本發(fā)明屬于機械制造金屬板料表面成形技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種滾壓刀具，還涉及采用該滾壓刀具進(jìn)行金屬板料表面漸進(jìn)滾壓成形的方法。

背景技術(shù)：

金屬板料成形在制造業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的金屬板料加工工藝都離不開模具，采用模具的加工工藝周期長，而且缺乏柔性，當(dāng)產(chǎn)品變化時就需要重新更換模具，這就延長了新產(chǎn)品的開發(fā)周期。而現(xiàn)代社會產(chǎn)品的更新?lián)Q代非常迅速，如何快速、低成本和高質(zhì)量地開發(fā)出新產(chǎn)品，是企業(yè)生存和發(fā)展的關(guān)鍵。

因此一些柔性無模成形技術(shù)應(yīng)運而生，如：噴丸成形、數(shù)字化漸進(jìn)成形、無模多點成形、激光成形技術(shù)等，這些技術(shù)都是在數(shù)控系統(tǒng)的支撐下，實現(xiàn)板料的無模成形，具有很大的柔性。他們克服了模具成形的不足，節(jié)省了模具制造費用與時間，特別適合新產(chǎn)品的開發(fā)和小批量生產(chǎn)。

表面滾壓是用硬質(zhì)且表面光滑的滾動體在零件表面滾動的同時向表面施加一定壓力的工藝。通過滾壓可以達(dá)到三方面的效果：降低表面粗糙度，提高表面硬度，以及在表層產(chǎn)生壓應(yīng)力層。

表面滾壓強化技術(shù)(以下簡稱滾壓)自1929年首次在德國被用于機車軸的表面強化后，目前已在航空航天、汽車機車、精密機械、國防工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。滾壓工藝、滾壓對象及滾壓刀具逐漸多樣化,旨在提高加工效率并獲得更好的表面質(zhì)量。

由于板料表面滾壓工藝可以在板料表層形成壓應(yīng)力層，使板料產(chǎn)生彎曲變形，控制滾壓參數(shù)就可以控制板料變形后的形狀，這樣通過滾壓工藝就可以實現(xiàn)壁板類零件的柔性成形。

金屬板料表面漸進(jìn)滾壓成形是壁板類零件柔性成形的一種極具應(yīng)用前景的成形方法。目前通過滾壓工藝在板料表面形成壓應(yīng)力而達(dá)到表面強化目的專利及文獻(xiàn)眾多，但用于成形的卻極少。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種滾壓刀具，該滾壓刀具滾壓效率高。

本發(fā)明的另一個目的是提供一種金屬板料表面漸進(jìn)滾壓成形的方法，采用該方法成形后零件表面粗糙度小。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種滾壓刀具，包括滾壓刀刀柄，滾壓刀刀柄內(nèi)依次設(shè)置有彈簧組和滾壓刀頭，滾壓刀刀柄內(nèi)設(shè)置有防止?jié)L壓刀頭與滾壓刀柄間相對轉(zhuǎn)動的導(dǎo)向鍵，滾壓刀頭的一端穿過法蘭且伸出滾壓刀刀柄外，法蘭與滾壓刀刀柄連接。

本發(fā)明的特點還在于，

刀柄是由大軸端和小軸端構(gòu)成的臺階軸，小軸端與機床刀柄配合連接，大軸端內(nèi)設(shè)置有盲孔，彈簧組和滾壓刀頭均位于盲孔內(nèi)，大軸端內(nèi)側(cè)面設(shè)置有兩個對稱分布的矩形通孔，導(dǎo)向鍵位于矩形通孔內(nèi)，導(dǎo)向鍵上設(shè)置有螺釘b。

法蘭與滾壓刀刀柄之間通過螺釘a連接，螺釘a依次穿過彈簧墊圈、法蘭和滾壓刀刀柄。

彈簧組由一組正反疊加的蝶形彈簧組成。

滾壓刀頭包括刀桿，刀桿的一端伸出滾壓刀刀柄外且穿有芯軸，芯軸的兩端均依次連接有平墊圈、軸承和軸用擋圈，每個軸承上均套有球環(huán)，球環(huán)上安裝有孔用擋圈。

本發(fā)明所采用的另一個技術(shù)方案是，一種金屬板料表面漸進(jìn)滾壓成形的方法，采用一種滾壓刀具，包括以下步驟：

步驟1、分析待成形零件，獲得該待成形零件局部最大彎曲變性能密度；

步驟2、根據(jù)滾壓刀具球環(huán)的半徑、兩個球環(huán)的中心距離和試板，進(jìn)行試板試驗，使?jié)L壓刀具及滾壓力能滿足成形極限要求；

