一种板料辊压工艺及其装置

技术领域

本发明涉及金属板材加工领域，具体涉及一种板料辊压工艺及其装置。

背景技术

相较于形状比较单一的钢结构零件，在结构刚度和强度都满足的条件下，变截面的高强钢能够使得汽车零件结构的设计更加灵活，并且能充分利用车身有限的空间，因而更能满足现代化汽车设计中轻量化和结构复杂性的需求，因此变截面高强钢的应用是未来车身轻量化的重要路径之一。

然而，目前钢结构板件钢板主要的成形方式是辊压成形，即通过轧辊的多道次辊压将一块钢板最终成形为所需的零件形状，这种传统的辊压方法一般只能成形等截面的样件，无法应用于变截面梁类零件加工。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种板料辊压工艺，能够解决传统辊压成形技术无法成形变截面零件的问题。

本发明提供的板料辊压工艺，包括如下步骤：

对板料的第一区域施加压力以使第一区域至少在深度方向产生第一预设形变；

对板料的第一区域施加驱动力，使板料沿长度方向运动；

在板料沿长度方向运动过程中，按照预设的辊压位移参数对第二区域施加压力以使第二区域在宽度方向和/或深度方向产生第二预设形变；其中宽度方向、深度方向以及长度方向相互垂直。

可选地，该板料辊压工艺还包括：确定预设的辊压位移参数。

可选地，确定预设的辊压位移参数的方法包括：

获取关于目标板料被施加压力侧的三维成形路径，三维成形路径为关于第一坐标和/或第二坐标和/或第三坐标的函数关系式；

将三维成形路径分别投影至第一平面与第二平面，得到第一函数和第二函数，其中，第一函数是关于第一坐标与第三坐标之间的函数关系式，第二函数是关于第二坐标与第三坐标之间的函数关系式；

分别对第一函数和第二函数关于第三坐标进行一次求导，获得第一导数和第二导数；

根据第一函数、第二函数、第一导数、第二导数以及第三函数，获得辊压位移参数；其中，第三函数是板料沿长度方向的运动位移与时间的关系式。

可选地，预设的辊压位移参数包括第一坐标参数、第二坐标参数、第一角度参数以及第二角度参数；其中，第一坐标参数是关于第一坐标与时间之间的参数，由第一函数与第三函数的构成的方程组求解获得；第一角度参数是关于第一坐标与时间之间的参数，由第一导数与第三函数构成的方程组求解获得；第二坐标参数是关于第二坐标与时间之间的参数，由第二函数与第三函数的构成的方程组求解获得；第二角度参数是关于第二坐标与时间之间的参数，由第二导数与第三函数构成的方程组求解获得。

可选地，按照预设的辊压位移参数对第二区域施加压力为多道次作业。

可选地，按照预设的辊压位移参数对第二区域施加压力为单道次作业，单道次作业包括正顺序作业和倒顺序作业，其中，倒顺序作业的成形路径是正顺序作业的成形路径的逆路径。

相应地，本发明还提供了一种板料辊压装置，包括:

压料模块，用于对第一区域施加压力以使第一区域至少在深度方向产生第一预设形变；

输料模块，承载压料模块，用于带动压料模块以及固定于压料模块的第一区域沿长度方向运动；

至少一组辊压模块，用于在板料沿长度方向运动过程中，按照预设的辊压位移参数对第二区域施加压力以使第二区域在宽度方向和/或深度方向产生第二预设形变；其中，长度方向、宽度方向以及深度方向相互垂直。

可选地，压料模块包括：固定于输料模块上的横梁、动力杆、沿深度方向设置的上模和下模；其中，

上模能够沿深度方向运动至与下模合模以固定第一区域，且对第一区域施加压力以使第一区域至少在深度方向产生第一预设形变；

动力杆固定于横梁，与上模连接，用于驱动上模沿深度方向运动以使上模和下模合模；

下模承载于输料模块上，输料模块用于带动下模以及动力杆沿长度方向运动。

可选地，动力杆朝向上模的一端固定有连接件，上模可拆卸地连接于连接件。

可选地，动力杆与上模的连接方式，和/或，下模与输料模块的连接方式为可拆卸连接。

可选地，辊压模块包括：

动力单元；

第一机械臂，其一端与动力单元连接，另一端固定辊托架；

成形辊，与辊托架连接；

其中，动力单元为第一机械臂提供动力，用于驱动第一机械臂带动成形辊按照预设的辊压位移参数运动，成形辊用于对第二区域施加压力以使第二区域在宽度方向和/或深度方向产生第二预设形变。

