一种滚压刀具及其进行金属板料表面渐进滚压成形的方法与流程

本发明属于机械制造金属板料表面成形技术领域，涉及一种滚压刀具，还涉及采用该滚压刀具进行金属板料表面渐进滚压成形的方法。

背景技术：

金属板料成形在制造业中有着广泛的应用，传统的金属板料加工工艺都离不开模具，采用模具的加工工艺周期长，而且缺乏柔性，当产品变化时就需要重新更换模具，这就延长了新产品的开发周期。而现代社会产品的更新换代非常迅速，如何快速、低成本和高质量地开发出新产品，是企业生存和发展的关键。

因此一些柔性无模成形技术应运而生，如：喷丸成形、数字化渐进成形、无模多点成形、激光成形技术等，这些技术都是在数控系统的支撑下，实现板料的无模成形，具有很大的柔性。他们克服了模具成形的不足，节省了模具制造费用与时间，特别适合新产品的开发和小批量生产。

表面滚压是用硬质且表面光滑的滚动体在零件表面滚动的同时向表面施加一定压力的工艺。通过滚压可以达到三方面的效果：降低表面粗糙度，提高表面硬度，以及在表层产生压应力层。

表面滚压强化技术(以下简称滚压)自1929年首次在德国被用于机车轴的表面强化后，目前已在航空航天、汽车机车、精密机械、国防工业、生物医学等领域得到了广泛应用。滚压工艺、滚压对象及滚压刀具逐渐多样化,旨在提高加工效率并获得更好的表面质量。

由于板料表面滚压工艺可以在板料表层形成压应力层，使板料产生弯曲变形，控制滚压参数就可以控制板料变形后的形状，这样通过滚压工艺就可以实现壁板类零件的柔性成形。

金属板料表面渐进滚压成形是壁板类零件柔性成形的一种极具应用前景的成形方法。目前通过滚压工艺在板料表面形成压应力而达到表面强化目的专利及文献众多，但用于成形的却极少。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种滚压刀具，该滚压刀具滚压效率高。

本发明的另一个目的是提供一种金属板料表面渐进滚压成形的方法，采用该方法成形后零件表面粗糙度小。

本发明所采用的技术方案是，一种滚压刀具，包括滚压刀刀柄，滚压刀刀柄内依次设置有弹簧组和滚压刀头，滚压刀刀柄内设置有防止滚压刀头与滚压刀柄间相对转动的导向键，滚压刀头的一端穿过法兰且伸出滚压刀刀柄外，法兰与滚压刀刀柄连接。

本发明的特点还在于，

刀柄是由大轴端和小轴端构成的台阶轴，小轴端与机床刀柄配合连接，大轴端内设置有盲孔，弹簧组和滚压刀头均位于盲孔内，大轴端内侧面设置有两个对称分布的矩形通孔，导向键位于矩形通孔内，导向键上设置有螺钉b。

法兰与滚压刀刀柄之间通过螺钉a连接，螺钉a依次穿过弹簧垫圈、法兰和滚压刀刀柄。

弹簧组由一组正反叠加的蝶形弹簧组成。

滚压刀头包括刀杆，刀杆的一端伸出滚压刀刀柄外且穿有芯轴，芯轴的两端均依次连接有平垫圈、轴承和轴用挡圈，每个轴承上均套有球环，球环上安装有孔用挡圈。

本发明所采用的另一个技术方案是，一种金属板料表面渐进滚压成形的方法，采用一种滚压刀具，包括以下步骤：

步骤1、分析待成形零件，获得该待成形零件局部最大弯曲变性能密度；

步骤2、根据滚压刀具球环的半径、两个球环的中心距离和试板，进行试板试验，使滚压刀具及滚压力能满足成形极限要求；

步骤3、确定待成形零件滚压参数，待成形零件滚压参数包括机床主轴转速n及沿x、y方向的进给速度v_x、v_y，按照待成形零件滚压参数，进行金属板料表面渐进滚压成形。