步驟3、確定待成形零件滾壓參數(shù)，待成形零件滾壓參數(shù)包括機床主軸轉(zhuǎn)速n及沿x、y方向的進(jìn)給速度v_x、v_y，按照待成形零件滾壓參數(shù)，進(jìn)行金屬板料表面漸進(jìn)滾壓成形。

本發(fā)明的特點還在于，

步驟1中獲得待成形零件局部最大彎曲變性能密度具體為：

將零件均勻分區(qū)，各分區(qū)的中心位置作為零件的特征位置，分別提取零件特征位置的局部厚度t_local、最大曲率最小曲率及最小曲率方向，根據(jù)公式(1)和公式(2)分別計算各特征位置的最大彎矩值和最小彎矩值

$M_{max}^{local}=D({\mathrm{\ρ}}_{max}^{local}+{\mathrm{v\ρ}}_{\min }^{local}),---\left(1\right)$

$M_{\min }^{local}=D({\mathrm{\ρ}}_{\min }^{local}+{\mathrm{v\ρ}}_{max}^{local}),---\left(2\right)$

公式(1)和公式(2)中，ν為試板材料的泊松比，D通過公式(3)計算得出，

$D=\frac{{\mathrm{Et}}_{local}^3}{12(1-v^2)}---\left(3\right)$

公式(3)中，ν為試板材料的泊松比，E為試板材料的彈性模量，t_local為零件特征位置的局部厚度，

根據(jù)公式(4)計算特征位置的彎曲變性能密度

$W_{\max }^{local}=\frac{1}{2}(M_{\max }^{local}{\mathrm{\ρ}}_{\max }^{local}+M_{\min }^{local}{\mathrm{\ρ}}_{\min }^{local})---\left(4\right)$

根據(jù)公式(5)計算局部最大彎曲變性能密度W_max，

$W_{\max }=max\left\{W_{\max }^{local}\right).---\left(5\right)$

步驟2試板試驗具體為：

步驟2.1、確定試板；

試板為長方形平板，長度為L，寬為B，厚度為t；試板平面與xoy平行，試板材料與所要成形零件的材料相同；試板寬度B應(yīng)大于兩個球環(huán)的中心距d；

步驟2.2、試驗；

在滾壓刀具上通過刻度標(biāo)定滾壓力F與壓下量Δz；

設(shè)定較低的機床主軸轉(zhuǎn)速n及沿x、y方向的進(jìn)給速度v_x、v_y，調(diào)整滾壓刀具的壓下量Δz，使?jié)L壓力F達(dá)到滾壓刀具額定滾壓力的75-85％；機床帶動滾壓刀具沿長度方向滾壓試板一遍；重新裝夾新試板，保持滾壓力不變，逐步增大主軸轉(zhuǎn)速n及進(jìn)給速度v_x和v_y，滾壓新試板；至少完成三次試板試驗；

步驟2.3、測量；

通過弧高儀測量各滾壓試板中間位置跨距l(xiāng)范圍內(nèi)的弧高值h；通過顯微鏡測量滾壓痕跡寬度w；

步驟2.4、結(jié)果；

根據(jù)公式(6)、(7)和(8)分別計算試板變形后的曲率為ρ、試板變形后彎曲彎矩M和試板變形后彎曲變形能密度W；

$\mathrm{\ρ}=\frac{8h}{4h^2+l^2}---\left(6\right)$

公式(6)中，h為通過弧高儀測量各滾壓試板中間位置跨距l(xiāng)范圍內(nèi)的弧高值，l為滾壓試板中間位置跨距；

$M=\frac{{\mathrm{Et}}^3\mathrm{\ρ}}{12(1-v)}---\left(7\right)$

公式(7)中，E為試板材料的彈性模量，ν為試板材料的泊松比，t為試板厚度，ρ為試板變形后的曲率；

W＝Mρ (8)

公式(8)中，M為試板變形后彎曲彎矩，ρ為試板變形后的曲率；

根據(jù)公式(9)計算單位進(jìn)給長度內(nèi)的主軸轉(zhuǎn)數(shù)p，

$p=n/\sqrt{v_x^2+v_y^2}---\left(9\right)$

公式(9)中，n為機床的轉(zhuǎn)速，v_x和v_y分別為機床進(jìn)給速度，

滾壓刀有兩個球環(huán)作為滾動體，則單位進(jìn)給長度內(nèi)球環(huán)滾過的次數(shù)即軌跡密度P的計算為公式(10)，

P＝4p (10)

