阅读说明：本技术 金属表面微结构阵列的柔性滚压成形方法及装置 (Flexible roll forming method and device for metal surface microstructure array ) 是由 李巧敏 张茂 柳玉起 李红军 江维 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种金属表面微结构阵列的柔性滚压成形方法及装置,该装置包括夹持子装置(1)、压印辊(3)及支承辊(5),压印辊(3)和支承辊(5)分别位于待处理金属件的两侧、且相对设置,两者能够沿预先设定的轨迹在待处理金属件的表面同步滚动,从而能够配合对待处理金属件产生挤压作用进而在待处理金属件的表面滚压形成微结构阵列；其中,压印辊(3)包括一个表面具有微结构型腔的圆柱体结构,支承辊(5)包括一个表面光滑的圆柱体结构并起支承作用。本发明通过对装置中各个组件的设置及它们之间相互配合的工作关系等进行改进,与现有技术相比能够有效解决三维复杂板件表面微结构阵列的大面积加工困难等问题。(the invention discloses a flexible rolling forming method and a flexible rolling forming device for a metal surface microstructure array, wherein the device comprises a clamping sub-device (1), an embossing roller (3) and a supporting roller (5), wherein the embossing roller (3) and the supporting roller (5) are respectively positioned at two sides of a metal piece to be processed and are oppositely arranged, and the embossing roller and the supporting roller can synchronously roll on the surface of the metal piece to be processed along a preset track, so that the embossing roller can be matched with the metal piece to be processed to generate an extrusion effect to roll on the surface of the metal piece to be processed to form the microstructure array; wherein the embossing roller (3) comprises a cylindrical structure with a microstructure cavity on the surface, and the supporting roller (5) comprises a cylindrical structure with a smooth surface and plays a supporting role. By improving the arrangement of each component in the device, the mutual matching working relation among the components and the like, compared with the prior art, the invention can effectively solve the problems of large-area processing difficulty and the like of the surface microstructure array of the three-dimensional complex plate.)

金属表面微结构阵列的柔性滚压成形方法及装置

技术领域

本发明属于金属塑性成形领域，更具体地，涉及一种金属表面微结构阵列的柔性滚压成形方法及装置，该方法及装置尤其适用于在形状复杂的金属板件表面大面积加工微结构阵列的塑性成形。

背景技术

具有减阻效果的表面微结构阵列在飞机、高铁等高速装备的提速降耗方面具有巨大的应用前景。但是，受到表面微结构加工技术的限制，目前这一技术仍旧处在试验阶段。这主要在于，单个微结构的尺寸一般在亚毫米量级，而飞机、高铁表面金属板件的尺寸达到数米甚至数十米，现有的微细加工方法难以满足大面积加工表面微结构的尺寸、性能和成本要求。而飞机蒙皮、高铁外壳等零件不仅尺寸极大，形状也非常复杂，由于板材宏观变形会导致表面拉伸或压缩，为了保证这些零件表面微结构的形状和尺寸精度，只能在完成宏观成形以后再进行表面微结构阵列的加工，这又对微细加工的方法和设备提出了更加苛刻的要求。

目前，金属表面微结构的加工方法主要包括压印成形、LIGA技术、微细电火花加工、飞秒激光加工、超精密机械加工等。其中，压印成形作为一种精密塑性微成形方法，相比其他几种方法具有效率高、成本低、材料利用率高等优势；而且，压印成形不仅能够保证金属流线的连续性，还能在材料表面产生一定厚度的硬化层，从而有效提高零件表面性能。为了充分利用压印成形的优势，同时克服传统压印加工尺寸小的缺点，专利CN103341540B公开了一种采用辊子定轴转动以实现表面微结构连续压印成形的方法，但是这种方法只能适用于平板加工。专利CN101648235B公开了一种柔性辊贴模滚压成形装置，实现了三维曲面工件的连续滚压成形，但这一装置包含了单面模具，没有摆脱零件尺寸的限制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种金属表面微结构阵列的柔性滚压成形方法及装置，其中通过对装置中各个组件的设置及它们之间相互配合的工作关系等进行改进，与现有技术相比能够有效解决三维复杂板件表面微结构阵列的大面积加工困难等问题，本发明利用压印辊和支承辊的滚动挤压作用使金属板件表面的材料发生连续地弹塑性变形，压印辊和支承辊的运动轨迹及运动速率、挤压力等均可预先设定，可灵活调整，以适用于各类金属材料。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种金属表面微结构阵列的柔性滚压成形装置，其特征在于，包括夹持子装置(1)、压印辊(3)及支承辊(5)，其中，

所述夹持子装置(1)用于夹持并固定待处理金属件，使待处理金属件保持固定；

所述压印辊(3)和所述支承辊(5)分别位于待处理金属件的两侧、且相对设置，两者能够沿预先设定的轨迹在待处理金属件的表面同步滚动，从而能够配合对待处理金属件产生挤压作用进而在待处理金属件的表面滚压形成微结构阵列；其中，所述压印辊(3)包括一个表面具有微结构型腔的圆柱体结构，所述支承辊(5)包括一个表面光滑的圆柱体结构并起支承作用，滚压形成的所述微结构的形状与所述压印辊(3)圆柱体结构表面的微结构型腔相匹配。

作为本发明的进一步优选，所述压印辊(3)和所述支承辊(5)分别安装在2个机器人手臂的末端。

作为本发明的进一步优选，所述压印辊(3)受第一机器人的控制；所述支承辊(5)受第二机器人的控制。

按照本发明的另一方面，本发明提供了一种金属表面微结构阵列的柔性滚压成形方法，其特征在于，该方法是利用上述金属表面微结构阵列的柔性滚压成形装置，并具体包括以下步骤：

