一种筒体渐进翻边成形工具头的设计方法与流程

本发明属于板料成形技术领域，尤其涉及一种筒体渐进翻边成形工具头的设计方法。

背景技术：

渐进成形工艺是在过去十几年中开发和全面研究的开创性工艺，它们能够在非大规模生产条件下替代传统的冲压工艺。除了作为无级增量和柔性制造工艺的优点，实验研究发现，渐进成形工艺的成形性通常大于常规拉伸成形、深冲压和冲压工艺。使用渐进成形技术成形具有预制孔的翻边零件，具有柔性化，低耗时，低成本，成形性高等特点。

目前，在渐进翻边成形的研究中，使用的工具头结构主要分为两种类型。一种是端部为半球形的球状工具头，工具头的直径往往小于15mm。另一种则是具有圆锥台的条形工具头，使用该工具头可以完成反向渐进翻边成形。中国专利(申请号CN 201310480432)提出了一种利用渐进成形工艺实现薄壁管管壁预制孔翻孔的方法，使用成形工具头完成管壁的翻孔成形，但是没有具体给出工具头结构尺寸的确定方法。

对于上述能够实现反向翻边成形的圆锥形工具头而言，翻边高度和工具头的尺寸之间存在着相应的几何关系。在渐进翻边成形的过程中，工具头的结构尺寸直接影响着工艺的加载道次和成形效果。然而，在现有的研究中，对于工具头的结构尺寸还未有明确的设计方法。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种筒体渐进翻边成形工具头的设计方法，设计的成形工具头能够完成单道次渐进翻边成形或多道次渐进翻边成形。

为了达到上述目的，本发明采取了如下的技术方案：

一种筒体渐进翻边成形工具头的设计方法，包括以下步骤：

第一步：设计带有圆锥台结构形式的成形工具头，成形工具头为回转体，回转体的下端是直径为d的刀杆1，作为夹持区；刀杆1的上方是下表面直径为D1，上表面直径为D2，高度为h1，锥角为θ的圆锥台2，作为弯曲变形区；圆锥台2上方为直径D2、高度h2的圆柱体3，作为翻边成形区；圆锥台2的锥形面与下表面以及圆柱体3之间均设有圆角过渡；

第二步：确定刀杆1的直径d，直径d的取值范围为10～20mm；

第三步：确定圆锥台2的相关尺寸：圆锥台2的下表面直径D1比刀杆1的直径d大5～8mm；圆锥台2的斜面与回转体的轴线所夹的角度为θ，θ的取值范围在20°～30°；圆锥台2的高度h1与筒形件4的内径d1、外径d2、厚度t、预开孔长轴尺寸a、短轴尺寸b、翻边支管内径dm、翻边支管外径dt和翻边高度H有关；在筒体渐进翻边成形过程中，单道次渐进成形的极限翻边高度为Hmax；

当翻边高度H≤Hmax，则采用单道次渐进翻边成形；在成形过程中，筒形件4发生弯曲变形的最大长度为l＝h1min×tanθ，以筒形件4的筒轴线建立X轴，以翻边支管的管轴线建立Z轴，垂直于X、Z轴建立相应的Y轴，翻边前发生变形的筒形件体积为其中x、y为各曲线在XOY平面内投影的取值；翻边后发生变形的筒形件体积为其中根据体积不变原理，翻边前后体积相等，即V0＝V1，则由下式确定圆锥台2的高度h1的最小值h1min：其中且dm＝b+2h1min；因此，在筒体单道次渐进翻边成形过程中，设计工具头圆锥台2的高度h1应大于计算的最小值，即h1≥h1min；

当翻边高度H＞Hmax，则采用多道次渐进翻边成形；在多道次渐进翻边成形的过程中，每个成形道次之间需要横向进给一段距离Δl，最大横向进给量Δl根据需要决定，且横向进给量Δl的取值条件为t≤Δl≤h1×tanθ，由此得工具头圆锥台2的高度h1的最小值为因此，在多道次筒体渐进翻边成形过程中，设计工具头圆锥台2的高度h1应大于计算的最小值，即

