CN113523162A - 一种螺栓球坯球体连续局部塑性成形装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及螺栓球坯成型技术领域，具体公开了一种螺栓球坯球体连续局部塑性成形装置，包括支撑辊、压辊、主驱动电机、横向进给液压马达以及竖向进给液压缸，所述支撑辊、压辊均成对设置，支撑辊为圆柱形结构，并排安装在立框底部；所述支撑辊由主驱动电机驱动，所述横向进给液压马达设置在立框侧面，竖向进给液压缸设置在立框顶部；所述立框内侧设置有竖向滑台，在竖向滑台上设置有第一横向滑台和第二横向滑台，两组压辊分别设置在第一横向滑台和第二横向滑台上；所述竖向滑台由竖向进给液压缸驱动，第一横向滑台和第二横向滑台由横向进给液压马达驱动；本发明实现在较小的力作用下实现变形，进而实现设备的小型化，提高球体的几何精度。

Description

一种螺栓球坯球体连续局部塑性成形装置与方法

技术领域

本发明涉及螺栓球坯成型技术领域，具体为一种螺栓球坯球体连续局部塑性成形装置与方法。

背景技术

目前的螺栓球毛坯制造均采用圆柱体棒料锯切后加热至奥氏体温度区域后热锤锻加工。

热锤锻工艺造成的局部褶皱由于难于消除，毛坯球中的细小裂纹缺陷在所难免，使用于空间网架结构中有可能由于裂纹在一定受力条件下逐步扩展成为局部破坏的因素，造成安全隐患；另一个现实问题是由于锻工环境较差，技术和体力的要求极高，随着社会生活水平提高，年轻人多不愿从事这项劳动，已经出现了技术人才断档现象，可以预见这种趋势会愈加明显并且不可逆转；使用模锻方法毛坯球球度指标过大，达到2~3mm以上，使得数控加工中螺栓球的定位间隙不得不外移以避免撞刀现象发生，空刀行程加大，严重降低了数控加工的效率，其原因主要是锤锻过程中模具某些区域磨损剧烈使得模具控制几何形态的性能显著降低。

另外一种加工球体的方法是使用斜轧或纵轧等利用轧制技术塑性成形至球体，但是由于在旋转方向临近球面区域的三向拉应力的曼内斯曼效应，特别是超过50mm以上球体在两极区域出现内部裂纹或酥松现象，用于结构件会产生严重的安全问题，使得这种球体只能应用于球磨球体等非结构件领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种螺栓球坯球体连续局部塑性成形装置与方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种螺栓球坯球体连续局部塑性成形装置，包括支撑辊、压辊、主驱动电机、横向进给液压马达以及竖向进给液压缸，所述支撑辊、压辊均成对设置，支撑辊为圆柱形结构，并排安装在立框底部；所述支撑辊由主驱动电机驱动，所述横向进给液压马达设置在立框侧面，竖向进给液压缸设置在立框顶部；所述立框内侧设置有竖向滑台，在竖向滑台上设置有第一横向滑台和第二横向滑台，两组压辊分别设置在第一横向滑台和第二横向滑台上；所述竖向滑台由竖向进给液压缸驱动，第一横向滑台和第二横向滑台由横向进给液压马达驱动；所述压辊为截面为螺栓球坯直径的圆弧型廓形，所述立框固定在基座上，压辊设置在两根支撑辊中间的位置；所述第一横向滑台和第二横向滑台分别设置有加速度计，所述加速度计与控制器电性连接。

优选的，所述主驱动电机输出端设置有齿轮分配器，所述齿轮分配器设置有两个输出轴，两个输出轴分别通过联轴器与两根支撑辊相连；所述主驱动电机与控制器电性连接。

优选的，两组压辊顶端均连接有压辊驱动液压马达，两组压辊驱动液压马达分别与第一横向滑台、第二横向滑台相互固定；所述压辊驱动液压马达与控制器电性连接。

优选的，所述第一横向滑台、第二横向滑台之间配合套有丝杆，所述丝杆一端与横向进给液压马达相连，在丝杆上设置有对称的螺纹结构。

优选的，所述横向进给液压马达、竖向进给液压缸均与控制器电性连接，且横向进给液压马达、竖向进给液压缸的液压系统均设置有压力传感器，压力传感器与控制器电性连接。

优选的，本发明还提供了一种螺栓球坯球体连续局部塑性成形方法，包括如下步骤：

S1：坯料置于两根支撑辊之间，打开主驱动电机，带动支撑辊以及坯料转动；

S2：通过竖向进给液压缸调整竖向滑台的位置，通过横向进给液压马达调整第一横向滑台和第二横向滑台的位置，使压辊移动到坯料的两端，并与坯料相接触；

S3：压辊相互靠近并逐步上升，沿着引导线移动，通过加速度计的数值反馈判断坯料的左右对称性；

S4：加工过程中持续检测坯料的左右对称性，并对坯料的左右对称性进行控制；

S5：通过调整横向进给液压马达、竖向进给液压缸的压力供给，压辊与坯料接触区域逐步扩大，并渐次成形椭圆，最终形成球形坯件。

优选的，所述步骤S3中，引导线以压辊和圆柱体坯料接触为起始点，以压辊在竖向和横向驱动下逐步成形为球体形状为终点；所述引导线在坯料连续转动和塑性变形条件下，由有限元理论计算得到或由试验获得。