(1)使用夹持子装置固定待处理金属件，使待处理金属件保持固定；

(2)将压印辊和支承辊分别安装在2个机器人手臂的末端，并使所述压印辊和所述支承辊分别位于待处理金属件的两侧、且相对设置；

(3)启动这2个机器人手臂，使所述压印辊和所述支承辊两者沿预先设定的轨迹在待处理金属件的表面同步滚动，从而相配合对待处理金属件产生挤压作用进而在待处理金属件的表面滚压形成微结构阵列，即可实现金属表面微结构阵列的加工。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)中，所述滚动是以预先设定的线速度进行滚动。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)中，所述挤压作用的挤压力的大小满足预先设定的挤压力大小要求。

作为本发明的进一步优选，所述待处理金属件为金属板件。

本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得如下有益效果：

1)本发明提供的微结构阵列柔性滚压成形方法不受板件形状的限制，可适用于形状复杂的三维板件。现有技术中的一般成形工艺需要特定形状的模具与整个零件贴合，而本发明可以通过压印辊和支承辊的同步灵活滚动在任意形状的金属件表面成形微结构阵列(待处理的金属件通过夹持子装置保持固定)，实现柔性滚压成形。

2)本发明提供的微结构阵列柔性滚压成形方法实现了金属表面微结构的连续成形，加工面积理论上可以无限大，因此本发明尤其能够实现三维复杂板件表面微结构阵列的大面积加工。利用本发明，待处理金属件的尺寸将不受限制(可以极小也可以极大，理论上可以无限大)，相比其他现有技术，尤其适用于尺寸大于10m的大尺寸金属件的表面微结构加工。

本发明适用于在已完成宏观成形后的零件表面加工微结构阵列(也就是说，可以先利用宏观成形将平板成形为任意三维曲面结构，然后再利用本发明在该三维曲面结构表面加工微结构阵列，成形得到目标金属件)；本发明可以预先设置滚动压印的速度、载荷等参数，金属板件表面的材料在压印辊和支承辊的滚动挤压作用下发生连续地弹塑性变形，从而成形出微结构阵列。以采用机器人手臂带动压印辊和支承辊配合进行滚压为例，可以使压印辊在机器人的操作下按照一定的轨迹在金属板件需要加工微结构阵列的一侧滚动，支承辊载在另一个机器人的协同操作下沿着金属板件另一侧与压印辊以相同的线速度滚动，起到支承作用。

附图说明

图1为本发明所述成形装置的整体结构示意图。

图2为本发明所述成形装置的局部结构示意图。

图中各附图标记的含义如下：1为夹持装置(即，夹持子装置)，2为金属板件，3为压印辊，4为机器人(即，第一机器人)，5为支承辊，6为机器人(即，第二机器人)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图2，本发明中金属表面微结构阵列柔性滚压成形方法，包括以下步骤：

1)采用夹持装置1固定金属板件2；

2)将压印辊3安装在机器人4手臂末端，支承辊5安装在机器人6手臂末端；当然，压印辊3和支承辊5也可以是同一机器人上的2个不同手臂。

3)设置滚动压印的速度、载荷等参数，启动机器人4和机器人6，使压印辊3在机器人4的操作下按照一定的轨迹在金属板件2需要加工微结构阵列的一侧滚动，支承辊5在在机器人6的操作下沿着板件2另一侧与压印辊3以相同的线速度滚动，起到支承作用。金属板件2表面的材料在压印辊3和支承辊5的滚动挤压作用下发生连续地弹塑性变形，从而成形出微结构阵列。

4)微结构阵列成形结束后，关闭机器人4和机器人6。

相应的，本发明中金属表面微结构阵列柔性滚压成形装置，包括夹持装置1、压印辊3、机器人4、支承辊5、机器人6，其中，

所述压印辊3包括一个表面具有微结构型腔的圆柱体结构(压印辊除了圆柱体结构外，还可包括其他辅助结构将圆柱体连接到机器人手臂末端，这些辅助结构可参考现有技术设置)；

所述支承辊4包括一个表面光滑的圆柱体结构(支承辊除了圆柱体结构外，还可包括其他辅助结构将圆柱体连接到机器人手臂末端，这些辅助结构可参考现有技术设置)；

所述压印辊3安装在所述机器人4手臂末端，所述支承辊5安装在所述机器人6手臂末端。

单个微结构的形状、尺寸及微结构阵列的分布可根据应用场合确定，例如，起减阻作用的微结构，可基于流体力学，并考虑运动物体的运动速度等参数，以达到最佳减阻效果为目标，最终确定微结构的尺寸及其在金属板件表面的分布。压印辊和支承辊的尺寸及其在柔性滚压成形中的滚动速度等参数的设计相对复杂，需要在不超过机器人最大负载的情况下使微结构获得理想的填充效果，这一步骤可借助于材料成形数值模拟软件来实现。

本发明将传统压印成形方法改进成通过两个辊子沿板件表面滚动的柔性成形方法，不仅保留了传统压印成形效率高、成本低、材料利用率高等优点，同时实现了板件表面微结构阵列的连续成形，且该方法不受板件形状和尺寸的限制。本发明将有力推动表面微结构阵列减阻技术在飞机、高铁上的应用，也为该技术舰船、潜艇、导弹等高速装备上的应用提供重要参考依据，对于增强我国交通运输装备的使用性能和先进武器装备的战斗性能具有重要意义。

本发明中所采用的机器人手臂可以是现有技术中任意一种机器人手臂，只要能够控制运动轨迹、运动速度等参数，以及相应载荷满足要求即可；另外，这些机器人手臂的运动轨迹、运动速度等参数可参照相关机器人手臂的操作手册进行设置。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。