由圆锥台2的下表面直径D1、锥角θ和高度h1的值确定上表面直径D2，上表面直径D2的取值为D2＝D1+2h1×tanθ；

第四步：确定圆柱体3的高度h2和直径D2；圆柱体3的高度h2的取值范围为10～30mm；圆柱体3的直径D2与圆锥台2的上表面直径D2大小一致，即圆柱体3的直径D2的取值为D2＝D1+2h1×tanθ。

本发明的有益效果是，提出了一种简单、易行的筒体渐进翻边成形工具头设计方法；该方法设计的工具头结构简单，易于生产加工；该方法明确了工具头各区域尺寸的几何关系和取值范围，有利于缩短设计时间，具有省时高效的优点；该方法适用于单道次与多道次生产的筒体渐进翻边成形，应用范围广。

附图说明

图1为本发明带有圆锥台结构形式的工具头结构示意图。

图2为建立筒体坐标轴示意图。

图3为筒体单道次渐进翻边成形示意图。

图4为筒体单道次渐进翻边成形前后体积变化示意图。

图5为筒体多道次渐进翻边成形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种筒体渐进翻边成形工具头的设计方法，包括以下步骤：

第一步：参照图1，设计带有圆锥台结构形式的成形工具头，成形工具头为回转体，回转体的下端是直径为d的刀杆1，作为夹持区，用于和刀柄连接，安装在大口径厚壁筒体渐进柔性翻边装置上；刀杆1的上方是下表面直径为D1，上表面直径为D2，高度为h1，锥角为θ的圆锥台2，作为弯曲变形区，用于使筒形件发生弯曲变形；圆锥台2上方为直径D2、高度h2的圆柱体3，作为翻边成形区，用于将发生弯曲变形的筒形件完成翻边成形；圆锥台2的锥形面与下表面以及圆柱体3之间均设有圆角过渡；

第二步：参照图1，确定刀杆1的直径d：为保证工具头在成形过程中拥有一定的刚度，刀杆1的直径d不能太小，直径d的取值范围为10～20mm；

第三步：参照图1，确定圆锥台2的相关尺寸：圆锥台2的下表面直径D1比刀杆1的直径d大5～8mm；圆锥台2的斜面与回转体的轴线所夹的角度为θ，θ的取值范围在20°～30°；圆锥台2的高度h1与筒形件4的内径d1、外径d2、厚度t、预开孔长轴尺寸a、短轴尺寸b、翻边支管内径dm、翻边支管外径dt和翻边高度H有关，在筒体渐进翻边成形过程中，单道次渐进成形的极限翻边高度为Hmax；

参照图2、图3和图4，当翻边高度H≤Hmax，则采用单道次渐进翻边成形；在成形过程中，筒形件4发生弯曲变形的最大长度为l＝h1min×tanθ，以筒形件4的筒轴线建立X轴，以翻边支管的管轴线建立Z轴，垂直于X、Z轴建立相应的Y轴，翻边前发生变形的筒形件体积为其中x、y为各曲线在XOY平面内投影的取值；翻边后发生变形的筒形件体积为其中根据体积不变原理，翻边前后体积相等，即V0＝V1，则由下式确定圆锥台2的高度h1的最小值h1min：其中且dm＝b+2h1min；因此，在筒体单道次渐进翻边成形过程中，设计工具头圆锥台2的高度h1应大于计算的最小值，即h1≥h1min；

参照图5，当翻边高度H＞Hmax，则采用多道次渐进翻边成形；在多道次渐进翻边成形的过程中，每个成形道次之间需要横向进给一段距离Δl，最大横向进给量Δl根据需要决定，且横向进给量Δl的取值条件为t≤Δl≤h1×tanθ，由此得工具头圆锥台2的高度h1的最小值为因此，在多道次渐进外缘翻边成形过程中，设计工具头圆锥台2的高度h1应大于计算的最小值，即

参照图1，由圆锥台2的下表面直径D1、锥角θ和高度h1的值确定上表面直径D2，上表面直径D2的取值为D2＝D1+2h1×tanθ；

第四步：参照图1，确定圆柱体3的高度h2和直径D2；圆柱体3的高度h2的取值范围为10～30mm；圆柱体3的直径D2与圆锥台2的上表面直径D2大小一致，即圆柱体3的直径D2的取值为D2＝D1+2h1×tanθ。