本发明的特点还在于，

步骤1中获得待成形零件局部最大弯曲变性能密度具体为：

将零件均匀分区，各分区的中心位置作为零件的特征位置，分别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，根据公式(1)和公式(2)分别计算各特征位置的最大弯矩值和最小弯矩值

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

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

公式(1)和公式(2)中，ν为试板材料的泊松比，D通过公式(3)计算得出，

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

公式(3)中，ν为试板材料的泊松比，E为试板材料的弹性模量，t_local为零件特征位置的局部厚度，

根据公式(4)计算特征位置的弯曲变性能密度

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

根据公式(5)计算局部最大弯曲变性能密度W_max，

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

步骤2试板试验具体为：

步骤2.1、确定试板；

试板为长方形平板，长度为L，宽为B，厚度为t；试板平面与xoy平行，试板材料与所要成形零件的材料相同；试板宽度B应大于两个球环的中心距d；

步骤2.2、试验；

在滚压刀具上通过刻度标定滚压力F与压下量Δz；

设定较低的机床主轴转速n及沿x、y方向的进给速度v_x、v_y，调整滚压刀具的压下量Δz，使滚压力F达到滚压刀具额定滚压力的75-85％；机床带动滚压刀具沿长度方向滚压试板一遍；重新装夹新试板，保持滚压力不变，逐步增大主轴转速n及进给速度v_x和v_y，滚压新试板；至少完成三次试板试验；

步骤2.3、测量；

通过弧高仪测量各滚压试板中间位置跨距l范围内的弧高值h；通过显微镜测量滚压痕迹宽度w；

步骤2.4、结果；

根据公式(6)、(7)和(8)分别计算试板变形后的曲率为ρ、试板变形后弯曲弯矩M和试板变形后弯曲变形能密度W；

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

公式(6)中，h为通过弧高仪测量各滚压试板中间位置跨距l范围内的弧高值，l为滚压试板中间位置跨距；

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

公式(7)中，E为试板材料的弹性模量，ν为试板材料的泊松比，t为试板厚度，ρ为试板变形后的曲率；

W＝Mρ (8)

公式(8)中，M为试板变形后弯曲弯矩，ρ为试板变形后的曲率；

根据公式(9)计算单位进给长度内的主轴转数p，

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

公式(9)中，n为机床的转速，v_x和v_y分别为机床进给速度，

滚压刀有两个球环作为滚动体，则单位进给长度内球环滚过的次数即轨迹密度P的计算为公式(10)，

P＝4p (10)

公式(10)中，p为单位进给长度内的主轴转数，

通过公式(11)近似计算获得滚压压痕的覆盖率C，

C＝wP (11)

公式(11)中，P为单位进给长度内球环(10)滚过的次数即轨迹密度，w为滚压痕迹宽度，

将计算得到的试板变形后弯曲变形能密度W及对应的覆盖率C通过公式(12)拟合，得到参数k₁或k₂，即得到了滚压刀具在机床的转速n及进给速度v_x和v_y条件下与板料变形间的基础关系；

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

取覆盖率C为0.8，计算对应的试板变形后弯曲变形能密度W，判断W是否能大于局部最大弯曲变形能密度W_max，如果是，则所选滚压刀具及滚压力能满足成形极限要求，否则采用球环尺寸较小或额定滚压力较大的滚压刀具，重复步骤2.2-步骤2.4。

步骤3具体为：根据步骤1计算的各特征位置的最大弯矩值和最小弯矩值带入步骤2公式(12)中，再次计算各特征位置的滚压覆盖率C，再根据公式(13)反算满足条件的机床主轴转速n及进给速度v_x和v_y，

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

使各特征位置与理论滚压参数一一对应；沿最小曲率方向对各特征位置分组，在组内将进给距离作为自变量，将滚压参数作为因变量，利用多项式表示二者间的关系，再利用最小二乘拟合方法获得多项式关系中的系数值，从而获得沿进给方向的连续滚压参数，然后利用沿进给方向的连续滚压参数进行金属板料表面渐进滚压成形。