优选的，所述步骤S4中，提高竖向进给液压缸和竖向滑台的压力，使得坯料两端向下，和支撑辊共同作用；在坯料滚动过程中逐步形成左右对称的形状。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用连续局部塑性加工方案既能够有效地降低塑性变形条件，实现在较小的力作用下实现变形，进而实现设备的小型化，实现塑性变形所需要的压力是锤锻工艺的1/20~1/50；并且可以通过控制方法实现自动化加工，使得行业能够以较低成本接受，同时压辊廓形也作为控制成形，使得球度得到了保证，提高球体的几何精度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的横向滑台安装示意图；

图3为本发明的实施例一加工正面示意图；

图4为本发明的实施例一加工侧面示意图；

图5为本发明的实施例一变形示意图；

图6为本发明的实施例一引导线示意图；

图7为本发明的实施例二加工示意图；

图中标号：1、支撑辊；2、压辊；3、主驱动电机；4、横向进给液压马达；5、竖向进给液压缸；6、压辊驱动液压马达；7、基座；8、立框；9、竖向滑台；10、联轴器；11、齿轮分配器；12、第一横向滑台；13、第二横向滑台；14、丝杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种螺栓球坯球体连续局部塑性成形装置，包括支撑辊1、压辊2、主驱动电机3、横向进给液压马达4以及竖向进给液压缸5，所述支撑辊1、压辊2均成对设置，支撑辊1为圆柱形结构，并排安装在立框8底部；所述支撑辊1由主驱动电机3驱动，所述横向进给液压马达4设置在立框8侧面，竖向进给液压缸5设置在立框8顶部；所述立框8内侧设置有竖向滑台9，在竖向滑台9上设置有第一横向滑台12和第二横向滑台13，两组压辊2分别设置在第一横向滑台12和第二横向滑台13上；所述竖向滑台9由竖向进给液压缸5驱动，第一横向滑台12和第二横向滑台13由横向进给液压马达4驱动；所述压辊2为截面为螺栓球坯直径的圆弧型廓形，所述立框8固定在基座7上，压辊2设置在两根支撑辊1中间的位置；所述第一横向滑台12和第二横向滑台13分别设置有加速度计，所述加速度计与控制器电性连接。

进一步的，所述主驱动电机3输出端设置有齿轮分配器11，所述齿轮分配器11设置有两个输出轴，两个输出轴分别通过联轴器10与两根支撑辊1相连；所述主驱动电机3与控制器电性连接。

进一步的，两组压辊2顶端均连接有压辊驱动液压马达6，两组压辊驱动液压马达6分别与第一横向滑台12、第二横向滑台13相互固定；所述压辊驱动液压马达6与控制器电性连接。

进一步的，所述第一横向滑台12、第二横向滑台13之间配合套有丝杆14，所述丝杆14一端与横向进给液压马达4相连，在丝杆14上设置有对称的螺纹结构。

进一步的，所述横向进给液压马达4、竖向进给液压缸5均与控制器电性连接，且横向进给液压马达4、竖向进给液压缸5的液压系统均设置有压力传感器，压力传感器与控制器电性连接。

进一步的，本发明还提供了一种螺栓球坯球体连续局部塑性成形方法，包括如下步骤：

S1：坯料置于两根支撑辊1之间，打开主驱动电机3，带动支撑辊1以及坯料转动；

S2：通过竖向进给液压缸5调整竖向滑台9的位置，通过横向进给液压马达4调整第一横向滑台12和第二横向滑台13的位置，使压辊2移动到坯料的两端，并与坯料相接触；

S3：压辊2相互靠近并逐步上升，沿着引导线移动，通过加速度计的数值反馈判断坯料的左右对称性；

S4：加工过程中持续检测坯料的左右对称性，并对坯料的左右对称性进行控制；

S5：通过调整横向进给液压马达4、竖向进给液压缸5的压力供给，压辊2与坯料接触区域逐步扩大，并渐次成形椭圆，最终形成球形坯件。

进一步的，所述步骤S3中，引导线以压辊2和圆柱体坯料接触为起始点，以压辊2在竖向和横向驱动下逐步成形为球体形状为终点；所述引导线在坯料连续转动和塑性变形条件下，由有限元理论计算得到或由试验获得。

