性辊的直径，可以在不更换刚性辊的情况下，制造出不同半径的薄壁件。

3) 可变径双轴柔性滚弯无论是套刚性管、多种直径刚性辊，还是加柔性垫，都是刚性辊与柔性辊的压入量超过最佳压入量。

最佳压入量是刚性辊与柔性辊的压入量正好可以使薄板在回弹前贴合刚性辊，。

可变径柔性滚弯技术是在未达到最佳压入量的情况下，通过控制刚性辊和柔性辊的压入量，卷制出不同直径的薄壁件。

结合工件外部受力和经典回弹公式，以及滚弯变形时板内的径向应力、周向应力和弯矩的计算公式，可以建立制件回弹后的半径与压入量、制件材料参数、刚性辊和柔性辊的半径及材料参数的关系表达式[12]。

此理论模型最大误差为15%，最小误差为2.6%。

为便于对滚弯过程中弹性层的受力进行分析,提出了折算弹性模量的概念,来定义柔性滚弯过程中聚氨酯橡胶随成形改变的弹性模量,并推导了聚氨酯橡胶折算弹性模量的计算公式，能较准确地描述聚氨酯橡胶在滚弯成形过程中的应变状态分布[13]。

可变径柔性滚弯技术还需要进行更详尽的研究，目前还存在精度不高，同样压入量的情况下卷制出椭圆制件等情况。

2.2 双柔性辊相互作用的双轴柔性滚弯成形双柔性辊相互作用的双轴柔性滚弯成形技术是基于不均匀减薄轧制原理及横向的弯曲变形的一种三维曲面连续成形新方法，即利用上下柔性辊横截面的曲率变化，纵截面上通过控制其间的间隙，板材在厚度方向不均匀减薄，用于卷制横向和纵向具有一定曲率的三维曲面薄壁件[14]。

最基本的成形机构，如图3所示，包括上柔性辊及下柔性辊，柔性辊由多层不同直径的钢丝分层缠绕而成的钢丝软轴制成。

双柔性辊在自由状态是高弹性、高强度的材料构成的直辊。

影响零件加工尺寸的主要有下面3个因素：板材的材料性能、双柔性辊的直径、柔性辊之间的间隙。

在忽略弹性变形、宽展变形的情况下，可根据曲面制件的目标形状计算柔性辊的轮廓形状及辊缝函数。

准确控制上下柔性辊横截面的轮廓形状以及辊缝，可以获得所需形状的曲面制件[15]。

辊缝中间小两边大，曲面制件高斯曲率大于零，形成凸曲面；辊缝中间大两边小，曲面制件高斯曲率小于零，形成鞍型曲面[16]。

由于在滚弯过程中，可以使板材发生较大的塑性变形，因此，与以弯曲变形为主的成形方式相比，这种滚弯成形曲面的方法回弹小，可以获得更好的成形效果。

3个柔性辊相互作用的曲面连续成形，是基于弯曲变形原理建立的板材加工方式，是一种三维曲面连续柔性成形方法，如图4所示。

李明哲等人[17]开发了曲面连续成形的试验装置。

连续成形的具体过程如下：曲面连续成形装置的柔性辊由钢丝软轴制成，钢丝软轴一般是由多层不同直径的钢丝分层缠绕而成，首先根据目标曲面的横向截面线方程调整柔性辊的形状，其次将板材置于上辊和两下辊之间，再根据目标曲面的纵向曲率控制上辊的压下量，并通过3个弯曲柔性辊绕自身轴线的旋转驱动板材进给，最终实现板材横向与纵向的弯曲变形，完成双曲度曲面件的成形。

图4为曲面连续成形试验装置的二维模型，主要包括3个能够弯曲并绕自身轴线回转的柔性辊(1个上辊、2个下辊且呈对称分布)、两端的驱动机构、适量的调形单元组成的调形机构及相关的辅助机构。

连续成形中的变形是横向与纵向弯曲变形的叠加，板材的横向变形是由柔性辊的轮廓形状决定的，而柔性辊调形是数字化调整其轴线上各个控制点的相对位置实现的；纵向变形产生于三辊弯曲，变形量由上辊压下量控制，通过2个方向上弯曲变形的组合即可成形不同类型的双曲度曲面件。