本发明的有益效果是：

一种滚压刀具，弹簧组的缓冲作用滚压力稳定，两个球环的回转运动形成的条带式滚压轨迹使得滚压效率较高；球环与板料表面为滚动摩擦，摩擦力小，滚压后板料表面质量好。

一种金属板料表面渐进滚压成形的方法，与喷丸成形和热应力成形相比，其优点在于：

(1)对成形设备要求低。在普通机床或数控机床上安装成形工具就可以实现一般的表面滚压工艺，不需要像喷丸机、激光器这类专业的成形设备。

(2)成形后工件表面质量好。工件经表面滚压后表面粗糙度明显下降，喷丸成形会在工件表面上留下明显的弹坑。

(3)成形参数相对容易控制。成形工具尺寸、成形轨迹及接触压力通过机械结构及数控系统都较容易控制，产生的残余应力场分布规律也较稳定。

附图说明

图1是本发明一种滚压刀具的结构示意图。

图中，1.滚压刀刀柄，2.弹簧组，3.刀杆，4.法兰，5.孔用挡圈，6.芯轴，7.轴用挡圈，8.轴承，9.平垫圈，10.球环，11.螺钉a，12.弹簧垫圈，13.螺钉b，14.导向键。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种滚压刀具，如图1所示，包括滚压刀刀柄1，滚压刀刀柄1内依次设置有弹簧组2和滚压刀头，滚压刀刀柄1内设置有防止滚压刀头与滚压刀柄1的相对转动的导向键14，滚压刀头的一端穿过法兰4且伸出滚压刀刀柄1外，法兰4与滚压刀刀柄1连接；

刀柄1由大轴端和小轴端构成的台阶轴，小轴端与机床刀柄配合连接，大轴端内设置有盲孔，弹簧组2和滚压刀头均位于盲孔内，大轴端内侧面设置有两个对称分布的矩形通孔，导向键14位于矩形通孔内，导向键14上设置有螺钉b13；

法兰4与滚压刀刀柄1之间通过螺钉a11连接，螺钉a11依次穿过弹簧垫圈12、法兰4和滚压刀刀柄1；

弹簧组2由一组正反叠加的蝶形弹簧组成；

滚压刀头包括刀杆3，刀杆3的一端伸出滚压刀刀柄1外且穿有芯轴6，芯轴6的两端均依次连接有平垫圈9、轴承8和轴用挡圈7，每个轴承8上均套有球环10，球环10上安装有孔用挡圈5。

一种金属板料表面渐进滚压成形的方法，采用一种滚压刀具，包括以下步骤：

步骤1、分析待成形零件，获得该待成形零件局部最大弯曲变性能密度；

步骤1中获得待成形零件局部最大弯曲变性能密度具体为：

将零件均匀分区，各分区的中心位置作为零件的特征位置，分别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，根据公式(1)和公式(2)分别计算各特征位置的最大弯矩值和最小弯矩值

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

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

公式(1)和公式(2)中，ν为试板材料的泊松比，D通过公式(3)计算得出，

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

公式(3)中，ν为试板材料的泊松比，E为试板材料的弹性模量，t_local为零件特征位置的局部厚度，

根据公式(4)计算特征位置的弯曲变性能密度

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

根据公式(5)计算局部最大弯曲变性能密度W_max，

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

步骤2、根据滚压刀具球环10的半径、两个球环10的中心距离和试板，进行试板试验，使滚压刀具及滚压力能满足成形极限要求；

步骤2试板试验具体为：

步骤2.1、确定试板；

试板为长方形平板，长度为L，宽为B，厚度为t；试板平面与xoy平行，试板材料与所要成形零件的材料相同；试板宽度B应大于两个球环10的中心距d；

步骤2.2、试验；

在滚压刀具上通过刻度标定滚压力F与压下量Δz；

设定较低的机床主轴转速n及沿x、y方向的进给速度v_x、v_y，调整滚压刀具的压下量Δz，使滚压力F达到滚压刀具额定滚压力的75-85％；机床带动滚压刀具沿长度方向滚压试板一遍；重新装夹新试板，保持滚压力不变，逐步增大主轴转速n及进给速度v_x和v_y，滚压新试板；至少完成三次试板试验；