进一步的，所述步骤S4中，提高竖向进给液压缸5和竖向滑台9的压力，使得坯料两端向下，和支撑辊1共同作用；在坯料滚动过程中逐步形成左右对称的形状。

实施例一：

在两个形状完全相同且对称布置圆柱形支撑辊1上放置圆柱形坯料，利用主驱动电机3通过齿轮分配器11和万向联轴器10将主旋转动力传递至支撑辊1，支撑辊1与坯料之间的摩擦力作为驱动力，带动坯料旋转；带有螺栓球坯直径的圆弧型廓形的压辊2位置由第一横向滑台12、第二横向滑台13和竖向滑台9的位置所决定，竖向滑台9由竖向进给液压缸5驱动，左右横向滑台由丝杆14和横向进给驱动液压马达4形成对称运动，压辊2的横向和竖向运动驱使坯料与压辊2和支撑辊1接触并发生塑性变形，这样，在原理上形成如图3、4所示的结构。

控制竖向进给液压缸5和横向进给液压马达4，控制竖向滑台9和第一横向滑台12、第二横向滑台13中压辊2对于坯料的压力和位置，坯料在旋转过程中发生连续局部塑性变形，并渐次成形如图5所示。

以压辊2和圆柱体坯料接触为起始点，压辊2在竖向和横向驱动下逐步成形为球体形状为终点，形成如图6所示的引导线；引导线在坯料连续转动和塑性变形条件下，可以由有限元理论计算得到或由试验获得。以导引线为控制曲线，控制横向和竖向压力的比例关系，使得压辊2的运动轨迹为控制目标，运动轨迹可由竖向和横向位置传感器得到。

引导线的计算过程为：

假设成形过程稳定和完全左右对称，并且各个接触区域相互之间无关联，考虑等效运动，从图6中压辊2底面与坯料中心轴线共线开始，在进给方向上（横向和竖向）坯料不运动（坯料只有转动和塑性变形），压辊2横向运动挤压坯料，坯料转动将变形区域向下挤压支撑辊1向下移动，也即压辊2的运动可解释为压辊2的横向运动与支撑辊1的竖向运动，如此将塑性变形区域解耦成三个部分：

1、压辊2与圆柱形坯料之间的接触变形区域，以坯料每转动一圈的横向进给量作为载荷条件，考虑对称性边界条件，利用塑性有限元计算变形和力；

2、支撑辊1与变形后的坯料之间的接触变形区域，以上一步计算的竖向分力为加载条件，同时利用计算支撑辊1位移，并通过当前的几何条件（支撑角度）得到向下的位移，以此位移为竖向方向每转动一周产生的位置变化；

3、另外一个支撑辊1与坯料的接触变形区域，考虑支撑的对称性，计算结果显示变化不大，可以考虑忽略这一步。

经过上述计算，得到X和Y方向第一步的变形位移点，然后，将计算后的模型进一步按照上述步骤逐步加载，分别计算位移点，直至接近球体最后成形点。需要指出，这种计算只在足够小的步长条件下成立，也即在每圈进给量不超过一定值，实际工艺解释为转速要足够大或者加载力足够小才能成形。

假定在坯料变形左右对称，只考虑一边变形，如图6所示，经过计算并经过坐标变换的引导线多项式方程作为工控计算机的控制程序判断依据，通过传感器判断当前压辊2上端的回转中心所在点所在位置：如果在引导线的下方，则可通过减少竖向进给液压缸5的油压，减少竖向力，保持横向进给液压马达4的油压，这时压辊2在XY平面上的进给沿与引导线切线方向成锐角的方向逼近引导线，也可横向和竖向同时减小以增大修正效果；同样，如果在引导线上方，则可通过增大竖向进给液压缸5的油压，增加竖向力，逐步沿与引导线切线方向成锐角的方向逼近引导线。不断检测偏差并通过改变横向和竖向力进行进给修正，形成闭环控制，渐次成形。

实施例二：

本实施例中坯料为左右不对称结构，其余与实施例一相同。

如图7所示，当左右两端压辊2与坯料的接触区不对称程度增大到一定程度后，会产生不稳定现象，不调整持续加工后将会放大不对称程度，造成坯料变形不收敛，其原因在变形不对称过大造成受力不对称无法为压辊2对称进给吸收并随变形加大后逐步放大受力不对称程度，具体反映在机构的振动增加，驱动力显著提高。此种现象可由加速度计检测，在压辊第一横向滑台12和第二横向滑台13分别设置有加速度计，利用实验方法确定超过不对称极限的阈值，在加工过程中每隔一段时间（如0.1~1秒）将测量值传送给控制程序，如果此数值超过阈值，则启动左右对称稳定性控制，否则按前述引导线控制。

