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CN110479839B - 用于成形薄壁高筋筒形构件的包络辊参数获取方法 - Google Patents

用于成形薄壁高筋筒形构件的包络辊参数获取方法 Download PDF

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CN110479839B CN201910711659.0A CN201910711659A CN110479839B CN 110479839 B CN110479839 B CN 110479839B CN 201910711659 A CN201910711659 A CN 201910711659A CN 110479839 B CN110479839 B CN 110479839B
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Abstract

本发明涉及本发明涉及一种用于成形薄壁高筋筒形构件的包络辊参数获取方法，包括以下步骤：确定薄壁高筋筒形构件包络辗压成形包络辊设计原理；建立三维直角坐标系；通过线速度相等基准点计算包络辊与目标构件间转速比，并提出线速度相等基准点约束条件；确定包络辊与目标薄壁高筋筒形构件点对应关系。本发明用于成形薄壁高筋筒形构件的包络辊参数获取方法，可实现任意目标薄壁高筋筒形构件包络辗压成形包络辊高效设计，具有很强的通用性和实用性。

Description

用于成形薄壁高筋筒形构件的包络辊参数获取方法
技术领域
本发明涉及薄壁高筋筒形构件成形制造领域，更具体地说，涉及一种用于成形薄壁高筋筒形构件的包络辊参数获取方法。
背景技术
随着航空航天、石油化工、武器装备等快速发展，薄壁高筋筒形构件应用极为广泛，其制造精度、性能对飞机等高端装备整体性能有重要影响。由于薄壁高筋筒形存在构件壁薄、筋高、截面复杂等特点，传统环件辗扩等工艺难以制造此类零件。目前制造方法主要是铸造、焊接、切削加工等。铸造得到构件晶粒粗大、组织不细密，力学性能差，难以满足高性能薄壁高筋筒形构件使用要求。焊接成形不能制造整体薄壁高筋筒形构件，从而削弱了薄壁高筋筒形构件承载能力。切削加工材料利用率低、效率低，且会破坏金属流线完整性，无法制造优质薄壁高筋筒形构件。因此如何高性能、高效率、低成本制造薄壁高筋筒形构件已经成为该领域研究热点问题之一。
包络成形可以实现复杂非回转构件连续局部回转塑性成形，具有构件性能好、生产效率高、生产成本低等优势，是薄壁高筋筒形构件先进制造技术。薄壁高筋筒形构件包络辗压成形过程中，包络辊精确设计是实现薄壁高筋筒形构件包络辗压成形的关键。目前，还没有关于薄壁高筋筒形构件包络辗压成形包络辊精确设计的报道，包络辊的设计参数无法科学、高效的获取。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于成形薄壁高筋筒形构件的包络辊参数获取方法，可实现任意目标薄壁高筋筒形构件包络辗压成形包络辊高效设计，具有很强的通用性和实用性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于成形薄壁高筋筒形构件的包络辊参数获取方法，所述包络辊为带型腔的圆柱体，包络辊的轴线与目标薄壁高筋筒形构件轴线平行，包络辊与目标薄壁高筋筒形构件均做主动匀速转动并形成包络关系，目标筒形构件高筋由包络辊型腔包络成形；包络辊参数获取方法包括：
以目标薄壁高筋筒形构件轴线上一点O为坐标原点，O点所在的目标构件横截面为xOy面，O点与包络辊轴线上点O1水平连线为x轴，目标构件轴线为z轴，建立xOy-z直角坐标系；
选取包络辊与目标构件接触区域上一点A(x1，y1)，目标构件转速ω1与包络辊转速ω2比值为：
Figure GDA0002458701010000021
式(1)中，a为O1、O间距离；
线速度相等基准点A选取约束条件为：
Figure GDA0002458701010000022
式(2)中，b为目标薄壁高筋筒形构件纵筋数，t取正整数；
