二軸滾彎技術(shù)研究綜述

宋 哲

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京210016)

將薄板料或薄壁型材(擠壓件或板彎件)加工成單曲率的零件，常規(guī)采用三軸滾彎和四軸滾彎，這種滾彎的滾軸表面是剛性的。二軸滾彎其一滾軸表面是剛性的，另一滾軸表面是柔性的，或二軸表面都是柔性的。所謂表面柔性是指在剛性的芯軸上包覆有一層彈性介質(zhì)，一般采用聚氨酯橡膠。

1 兩種滾彎原理

三軸滾彎如圖1a 所示。圖中板料3 受上滾軸1 和下滾軸2 的支撐呈簡支梁彎曲，當(dāng)三軸轉(zhuǎn)動時，帶動板料3 送進(jìn)，支撐點(diǎn)沿著板料不斷地變換，即是簡支梁彎曲不斷地向反方向移動，離開滾軸的板料呈彎曲狀［1］。

二軸滾彎如圖1b 所示。上滾軸1 為包覆有聚氨酯橡膠的滾軸，表面是柔性的。下滾軸2 表面是剛性的。滾彎時，剛性滾軸將板料3 壓入柔性滾軸，聚氨酯橡膠表面受到不均勻的壓縮。在二滾軸中心連線處壓力最大，可將此處板料視為固定端，在受橡膠分布力作用下懸臂梁彎曲。當(dāng)柔性上滾軸1 轉(zhuǎn)動時，帶動板料3 送進(jìn)，懸臂梁彎曲不斷地往反方向移動，離開滾軸的板料呈彎曲狀。

在兩種滾彎過程中，端頭板料都沒有受到彎曲，因此在端頭有一直線段l。三軸滾彎中直線段l 與兩下滾軸的中心距2a 有關(guān)，呈l正比于a。由于兩端直線段的存在，在滾彎筒形件時將出現(xiàn)“屋頂形”，如圖2 所示［2］。為此，筒形件焊接前，焊縫處要增加校形工序，或是在滾彎之前進(jìn)行端頭形狀的預(yù)成形。在二軸滾彎中也存在端頭直線段l，它是懸臂梁的臂長，但l 的值與剛性滾軸壓入柔性滾軸的深度有關(guān)。當(dāng)剛性軸壓入量達(dá)到許可值時，l值可縮小到板料厚度的3～6 倍，這時圖2 中的“屋頂形”就不明顯。對于薄板料的筒形件滾彎后可直接進(jìn)入焊接工序，故這種加工方法可省去滾前端頭預(yù)成形或滾后的校形。

由于二軸滾彎中端頭直線段l 值可控制，這對帶孔的平板料滾彎非常有利。因為滾彎后孔周緣的曲率與整個零件的曲率基本一致，如改用三軸滾彎就不能保證兩者一致。因此用三軸滾彎加工有孔形的滾彎件，需要在板料滾彎后才能制孔，成形后制孔與平板制孔顯然前者麻煩。

在三軸滾彎時，滾軸有可能和板料發(fā)生相對滑動。如果滾軸表面粗糙，或有壓痕和毛刺，勢必有在滑動中將板料表面拉傷的可能，這樣對表面質(zhì)量要求高的零件則需要附加保護(hù)措施。在二軸滾彎中兩滾軸是壓緊的，在滾軸轉(zhuǎn)動時，滾軸間有咬合力，可將板料拉入滾軸，因此板料和滾軸不可能發(fā)生相對滑動。另外，滾軸柔性表面對板料表面有保護(hù)作用，不存在表面被劃傷或拉傷的可能。因此，對于滾彎表面質(zhì)量有一定要求的產(chǎn)品，可以毫無疑問地說，采用二軸滾彎加工是最佳的選擇。

二軸滾彎機(jī)的咬合力和能提供的滾彎力矩比三軸滾彎機(jī)的大。對于一些難加工材料，如鈦合金，耐熱合金，不銹鋼等板料都能滾彎加工。

在設(shè)計滾彎機(jī)時，確定滾彎直徑應(yīng)按能夠滾彎零件最小尺寸而定。三軸滾彎機(jī)，最小滾彎零件直徑約等于二倍滾軸直徑;二軸滾彎機(jī)，最小滾彎零件直徑約等于1.2 倍剛性滾軸直徑。如果兩類滾彎機(jī)滾軸直徑相同時，二軸滾彎機(jī)能加工的零件尺寸更小些。

