一种金属箔材超声辅助辊弯成形方法及装置
阅读说明：本技术 一种金属箔材超声辅助辊弯成形方法及装置 (Metal foil ultrasonic-assisted roll bending forming method and device ) 是由 马振武 曹自洋 张元晶 卢金斌 于 2021-01-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种金属箔材超声辅助辊弯成形方法及装置,以解决现有方法及装置辊弯成形金属箔材时因尺寸效应影响而出现的回弹角度大、成形不均匀的问题。成形时,首先根据金属箔材的厚度调整辊齿间隙；然后将动力参数输送至主动辊齿,将超声振动参数施加于从动辊齿；最后将金属箔材送入成形区进行超声辅助辊弯成形。成形装置包括箱体、动力系统、主动辊齿系统、从动辊齿系统、辊齿间隙调节系统和超声振动系统。本发明适用于金属箔材的精密辊弯成形,可有效提高零件的尺寸精度,形状一致性。(The invention discloses a metal foil ultrasonic auxiliary roll bending forming method and device, which aim to solve the problems of large rebound angle and non-uniform forming caused by the influence of size effect when the metal foil is formed by roll bending in the conventional method and device. When forming, firstly, adjusting the gap between the roller teeth according to the thickness of the metal foil; then transmitting the power parameters to the driving roller teeth, and applying the ultrasonic vibration parameters to the driven roller teeth; and finally, feeding the metal foil into a forming area for ultrasonic auxiliary roll bending forming. The forming device comprises a box body, a power system, a driving roller tooth system, a driven roller tooth system, a roller tooth gap adjusting system and an ultrasonic vibration system. The invention is suitable for the precise roll bending forming of the metal foil, and can effectively improve the size precision and the shape consistency of parts.)
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种金属箔材超声辅助辊弯成形方法及装置。
背景技术
瓦楞板是制造金属蜂窝结构的关键零件。因为具有尺寸精度高的特点，应用在航空航天领域的瓦楞板多采用辊弯成形法制造。
近年来，飞行器的低能耗发展趋势对蜂窝结构提出了苛刻的轻量化要求。为了减小蜂窝结构实体部分的重量和体积，瓦楞板的壁厚设计只有几十微米。但是，金属箔材成形属于微塑性成形，存在尺寸效应影响。当金属箔材厚度与其微观组织尺寸处于同一数量级时，个体晶粒的异质性（取向、位置和形状的特异性）影响剧烈增强，使瓦楞板各成形区域微观组织不均匀性增强，引起回弹离散度增大。尺寸效应的出现导致现有辊弯成形工艺很难制造出符合要求的超薄壁瓦楞板，制约了蜂窝结构轻量化程度的提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属箔材超声辅助辊弯成形方法及装置，将超声能场引入到辊弯成形工艺中，利用超声能场的声软化效应降低个体晶粒异质性的影响，提高瓦楞板各成形区域的均匀性，实现超薄壁瓦楞板的精确成形。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种金属箔材超声辅助辊弯成形方法，包括以下步骤：
步骤一、使用丙酮清洗主动辊齿、从动辊齿和金属箔材，晾干；
步骤二、调节主动辊齿与从动辊齿的间隙；
步骤三、开启动力系统，使主、从动辊齿按线速度1~5 mm/s匀速转动；
步骤四、开启超声振动系统，使从动辊齿沿主、从动辊齿轴中心线方向，按超声振动频率为5~100 kHz，振幅为1~50μm振动；
步骤五、将金属箔材送入成形区进行超声辅助辊弯成形。
所述的步骤二中，调节辊齿间隙的方法为：辊齿静止时，松开辊齿间隙调节系统，在两辊齿间放置厚度为0.9~1倍箔材厚度的塞尺，然后锁紧辊齿间隙调节系统，取出塞尺。
所述的步骤四中，超声振动频率和振幅根据维氏显微硬度实验确定，在此振动频率和振幅下，金属箔材成形区域个体晶粒的显微硬度值的标准差最小。
一种金属箔材超声辅助辊弯成形装置，所述装置包括：箱体、动力系统、主动辊齿系统、从动辊齿系统、超声振动系统和辊齿间隙调节系统，其特征在于：所述动力系统包括电动机和减速器；
所述主动辊齿系统包括主动轴、主动辊齿、轴承、轴套、端盖，主动辊齿固定在主动轴上，主动轴通过轴承、轴套和端盖固定在箱体上，主动轴一端连接于减速器上；