目标薄壁高筋筒形构件上任意一点坐标(x2，y2，z2)和包络辊上对应点坐标(x3，y3，z3)之间满足以下公式：
Figure GDA0002458701010000023
上述方案中，目标薄壁高筋筒形构件上任意一点坐标(x2，y2，z2)和包络辊上对应点坐标(x3，y3，z3)之间的对应关系，即公式(3)的获取方法如下：
目标构件上点B′(x2，y2，z2)与包络辊上对应点B″(x3，y3，z3)经历时间t后同时运动到B点，由此构建点对应关系；由弧角之间关系，得到：
Figure GDA0002458701010000031
ω1∠B″O1B＝ω2∠B′OB (5)
结合式(1)、(4)、(5)，得到式(6)：
Figure GDA0002458701010000032
过B″点作x轴垂线，交点为C点，得到此时的x′：
x3＝OC＝OO1+O1C (7)
O1C＝O1B″cos(∠B″O1B) (8)
结合式(6)、(7)、(8)，得到式(9)：
Figure GDA0002458701010000033
y3＝B″C (10)
B″C＝O1B″sin(∠B″O1B) (11)
结合式(6)、(10)、(11)，得到式(12)：
Figure GDA0002458701010000034
由于z点坐标始终不发生变化，所以有：
z3＝z2 (13)
结合式(9)、(12)、(13)，得到公式(3)。
实施本发明的用于成形薄壁高筋筒形构件的包络辊参数获取方法，具有以下有益效果：
1、本发明可实现任意目标薄壁高筋筒形构件包络辊高效、精确设计，具有很强的通用性和实用性。
2、本发明可以实现薄壁高筋筒形构件高性能、高效率、低成本包络辗压成形制造。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为目标薄壁高筋筒形构件三维图；
图2为三维直角坐标系建立示意图；
图3为图2的俯视图；
图4为包络辊精确设计示意图一；
图5为包络辊精确设计示意图二；
图6为本发明方法生成的包络辊xOy平面图；
图7为本发明方法生成的包络辊三维图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-7所示，在本发明的用于成形薄壁高筋筒形构件的包络辊参数获取方法包括以下步骤：
S1、确定薄壁高筋筒形构件包络辗压成形包络辊设计原理；图1为目标薄壁高筋筒形构件。包络辊为带型腔的圆柱体，其轴线与目标薄壁高筋筒形构件轴线平行，包络辊与目标薄壁高筋筒形构件均做主动匀速转动并形成包络关系，目标筒形构件高筋由包络辊型腔包络成形；
S2、建立三维直角坐标系；如图2-3所示，以目标薄壁高筋筒形构件轴线上一点O为坐标原点，O点所在的目标构件横截面为xOy面，O点与包络辊轴线上点O1水平连线为x轴，目标构件轴线为z轴，建立xOy-z直角坐标系。
S3、确定包络辊与目标薄壁高筋筒形构件转速关系；如图4-5所示，选取包络辊与目标构件接触区域上一点A(x1，y1)，此处包络辊与目标构件线速度相等。点A为圆O′、O1′公共点，通过两圆关系计算得到目标构件转速ω1与包络辊转速ω2比值：
Figure GDA0002458701010000051
式(1)中，a为O1、O间距离。
线速度相等基准点A选取约束条件为：
Figure GDA0002458701010000052
式(2)中，b为目标薄壁高筋筒形构件纵筋数，t取正整数。
取满足约束条件的一点A(50，0)，目标构件在圆O′处线速度与包络辊在圆O1′处线速度相等，得到二者转速比ω1∶ω2＝0.5，即k为2。
S4、确定包络辊与目标薄壁高筋筒形构件点对应关系；目标构件任意一点B′(x2，y2)在圆O″上，则包络辊上对应点B″在圆O1″上。圆O″以O为圆心，半径为
Figure GDA0002458701010000053
圆O1″以O1为圆心并与圆O″相切。
S5、确定包络辊精确设计计算过程；目标薄壁高筋筒形构件与包络辊时刻保持线接触，以此原则计算得到包络辊精确计算公式：
Figure GDA0002458701010000061