2 二軸滾彎中的兩種滾彎狀態(tài)

在二軸滾彎中，板料與剛性滾軸的接觸狀態(tài)可分為兩種情況。

狀態(tài)1 在滾彎時，剛性滾軸將板料壓入柔性滾軸，板料發(fā)生彎曲變形，但是板料與剛性滾軸的接觸，從橫截面看是點(diǎn)接觸，從縱截面上看是線接觸，這種滾彎狀態(tài)稱為自由滾彎，如圖3a 所示。隨著剛性滾軸壓入聚氨酯橡膠的深度增加，板料彎曲的曲率亦在增加。

狀態(tài)2 當(dāng)剛性滾軸的壓入深度增加到一定值時，板料與剛性滾軸的接觸，從橫截面上看是弧線接觸，從縱截面上看是面接觸，按模壓的觀點(diǎn)看是貼模，可稱貼模滾彎。考慮到這種滾彎的彎矩有耦合效應(yīng)，故稱耦合滾彎，如圖3b。如果上下兩滾軸都有聚氨酯橡膠包覆，則它們只有一種滾彎狀態(tài)——耦合滾彎，隨著滾軸的轉(zhuǎn)動，耦合是變化的，為可變的耦合滾彎。在自由滾彎時，板料受到聚氨酯橡膠的分布力作用，剛性滾軸提供集中力予以平衡，形成懸臂梁彎曲，這些分布力對固定端形成彎曲力矩，這是板料彎曲變形的最大彎矩作用處。它與板料彎曲半徑形成如下關(guān)系:

當(dāng)剛性滾軸的壓入深度增加，作用的最大彎矩亦在增加，板料彎曲半徑r 隨著減小。當(dāng)減小的彎曲半徑等于剛性軸半徑R 時，作用的彎曲力矩為［M］，此時r=R，關(guān)系如下:

不存在r ＜R 的情況［3］。

當(dāng)滾彎達(dá)到r=R 時，即為自由滾彎向耦合滾彎過渡處。進(jìn)入耦合滾彎時再增大壓入深度，聚氨酯橡膠對板料作用的分布力載荷在繼續(xù)增大，好像它對板料作用的彎曲力矩亦在增大，實則不然，因為這時板料和剛性滾軸是面接觸，剛性滾軸提供的反作用力是以分布力形態(tài)給出的，它們構(gòu)成了反彎矩，考慮到正、反彎矩的共同作用，力學(xué)上稱為耦合，則作用到板料上的彎矩是一定值，即許可彎矩［M］。此時處于滾彎狀態(tài)的板料其彎曲半徑r =R，滾彎后板料發(fā)生回彈，則回彈后的彎曲半徑r' ＞r =R。眾所周知，滾彎板料不能得到等于或小于滾彎直徑的筒形件。

進(jìn)入耦合滾彎后加大壓入深度，不會對彎曲半徑有影響，但會增大耦合區(qū)，即增大貼模范圍，懸臂梁的長度l 在縮短，亦即板料端頭直線段縮短。當(dāng)端頭直線段達(dá)到板料厚度3～6 倍的極限值時，再增大壓入深度就有可能影響到聚氨酯橡膠的使用壽命。最大壓入深度不許超過橡膠包覆層厚度的20% 。

綜上所述，在自由滾彎階段，調(diào)整剛性滾軸的壓入深度，滾彎能獲得不同尺寸的筒形件。進(jìn)入耦合滾彎階段，調(diào)整剛性滾軸的壓入深度，滾彎可獲得同一尺寸的、所能得到的最小直徑的筒形件，但端頭的直線段在不斷減小。顯然要研究二軸滾彎機(jī)的滾彎性能，必先從自由滾彎入手。