公式(10)中，p為單位進(jìn)給長度內(nèi)的主軸轉(zhuǎn)數(shù)，

通過公式(11)近似計算獲得滾壓壓痕的覆蓋率C，

C＝wP (11)

公式(11)中，P為單位進(jìn)給長度內(nèi)球環(huán)(10)滾過的次數(shù)即軌跡密度，w為滾壓痕跡寬度，

將計算得到的試板變形后彎曲變形能密度W及對應(yīng)的覆蓋率C通過公式(12)擬合，得到參數(shù)k₁或k₂，即得到了滾壓刀具在機床的轉(zhuǎn)速n及進(jìn)給速度v_x和v_y條件下與板料變形間的基礎(chǔ)關(guān)系；

$C=\frac{k_{2}W}{k_1+W}---\left(12\right)$

取覆蓋率C為0.8，計算對應(yīng)的試板變形后彎曲變形能密度W，判斷W是否能大于局部最大彎曲變形能密度W_max，如果是，則所選滾壓刀具及滾壓力能滿足成形極限要求，否則采用球環(huán)尺寸較小或額定滾壓力較大的滾壓刀具，重復(fù)步驟2.2-步驟2.4。

步驟3具體為：根據(jù)步驟1計算的各特征位置的最大彎矩值和最小彎矩值帶入步驟2公式(12)中，再次計算各特征位置的滾壓覆蓋率C，再根據(jù)公式(13)反算滿足條件的機床主軸轉(zhuǎn)速n及進(jìn)給速度v_x和v_y，

$C=wP=4wn/\sqrt{v_x^2+v_y^2}---\left(13\right)$

使各特征位置與理論滾壓參數(shù)一一對應(yīng)；沿最小曲率方向?qū)Ω魈卣魑恢梅纸M，在組內(nèi)將進(jìn)給距離作為自變量，將滾壓參數(shù)作為因變量，利用多項式表示二者間的關(guān)系，再利用最小二乘擬合方法獲得多項式關(guān)系中的系數(shù)值，從而獲得沿進(jìn)給方向的連續(xù)滾壓參數(shù)，然后利用沿進(jìn)給方向的連續(xù)滾壓參數(shù)進(jìn)行金屬板料表面漸進(jìn)滾壓成形。

本發(fā)明的有益效果是：

一種滾壓刀具，彈簧組的緩沖作用滾壓力穩(wěn)定，兩個球環(huán)的回轉(zhuǎn)運動形成的條帶式滾壓軌跡使得滾壓效率較高；球環(huán)與板料表面為滾動摩擦，摩擦力小，滾壓后板料表面質(zhì)量好。

一種金屬板料表面漸進(jìn)滾壓成形的方法，與噴丸成形和熱應(yīng)力成形相比，其優(yōu)點在于：

(1)對成形設(shè)備要求低。在普通機床或數(shù)控機床上安裝成形工具就可以實現(xiàn)一般的表面滾壓工藝，不需要像噴丸機、激光器這類專業(yè)的成形設(shè)備。

(2)成形后工件表面質(zhì)量好。工件經(jīng)表面滾壓后表面粗糙度明顯下降，噴丸成形會在工件表面上留下明顯的彈坑。

(3)成形參數(shù)相對容易控制。成形工具尺寸、成形軌跡及接觸壓力通過機械結(jié)構(gòu)及數(shù)控系統(tǒng)都較容易控制，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力場分布規(guī)律也較穩(wěn)定。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種滾壓刀具的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1.滾壓刀刀柄，2.彈簧組，3.刀桿，4.法蘭，5.孔用擋圈，6.芯軸，7.軸用擋圈，8.軸承，9.平墊圈，10.球環(huán)，11.螺釘a，12.彈簧墊圈，13.螺釘b，14.導(dǎo)向鍵。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供了一種滾壓刀具，如圖1所示，包括滾壓刀刀柄1，滾壓刀刀柄1內(nèi)依次設(shè)置有彈簧組2和滾壓刀頭，滾壓刀刀柄1內(nèi)設(shè)置有防止?jié)L壓刀頭與滾壓刀柄1的相對轉(zhuǎn)動的導(dǎo)向鍵14，滾壓刀頭的一端穿過法蘭4且伸出滾壓刀刀柄1外，法蘭4與滾壓刀刀柄1連接；