曲面连续成形工艺将传统卷板成形与多点控制技术2种技术有效结合，用多点的调形方法使卷板成形的工作辊能够弯曲并绕自身轴线旋转，其主要优势有：以三辊为成形工具，因而设备结构简单、生产成本低且投资少；不需要模具，灵活性大，避免了模具设计和制造周期长的缺点；适合小批量，尤其是单件生产；长度方向的成形尺寸不受限制，因此可成形大型曲面件。

本文对柔性滚弯成形技术的进展进行了探讨，分别对单轴柔性滚弯、双轴柔性滚弯、三轴柔性滚弯的概念、原理、特点进行了简要的总结。

这3种新型的柔性滚弯工艺，相比传统工艺，如模具成形、三辊四辊卷板工艺，具有成本低、易控制、精度高的优势。

其中对于单曲率制件，采用单轴柔性滚弯和一刚一柔的双轴柔性滚弯；对于三维曲面曲面制件，采用两柔性辊的双轴柔性滚弯和三轴柔性滚弯。

在一刚一柔的双轴柔性滚弯技术中，还提出一种更加灵活的可变径柔性滚弯技术。

随着各种新颖的滚弯工艺的研究和实际应用，这些加工工艺一定可以在现代压力加工中发挥重要的作用。

【相关文献】[1] 邱宁佳. 三维曲面柔性轧制原理及数值模拟研究[D]. 长春：吉林大学,2014.[2] 李任君. 三维曲面板类件的柔性轧制设备及成形工艺研究[D]. 长春：吉林大学,2014.[3] 金霞,鲁世红,孙家军,等. 单轴柔性滚弯成形的有限元分析研究[J]. 机械科学与技术,2008,24(12):1567-1571.[4] 闫静,左敦稳,王珉. 双轴柔性滚弯过程中工件回弹的理论分析[J]. 兵工学报,2003,24(03):381-384.[5] 隋洲. 曲面零件连续成形的理论与数值模拟研究及控制软件开发[D]. 长春：吉林大学,2014.[6] 金霞,刘海燕. 基于神经网络的U型材单轴柔性滚弯成形回弹预测[J]. 机械科学与技术,2009,28(4):464-467.[7] 闫静,左敦稳,王珉，等. 双轴柔性滚弯过程中工件回弹的理论分析[J]. 兵工学报,2003,24(3):381-384.[8] Daming Wang, Mingzhe Li, Zhongyi Cai, Investigation on Forming Precision of Flexible Rolling Process for Three-dimensional Surface Parts of Different Sheet Materials[J]. Procedia Engineering, 2014, 81(9): 227-232.[9] 仲昕.柔性滚弯技术的实验和理论研究[D]. 南京：南京航空航天大学,2000.[10] 余国庆,鲁世红. 基于有限元分析的二轴柔性滚弯过程影响因素的研究[J]. 机械科学与技术,2005,24(10):1187-1190.[11] 鲁世红,于长生,恽君璧，等. 柔性滚弯技术在国外的应用进展[J]. 新技术新工艺,2006(3):31-34.[12] 闫静,左敦稳,王珉，等. 塑性精确理论在双轴柔性滚弯技术中的应用[J]. 中国机械工程,2005,16(12):1124-1127.[13] 鲁世红,金霞.基于CAE仿真的两轴柔性滚弯过程的应变分析[J]. 南京航空航天大学学报,2009,41(6):800-804.[14] Ren-Jun Li, Ming-Zhe Li, Ning-Jia Qiu, Zhong-Yi Cai, Surface flexible rolling for three-dimensional sheet metal parts[J]. Journal of Materials Processing Technology,2014,214(2):380-389.[15] 邱宁佳,李明哲,李任君，等. 三维曲面柔性轧制辊形计算方法[J]. 东北大学学报(自然科学版),2014,35(5):690-694.[16] 李明哲,蔡中义,李任君，等. 基于弯曲辊轧制的曲面零件连续成形方法[J]. 机械工程学报,2012,48(14):44-49.[17] 李明哲,胡志清,蔡中义，等. 自由曲面工件多点连续成形方法[J]. 机械工程学报,2007,43(12):155-159.。