3 滾彎工藝措施

(1)滾彎曲線

當(dāng)滾軸的參數(shù)確定，滾彎板料的材料、厚度和熱處理狀態(tài)亦確定時，則可作出自由滾彎曲線。就是不斷地調(diào)整剛性滾軸壓入柔性滾軸的深度H0，隨后進(jìn)行板料滾彎，測定回彈后的彎曲半徑r，繪制r-H0曲線［1，4］。

圖4 所示的r -H0曲線為雙曲線狀，試驗材料是不銹鋼板料。在較小的彎曲半徑區(qū)r =50～150 mm時，所對應(yīng)的壓入深度H0為3.1～2.0 mm，而在較大的彎曲半徑區(qū)r=450～550 mm 時，所對應(yīng)的壓入深度H0為1.5～1.4 mm，雖然在兩個對比區(qū)上的r 變化量皆為100 mm，而兩個區(qū)段的壓入深度的變化值相差11 倍之多。因此在大的滾彎半徑區(qū)對壓入深度的敏感度要高，這就是說滾彎機(jī)床的壓入深度控制精度要高于0.1 mm，而且滾軸調(diào)整時的平行度也要高于0.1 mm，否則會滾彎出大小頭的筒形件。若在批量生產(chǎn)時，零件尺寸的一致性很差。滾彎半徑小的區(qū)段，操縱控制較容易，滾彎產(chǎn)品精度也高。

雙曲線狀的滾彎曲線將滾彎分為兩個區(qū)段:滾彎敏感區(qū)和可控區(qū)，前者是大的彎曲半徑區(qū)，后者是小彎曲半徑區(qū)，也是進(jìn)入耦合滾彎的前區(qū)。為了改善滾彎敏感區(qū)的滾彎性能，可以采取下列工藝措施。

(2)加柔性墊滾彎

柔性墊板可用高彈性材料制作，先滾彎成一定弧度的板件。加墊滾彎是與平板料一起放進(jìn)滾軸內(nèi)滾彎，滾彎后，板料受到變形，具有一定的弧度，而柔性墊在滾彎前后形狀、尺寸均無改變，在滾彎中柔性墊板也發(fā)生了變形，但只允許是彈性變形，這樣柔性墊板就可以多次應(yīng)用。

圖6 顯示了柔性墊參與滾彎前后，對自由滾彎曲線的變化。曲線1 為原有滾彎曲線，它處于滾彎敏感區(qū)。曲線2 為加有柔性墊的滾彎曲線，出現(xiàn)了滾彎可控區(qū)和耦合滾彎。曲線3 為加了另外一種柔性墊的滾彎曲線，也出現(xiàn)了滾彎可控區(qū)和耦合滾彎。曲線2 與曲線3 的滾彎可控區(qū)在不同的彎曲半徑范圍，但是它們好像接力賽，將可控區(qū)的范圍連起來了。圖中虛線2 與3 的直線狀分別表示兩種柔性墊參與滾彎后彎曲半徑?jīng)]有變化。圖6 的滾彎曲線表示，兩個不同的柔性墊參與滾彎，可以局部地將敏感的自由滾彎改造成可控的自由滾彎和耦合滾彎。

(3)套剛性管的滾彎

按照加柔性墊滾彎的啟示，在剛性滾軸上套一個外徑較大空心薄壁管參與滾彎，薄壁管在滾彎時不能發(fā)生變形。如薄壁管的外徑選用系列化的尺寸，目標(biāo)是將敏感的自由滾彎區(qū)改造成若干連續(xù)的滾彎可控區(qū)和若干耦合滾彎，滾彎零件的精度將比敏感的自由滾彎區(qū)的高。

(4)提供多種直徑的剛性滾軸

美國和法國制造的二軸滾彎機(jī)目前只配備一個直徑的剛性滾軸，俄國制造的二軸滾彎機(jī)，參數(shù)型號已提供系列化直徑的剛性滾軸，供用戶使用［5］。

4 波紋板的滾彎

本文曾述過，二軸滾彎為柔性滾彎，則它們的滾彎是可變的耦合滾彎，本節(jié)將介紹此類滾彎。圖7 為波紋板滾彎，a 圖所示滾軸芯軸中心與滾軸旋轉(zhuǎn)中心發(fā)生偏置，偏置量為e，包覆了聚氨酯橡膠的滾軸，其徑向厚度是周期變化的。這樣的兩滾軸如b 圖配置，滾彎一周就能得一個波紋的滾彎形狀。如果用卷料滾彎，就可得到長度不受限制的波紋板［6］。