步骤2.3、测量；

通过弧高仪测量各滚压试板中间位置跨距l范围内的弧高值h；通过显微镜测量滚压痕迹宽度w；

步骤2.4、结果；

根据公式(6)、(7)和(8)分别计算试板变形后的曲率为ρ、试板变形后弯曲弯矩M和试板变形后弯曲变形能密度W；

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

公式(6)中，h为通过弧高仪测量各滚压试板中间位置跨距l范围内的弧高值，l为滚压试板中间位置跨距；

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

公式(7)中，E为试板材料的弹性模量，ν为试板材料的泊松比，t为试板厚度，ρ为试板变形后的曲率；

W＝Mρ(8)

公式(8)中，M为试板变形后弯曲弯矩，ρ为试板变形后的曲率；

根据公式(9)计算单位进给长度内的主轴转数p，

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

公式(9)中，n为机床的转速，v_x和v_y分别为机床进给速度，

滚压刀有两个球环10作为滚动体，则单位进给长度内球环10滚过的次数即轨迹密度P的计算为公式(10)，

P＝4p (10)

公式(10)中，p为单位进给长度内的主轴转数，

通过公式(11)近似计算获得滚压压痕的覆盖率C，

C＝wP (11)

公式(11)中，P为单位进给长度内球环10滚过的次数即轨迹密度，w为滚压痕迹宽度，

将计算得到的试板变形后弯曲变形能密度W及对应的覆盖率C通过公式(12)拟合，得到参数k₁或k₂，即得到了滚压刀具在机床的转速n及进给速度v_x和v_y条件下与板料变形间的基础关系；

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

取覆盖率C为0.8，计算对应的试板变形后弯曲变形能密度W，判断W是否能大于局部最大弯曲变形能密度W_max，如果是，则所选滚压刀具及滚压力能满足成形极限要求，否则采用球环10尺寸较小或额定滚压力较大的滚压刀具，重复步骤2.2-步骤2.4；

步骤3、确定待成形零件滚压参数，待成形零件滚压参数包括机床主轴转速n及沿x、y方向的进给速度v_x、v_y；

步骤3具体为：根据步骤1计算的各特征位置的最大弯矩值和最小弯矩值带入步骤2公式(12)中，再次计算各特征位置的滚压覆盖率C，再根据公式(13)反算满足条件的机床主轴转速n及进给速度v_x和v_y，

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

使各特征位置与理论滚压参数一一对应；沿最小曲率方向对各特征位置分组，在组内将进给距离作为自变量，将滚压参数作为因变量，利用多项式表示二者间的关系，再利用最小二乘拟合方法获得多项式关系中的系数值，从而获得沿进给方向的连续滚压参数，然后利用沿进给方向的连续滚压参数进行金属板料表面渐进滚压成形。

本发明的一种滚压刀具，弹簧组的缓冲作用滚压力稳定，两个球环的回转运动形成的条带式滚压轨迹使得滚压效率较高；球环与板料表面为滚动摩擦，摩擦力小，滚压后板料表面质量好。

本发明的一种金属板料表面渐进滚压成形的方法，与喷丸成形和热应力成形相比，其优点在于：

(1)对成形设备要求低。在普通机床或数控机床上安装成形工具就可以实现一般的表面滚压工艺，不需要像喷丸机、激光器这类专业的成形设备。

(2)成形后工件表面质量好。工件经表面滚压后表面粗糙度明显下降，喷丸成形会在工件表面上留下明显的弹坑。

(3)成形参数相对容易控制。成形工具尺寸、成形轨迹及接触压力通过机械结构及数控系统都较容易控制，产生的残余应力场分布规律也较稳定。而热应力成形过程中加热冷却速度及热传导规律都较难掌握。