增加左右对称稳定性的方法是提高竖向进给液压缸5和竖向滑台9的压力F，使得坯料15两端向下，和支撑辊1共同作用，在接触区域较大（在竖向较另外一端高）的部分承担了大部分压力，因而坯料中不对称凸起部分材料沿坯料表面由于塑性流动法则向中部流动，在坯料滚动过程中逐步形成左右对称的形状，如测量振动仍然超过阈值，则继续加大压力值，使得左右对称度增加，实质上是将不对称部分材料赶向中部区域。当测量振动值低于阈值时，使用前述引导线控制方法进行连续塑性变形控制方案。

值得注意的是：整个装置通过总控制按钮对其实现控制，由于控制按钮匹配的设备为常用设备，属于现有成熟技术，在此不再赘述其电性连接关系以及具体的电路结构。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种螺栓球坯球体连续局部塑性成形装置，其特征在于：包括支撑辊（1）、压辊（2）、主驱动电机（3）、横向进给液压马达（4）以及竖向进给液压缸（5），所述支撑辊（1）、压辊（2）均成对设置，支撑辊（1）为圆柱形结构，并排安装在立框（8）底部；所述支撑辊（1）由主驱动电机（3）驱动，所述横向进给液压马达（4）设置在立框（8）侧面，竖向进给液压缸（5）设置在立框（8）顶部；所述立框（8）内侧设置有竖向滑台（9），在竖向滑台（9）上设置有第一横向滑台（12）和第二横向滑台（13），两组压辊（2）分别设置在第一横向滑台（12）和第二横向滑台（13）上；所述竖向滑台（9）由竖向进给液压缸（5）驱动，第一横向滑台（12）和第二横向滑台（13）由横向进给液压马达（4）驱动；所述压辊（2）为截面为螺栓球坯直径的圆弧型廓形，所述立框（8）固定在基座（7）上，压辊（2）设置在两根支撑辊（1）中间的位置；所述第一横向滑台（12）和第二横向滑台（13）分别设置有加速度计，所述加速度计与控制器电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种螺栓球坯球体连续局部塑性成形装置，其特征在于：所述主驱动电机（3）输出端设置有齿轮分配器（11），所述齿轮分配器（11）设置有两个输出轴，两个输出轴分别通过联轴器（10）与两根支撑辊（1）相连；所述主驱动电机（3）与控制器电性连接。

3.根据权利要求1所述的一种螺栓球坯球体连续局部塑性成形装置，其特征在于：两组压辊（2）顶端均连接有压辊驱动液压马达（6），两组压辊驱动液压马达（6）分别与第一横向滑台（12）、第二横向滑台（13）相互固定；所述压辊驱动液压马达（6）与控制器电性连接。

4.根据权利要求1所述的一种螺栓球坯球体连续局部塑性成形装置，其特征在于：所述第一横向滑台（12）、第二横向滑台（13）之间配合套有丝杆（14），所述丝杆（14）一端与横向进给液压马达（4）相连，在丝杆（14）上设置有对称的螺纹结构。

5.根据权利要求1所述的一种螺栓球坯球体连续局部塑性成形装置，其特征在于：所述横向进给液压马达（4）、竖向进给液压缸（5）均与控制器电性连接，且横向进给液压马达（4）、竖向进给液压缸（5）的液压系统均设置有压力传感器，压力传感器与控制器电性连接。

6.一种螺栓球坯球体连续局部塑性成形方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：坯料置于两根支撑辊（1）之间，打开主驱动电机（3），带动支撑辊（1）以及坯料转动；

S2：通过竖向进给液压缸（5）调整竖向滑台（9）的位置，通过横向进给液压马达（4）调整第一横向滑台（12）和第二横向滑台（13）的位置，使压辊（2）移动到坯料的两端，并与坯料相接触；

S3：压辊（2）相互靠近并逐步上升，沿着引导线移动，通过加速度计的数值反馈判断坯料的左右对称性；

S4：加工过程中持续检测坯料的左右对称性，并对坯料的左右对称性进行控制；

S5：通过调整横向进给液压马达（4）、竖向进给液压缸（5）的压力供给，压辊（2）与坯料接触区域逐步扩大，并渐次成形椭圆，最终形成球形坯件。

7.根据权利要求6所述的一种螺栓球坯球体连续局部塑性成形方法，其特征在于：所述步骤S3中，引导线以压辊（2）和圆柱体坯料接触为起始点，以压辊（2）在竖向和横向驱动下逐步成形为球体形状为终点；所述引导线在坯料连续转动和塑性变形条件下，由有限元理论计算得到或由试验获得。

8.根据权利要求6所述的一种螺栓球坯球体连续局部塑性成形方法，其特征在于：所述步骤S4中，提高竖向进给液压缸（5）和竖向滑台（9）的压力，使得坯料两端向下，和支撑辊（1）共同作用；在坯料滚动过程中逐步形成左右对称的形状。

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