聚氨酯橡膠的壓縮性能與它的相對壓縮有些密切關(guān)系，現(xiàn)在聚氨酯橡膠的包覆厚度是變化的，在同一個壓入深度下，它各點(diǎn)的徑向相對壓縮量都不同，它所提供壓縮抗力(分布力)也不同。按b 圖配置，在接觸處上滾軸的聚氨酯橡膠層厚最小，下滾軸層厚最大，這樣的組合，上滾軸比下滾軸更剛性些，下滾軸比上滾軸更柔性一些，則可看作上滾軸一剛性輥，下滾軸一柔性輥。滾彎機(jī)旋轉(zhuǎn)180°后，上、下滾軸的剛與柔位置交換，在90°與270°時上、下滾軸不分剛與柔。波紋板在0°～180°范圍是向下彎曲，在180°～360°范圍是向上彎曲，旋轉(zhuǎn)一周得一個正弦波形，板料在滾彎中始終與上下滾軸是面接觸，接觸面是不斷變化的，故有可變的耦合滾彎。

圖8 所示為異形芯軸構(gòu)成的滾軸，芯軸形狀有三角形和長圓形。長圓形芯軸的二滾軸旋轉(zhuǎn)一周可滾出兩個波形，三角形芯軸的滾軸組合旋轉(zhuǎn)一周可滾彎出3 個波形［6］。

5 結(jié)語

板料滾彎由三軸滾彎向二軸滾彎發(fā)展，雖然少了一根軸，但由剛性滾軸變成了柔性滾軸，有一剛一柔或二柔的組合。由于聚氨酯橡膠參與滾彎變形，使得變形復(fù)雜化了，由原來的簡支梁滾彎變形變?yōu)閼冶哿簼L彎變形，為了描述變形的內(nèi)在關(guān)系，提出了自由滾彎和耦合滾彎的新概念。自由滾彎有雙曲線狀的滾彎曲線，耦合滾彎沒有雙曲線狀的滾彎曲線，它只能滾彎出最小直徑的零件，但端頭直線段長度可控制。從雙曲線狀滾彎曲線中可以找到滾彎敏感區(qū)和滾彎可控區(qū)，前者滾彎機(jī)床不容易控制，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，后者容易控制，產(chǎn)品精度高。為了能對敏感區(qū)進(jìn)行干預(yù)，有加柔性墊滾彎，套薄壁套筒的滾彎，或由機(jī)床供應(yīng)商生產(chǎn)系列化的剛性滾軸，以滿足生產(chǎn)需要。由于聚氨酯橡膠參與滾彎變形，使得單一的三軸滾彎演變成多元的滾彎，特別是一軸滾彎的出現(xiàn)，滾彎變形可以和多種變形組合。隨著各種新穎滾彎機(jī)床的出現(xiàn)，這種加工方法在現(xiàn)代壓力加工領(lǐng)域開出了一朵芬芳艷麗的奇葩。

［1］閆靜，左敦穩(wěn)，王珉. 塑性精確理論在雙軸柔性滾彎技術(shù)中的應(yīng)用［J］.中國機(jī)械工程，2005(12):1124 -1127.

［2］于琦，佟宇.型材滾彎成型及缺陷補(bǔ)償方法綜述［J］. 液壓氣動與密封，2011(3):38 -41.

［3］楊建國，方洪淵，胡軍峰，等.校平、滾彎連續(xù)工藝下大尺寸板材殘余應(yīng)力［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008(4):593 -596.

［4］余國慶，魯世紅.基于有限元分析的二軸柔性滾彎過程影響因素的研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2005(10):1187 -1190.

［5］魯世紅，于長生，惲君璧.柔性滾彎技術(shù)在國外的應(yīng)用進(jìn)展［J］.新技術(shù)新工藝，2006(3):31 -34.

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