刀柄1由大軸端和小軸端構(gòu)成的臺階軸，小軸端與機床刀柄配合連接，大軸端內(nèi)設(shè)置有盲孔，彈簧組2和滾壓刀頭均位于盲孔內(nèi)，大軸端內(nèi)側(cè)面設(shè)置有兩個對稱分布的矩形通孔，導(dǎo)向鍵14位于矩形通孔內(nèi)，導(dǎo)向鍵14上設(shè)置有螺釘b13；

法蘭4與滾壓刀刀柄1之間通過螺釘a11連接，螺釘a11依次穿過彈簧墊圈12、法蘭4和滾壓刀刀柄1；

彈簧組2由一組正反疊加的蝶形彈簧組成；

滾壓刀頭包括刀桿3，刀桿3的一端伸出滾壓刀刀柄1外且穿有芯軸6，芯軸6的兩端均依次連接有平墊圈9、軸承8和軸用擋圈7，每個軸承8上均套有球環(huán)10，球環(huán)10上安裝有孔用擋圈5。

一種金屬板料表面漸進(jìn)滾壓成形的方法，采用一種滾壓刀具，包括以下步驟：

步驟1、分析待成形零件，獲得該待成形零件局部最大彎曲變性能密度；

步驟1中獲得待成形零件局部最大彎曲變性能密度具體為：

將零件均勻分區(qū)，各分區(qū)的中心位置作為零件的特征位置，分別提取零件特征位置的局部厚度t_local、最大曲率最小曲率及最小曲率方向，根據(jù)公式(1)和公式(2)分別計算各特征位置的最大彎矩值和最小彎矩值

$M_{max}^{local}=D({\mathrm{\ρ}}_{max}^{local}+{\mathrm{v\ρ}}_{\min }^{local}),---\left(1\right)$

$M_{\min }^{local}=D({\mathrm{\ρ}}_{\min }^{local}+{\mathrm{v\ρ}}_{max}^{local}),---\left(2\right)$

公式(1)和公式(2)中，ν為試板材料的泊松比，D通過公式(3)計算得出，

$D=\frac{{\mathrm{Et}}_{local}^3}{12(1-v^2)}---\left(3\right)$

公式(3)中，ν為試板材料的泊松比，E為試板材料的彈性模量，t_local為零件特征位置的局部厚度，

根據(jù)公式(4)計算特征位置的彎曲變性能密度

$W_{\max }^{local}=\frac{1}{2}(M_{\max }^{local}+M_{\min }^{local}{\mathrm{\ρ}}_{\min }^{local})---\left(4\right)$

根據(jù)公式(5)計算局部最大彎曲變性能密度W_max，

$W_{\max }=max\left\{W_{\max }^{local}\right\}---\left(5\right)$

步驟2、根據(jù)滾壓刀具球環(huán)10的半徑、兩個球環(huán)10的中心距離和試板，進(jìn)行試板試驗，使?jié)L壓刀具及滾壓力能滿足成形極限要求；

步驟2試板試驗具體為：

步驟2.1、確定試板；

試板為長方形平板，長度為L，寬為B，厚度為t；試板平面與xoy平行，試板材料與所要成形零件的材料相同；試板寬度B應(yīng)大于兩個球環(huán)10的中心距d；

步驟2.2、試驗；

在滾壓刀具上通過刻度標(biāo)定滾壓力F與壓下量Δz；

設(shè)定較低的機床主軸轉(zhuǎn)速n及沿x、y方向的進(jìn)給速度v_x、v_y，調(diào)整滾壓刀具的壓下量Δz，使?jié)L壓力F達(dá)到滾壓刀具額定滾壓力的75-85％；機床帶動滾壓刀具沿長度方向滾壓試板一遍；重新裝夾新試板，保持滾壓力不變，逐步增大主軸轉(zhuǎn)速n及進(jìn)給速度v_x和v_y，滾壓新試板；至少完成三次試板試驗；

步驟2.3、測量；

通過弧高儀測量各滾壓試板中間位置跨距l(xiāng)范圍內(nèi)的弧高值h；通過顯微鏡測量滾壓痕跡寬度w；

步驟2.4、結(jié)果；

根據(jù)公式(6)、(7)和(8)分別計算試板變形后的曲率為ρ、試板變形后彎曲彎矩M和試板變形后彎曲變形能密度W；

$\mathrm{\ρ}=\frac{8h}{4h^2+l^2}---\left(6\right)$

公式(6)中，h為通過弧高儀測量各滾壓試板中間位置跨距l(xiāng)范圍內(nèi)的弧高值，l為滾壓試板中間位置跨距；

$M=\frac{{\mathrm{Et}}^3\mathrm{\ρ}}{12(1-v)}---\left(7\right)$

公式(7)中，E為試板材料的彈性模量，ν為試板材料的泊松比，t為試板厚度，ρ為試板變形后的曲率；

W＝Mρ(8)