所述从动辊齿系统包括从动轴、从动辊齿、轴承、轴套、端盖、从动框，从动辊齿固定在从动轴上，从动轴通过轴承、轴套和端盖固定在从动框上；
所述超声振动系统包括超声波发生器、换能器、变幅杆，变幅杆与从动框连接；
所述辊齿间隙调节系统包括X轴移动工作台和Z轴移动工作台，X轴移动工作台通过螺栓联接设置在箱体上，Z轴移动工作台通过螺栓联接设置在X轴移动工作台上，换能器通过螺栓联接设置在Z轴工作平台上。
所述的主动辊齿与从动辊齿形状相同，直径为20~80mm，宽度为30~80mm，辊齿齿形为梯形、圆弧形、矩形或菱形。
所述从动框由一块矩形顶板和两块梯形侧板组成，梯形侧板的腰与底的夹角为30°~60°，矩形顶板和梯形侧板的厚度为2~5mm。
本发明的有益效果是：1. 利用本发明的方法，在特定的超声能场的声软化效应下，金属箔材内的个体晶粒异质性影响减弱，变形分布状态出现均匀性重构，回弹离散度随之降低，超薄壁瓦楞板的成形精度大幅提高；2.本发明的成形装置，振动框的特殊结构具有聚能作用，特别有益于超声振动能场的施加，容易实现本发明所述的超声辅助辊弯成形方法；3. 利用本发明的成形方法和装置，通过在从动辊齿上施加超声能场，避免了后续的瓦楞板压力整形工艺，大大提高了超薄壁瓦楞板的生产效率。
附图说明
图1是本发明所述的超声辅助辊弯成形示意图。
图2是本发明所述的超声辅助辊弯成形装置主视图。
图3是本发明所述的超声辅助辊弯成形装置右视图。
图4是本发明所述的从动框示意图。
图中标号说明： 1.动力系统、101.电动机、102. 减速器、2.主动辊齿系统、201.主动轴、202.轴套A 、203.主动辊齿、204.轴承A、205.端盖A、3.从动辊齿系统、301.从动轴、302.轴套B、303.从动辊齿、304.轴承B、305.端盖B、306.从动框，306A.矩形顶板、306B.梯形侧板、4.辊齿间隙调节系统、5.超声振动系统、501.超声波发生器、502.换能器、503.变幅杆、6.箱体、7、金属箔材。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本申请的技术方案，下面将结合申请中的附图，对本发明所提出的具体实施方案进行清楚完整的描述。
结合图1~4所示，一种金属箔材超声辅助辊弯成形方法，包括以下步骤：
步骤一、使用丙酮清洗203主动辊齿、303从动辊齿和7金属箔材，晾干；
步骤二、调节203主动辊齿与303从动辊齿的间隙；
步骤三、开启1动力系统，使203主动滚齿、303从动辊齿按线速度1~5 mm/s匀速转动；
步骤四、开启5超声振动系统，使303从动辊齿沿主、从动辊齿轴中心线方向，按超声振动频率为5~100 kHz，振幅为1~50μm振动；
步骤五、将7金属箔材送入成形区进行超声辅助辊弯成形。
结合图1~4所示，一种金属箔材超声辅助辊弯成形装置，所述装置包括： 1动力系统、2主动辊齿系统、3从动辊齿系统、4辊齿间隙调节系统、5超声振动系统和6箱体，其特征在于：所述1动力系统包括101电动机和102减速器；所述2主动辊齿系统包括201主动轴、202轴套A 、203主动辊齿、204轴承A和205端盖A，203主动辊齿固定在201主动轴上，201主动轴通过204轴承A、202轴套A和205端盖A固定在6箱体上，201主动轴的一端连接于102减速器上；
所述3从动辊齿系统包括301从动轴、302轴套B、303从动辊齿、304轴承B、305端盖B、306从动框，303从动辊齿固定在301从动轴上，301从动轴通过304轴承B、302轴套B和305端盖B固定在306从动框上, 306从动框由一块厚度为2~5mm 的306A矩形顶板和两块厚度为2~5mm 的306B梯形侧板焊接组成，306B梯形侧板的腰与底的夹角为30°~60°；
所述5超声振动系统包括501超声波发生器、502换能器和503变幅杆，503变幅杆与306从动框连接，连接方式为螺纹或焊接，优选焊接方法；
所述4辊齿间隙调节系统包括X轴移动工作台（未画出）和Z轴移动工作台（未画出），X轴移动工作台通过螺栓联接设置在6箱体上，Z轴移动工作台通过螺栓联接设置在X轴移动工作台上，502换能器通过螺栓联接设置在Z轴工作平台上。
所述的203主动辊齿与303从动辊齿的形状相同，直径为20~80mm，宽度为30~80mm，辊齿齿形为梯形、圆弧形、矩形或菱形。
实施例 1
厚度为50μm的TC1钛合金箔材，长度为500mm，宽度为60mm。辊弯成形角度为120°的瓦楞板，成形角度误差为±5°。成形参数：主动辊齿与从动辊齿直径为50mm，辊齿齿形为120°，梯形，辊齿转速为1mm/s，主、从动辊齿间隙为45μm。超声振动参数：频率为20 kHz，振幅为5μm。
对比例 1
厚度为50μm的TC1钛合金箔材，长度为500mm，宽度为60mm。辊弯成形角度为120°的瓦楞板，成形角度误差为±5°。成形参数：主动辊齿与从动辊齿直径为50mm，辊齿齿形为120°，梯形，辊齿转速为1mm/s，主、从动辊齿间隙为50 μm。超声振动参数：无。
表1 实施例与对比例随机选取5个成形角度对比。
序号
1
2
3
4
5
成形误差
实施例1
123.3°
121.7°
116.7°
122.4°
119.8°
±3.3°
对比例1
118.2°
127.8°
127.1°
112.2°
115.3°
±7.8°
实施例1和对比例1是使用本发明和传统方法成形瓦楞板的角度测量结果。可见利用本发明的超声辅助辊弯成形装置与方法，成形角度比较均匀，且成形误差（±3.3°）较小，符合成形要求（±5°）。而利用传统方法成形的瓦楞板，成形角度比较离散，且成形误差（±7.8°）较大，不符合成形要求（±5°）。以上数据证明，本发明的成形装置和方法，可大幅提高零件的尺寸精度和形状一致性，能够成形出符合要求的超薄壁瓦楞板。
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