(x2，y2，z2)为目标薄壁高筋筒形构件上任意一点坐标，(x3，y3，z3)为包络辊上对应点坐标。
具体计算方式如下：
如图4-5所示，目标构件上点B′(x2，y2，z2)与包络辊上对应点B″(x3，y3，z3)经历时间t后同时运动到B点，由此构建点对应关系。由弧角之间关系，得到：
Figure GDA0002458701010000062
ω1∠B″O1B＝ω2∠B′OB (5)
结合式(1)、(4)、(5)，得到式(6)：
Figure GDA0002458701010000063
过B″点作x轴垂线，交点为C点，得到此时的x′：
x3＝OC＝OO1+O1C (7)
O1C＝O1B″cos(∠B″O1B) (8)
结合式(6)、(7)、(8)，得到式(9)：
Figure GDA0002458701010000064
y3＝B″C (10)
B″C＝O1B″sin(∠B″O1B) (11)
结合式(6)、(10)、(11)，得到式(12)：
Figure GDA0002458701010000071
由于z点坐标始终不发生变化，所以有：
z3＝z2 (13)
结合式(9)、(12)、(13)，得到包络辊设计方程(3)。
取构件上一点G(48,2)，解得此时包络辊上对应点G′(47.961，1.91)。以方程3计算包络辊，其xOy平面如图4所示，三维模型如图6-7所示。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种用于成形薄壁高筋筒形构件的包络辊参数获取方法，所述包络辊为带型腔的圆柱体，包络辊的轴线与目标薄壁高筋筒形构件轴线平行，包络辊与目标薄壁高筋筒形构件均做主动匀速转动并形成包络关系，目标筒形构件高筋由包络辊型腔包络成形；其特征在于，包络辊参数获取方法包括：
以目标薄壁高筋筒形构件轴线上一点O为坐标原点，O点所在的目标构件横截面为xOy面，O点与包络辊轴线上点O1水平连线为x轴，目标构件轴线为z轴，建立xOy-z直角坐标系；
选取包络辊与目标构件接触区域上一点A(x1,y1)，目标构件转速ω1与包络辊转速ω2比值为：
Figure DEST_PATH_FDA0002458699000000011
式(1)中，a为O1、O间距离；
线速度相等基准点A选取约束条件为：
Figure FDA0002153985760000012
式(2)中，b为目标薄壁高筋筒形构件纵筋数，t取正整数；
目标薄壁高筋筒形构件上任意一点坐标(x2,y2,z2)和包络辊上对应点坐标(x3,y3,z3)之间满足以下公式：
Figure FDA0002153985760000021
2.根据权利要求1所述的用于成形薄壁高筋筒形构件的包络辊参数获取方法，其特征在于，目标薄壁高筋筒形构件上任意一点坐标(x2,y2,z2)和包络辊上对应点坐标(x3,y3,z3)之间的对应关系，即公式(3)的获取方法如下：
目标构件上点B'(x2,y2,z2)与包络辊上对应点B”(x3,y3,z3)经历时间t后同时运动到B点，由此构建点对应关系；由弧角之间关系，得到：
Figure FDA0002153985760000022
ω1∠B″O1 B＝ω2∠B′OB (5)
结合式(1)、(4)、(5)，得到式(6)：
Figure DEST_PATH_FDA0002458699000000023
过B”点作x轴垂线，交点为C点，得到此时的x'：
x3＝OC＝OO1+O1C (7)
O1C＝O1B″cos(∠B″O1B) (8)
结合式(6)、(7)、(8)，得到式(9)：
Figure FDA0002153985760000031
y3＝B”C (10)
B″C＝O1B″sin(∠B″O1B) (11)
结合式(6)、(10)、(11)，得到式(12):
Figure FDA0002153985760000032
由于z点坐标始终不发生变化，所以有：
z3＝z2 (13)
结合式(9)、(12)、(13)，得到公式(3)。
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