公式(8)中，M為試板變形后彎曲彎矩，ρ為試板變形后的曲率；

根據(jù)公式(9)計算單位進(jìn)給長度內(nèi)的主軸轉(zhuǎn)數(shù)p，

$p=n/\sqrt{v_x^2+v_y^2}---\left(9\right)$

公式(9)中，n為機床的轉(zhuǎn)速，v_x和v_y分別為機床進(jìn)給速度，

滾壓刀有兩個球環(huán)10作為滾動體，則單位進(jìn)給長度內(nèi)球環(huán)10滾過的次數(shù)即軌跡密度P的計算為公式(10)，

P＝4p (10)

公式(10)中，p為單位進(jìn)給長度內(nèi)的主軸轉(zhuǎn)數(shù)，

通過公式(11)近似計算獲得滾壓壓痕的覆蓋率C，

C＝wP (11)

公式(11)中，P為單位進(jìn)給長度內(nèi)球環(huán)10滾過的次數(shù)即軌跡密度，w為滾壓痕跡寬度，

將計算得到的試板變形后彎曲變形能密度W及對應(yīng)的覆蓋率C通過公式(12)擬合，得到參數(shù)k₁或k₂，即得到了滾壓刀具在機床的轉(zhuǎn)速n及進(jìn)給速度v_x和v_y條件下與板料變形間的基礎(chǔ)關(guān)系；

$C=\frac{k_{2}W}{k_1+W}---\left(12\right)$

取覆蓋率C為0.8，計算對應(yīng)的試板變形后彎曲變形能密度W，判斷W是否能大于局部最大彎曲變形能密度W_max，如果是，則所選滾壓刀具及滾壓力能滿足成形極限要求，否則采用球環(huán)10尺寸較小或額定滾壓力較大的滾壓刀具，重復(fù)步驟2.2-步驟2.4；

步驟3、確定待成形零件滾壓參數(shù)，待成形零件滾壓參數(shù)包括機床主軸轉(zhuǎn)速n及沿x、y方向的進(jìn)給速度v_x、v_y；

步驟3具體為：根據(jù)步驟1計算的各特征位置的最大彎矩值和最小彎矩值帶入步驟2公式(12)中，再次計算各特征位置的滾壓覆蓋率C，再根據(jù)公式(13)反算滿足條件的機床主軸轉(zhuǎn)速n及進(jìn)給速度v_x和v_y，

$C=wP=4wn/\sqrt{v_x^2+v_y^2}---\left(13\right)$

使各特征位置與理論滾壓參數(shù)一一對應(yīng)；沿最小曲率方向?qū)Ω魈卣魑恢梅纸M，在組內(nèi)將進(jìn)給距離作為自變量，將滾壓參數(shù)作為因變量，利用多項式表示二者間的關(guān)系，再利用最小二乘擬合方法獲得多項式關(guān)系中的系數(shù)值，從而獲得沿進(jìn)給方向的連續(xù)滾壓參數(shù)，然后利用沿進(jìn)給方向的連續(xù)滾壓參數(shù)進(jìn)行金屬板料表面漸進(jìn)滾壓成形。

本發(fā)明的一種滾壓刀具，彈簧組的緩沖作用滾壓力穩(wěn)定，兩個球環(huán)的回轉(zhuǎn)運動形成的條帶式滾壓軌跡使得滾壓效率較高；球環(huán)與板料表面為滾動摩擦，摩擦力小，滾壓后板料表面質(zhì)量好。

本發(fā)明的一種金屬板料表面漸進(jìn)滾壓成形的方法，與噴丸成形和熱應(yīng)力成形相比，其優(yōu)點在于：

(1)對成形設(shè)備要求低。在普通機床或數(shù)控機床上安裝成形工具就可以實現(xiàn)一般的表面滾壓工藝，不需要像噴丸機、激光器這類專業(yè)的成形設(shè)備。

(2)成形后工件表面質(zhì)量好。工件經(jīng)表面滾壓后表面粗糙度明顯下降，噴丸成形會在工件表面上留下明顯的彈坑。

(3)成形參數(shù)相對容易控制。成形工具尺寸、成形軌跡及接觸壓力通過機械結(jié)構(gòu)及數(shù)控系統(tǒng)都較容易控制，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力場分布規(guī)律也較穩(wěn)定。而熱應(yīng)力成形過程中加熱冷卻速度及熱傳導(dǎo)規(guī)律都較難掌握。