可选地，成形辊包括：上辊和下辊，上辊和下辊均连接于辊托架，上辊和下辊之间具有间隙，用于固定第二区域，上辊和下辊按照预设的辊压位移参数对第二区域施加压力。

可选地，该板料辊压装置还包括：控制模块，与辊压模块连接，用于控制辊压模块按照预设的辊压位移参数对第二区域施加压力。

可选地，控制模块与输料模块连接，用于控制输料模块沿长度方向运动。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明提供的板料辊压工艺可以实现高强钢板料在深度方向和宽度方向的形状变化，使零件的几何形状更加灵活以适应汽车轻量化的需求。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的板料辊压工艺的流程图；

图2为本发明一实施例提供的目标板料的形状示意图；

图3为本发明一实施例提供的板料辊压装置的示意图；

图4为本发明一实施例提供的板料辊压装置中压料模块和输料模块的示意图；

图5为图4的侧视图；

图6为本发明一实施例提供的板料辊压装置中辊压模块的示意图；

图7为本发明一实施例提供的板料辊压装置中成型辊的结构示意图一；

图8为本发明一实施例提供的板料辊压装置中成型辊的结构示意图二；

图9为本发明一实施例提供的成形路径与成型辊的位置关系示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意的是，在本说明书中，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实施例的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面将结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例的板料辊压工艺，包括：

步骤S1、对板料的第一区域施加压力以使第一区域至少在深度方向产生第一预设形变。

具体地，对第一区域施加压力以使第一区域得到最终目标形状可以一次作业完成，也可以分为多次作业完成。因此这里所说的第一预设形变既可以是中间某个过程对应的形变，也可以是最终的目标形变，在此不做限制。

步骤S2、对板料的第一区域施加驱动力，使板料沿长度方向运动。

步骤S3、在板料沿长度方向运动过程中，按照预设的辊压位移参数对第二区域施加压力以使第二区域在宽度方向和/或深度方向产生第二预设形变；其中宽度方向、深度方向以及长度方向相互垂直。

具体地，这里所说的板料的第一区域是指板料中间部分，而第二区域则是板料的两侧部分，第一区域与第二区域的形状可以根据所预期得到的目标板料的形状确定。不同于现有技术中利用上下相对设置的辊压轮对板料进行辊压变形并同时带动板料前进，在本实施例中，板料沿长度方向的运动可以借助辊压轮之外的其他设备带动，即板料的运动和辊压是可以通过不同的模块进行的，比如设置输料模块带动板料沿长度方向运动，设置辊压模块对板料的第二区域施加压力以使其产生预设形变，即将板料沿长度方向的运动以及板料被施加压力而产生形变的过程分为两个模块来完成，进而再通过控制辊压模块的辊压位移参数，最终实现被加工板料的截面形状的改变，得到变截面零件。

进一步地，板料辊压工艺还可以包括：

步骤S0，确定预设的辊压位移参数。

该步骤可以在步骤S1之前进行，也可以在步骤S3之前进行，但考虑到便于工艺实施，一般情况下，在步骤S1之前进行步骤S0。

进一步地，步骤S0可以具体包括：

步骤S01、获取关于目标板料的被施加压力侧的三维成形路径，三维成形路径为关于第一坐标和/或第二坐标和/或第三坐标的函数关系式。

具体地，目标板料是指预期得到的待加工板料被辊压成形后的最终板料。上述三维成形路径为目标板料的第一区域与第二区域的分界线所对应的三维路线。可以以目标板料的其中某个点为坐标原点建立三维坐标系，例如，参考形状为图2所示的目标板料，可以以点O为原点，以目标板料的宽度方向为x轴，深度方向为y轴，长度方向为z轴建立三维直角坐标系。考虑到不同目标板料的截面形状不同，因此该三维成形路径既可以是关于第一坐标、第二坐标以及第三坐标的函数关系式，也可以是与其中某两个坐标或者某个坐标的相关的函数关系式。在具体实施时，首先可以根据目标板料的形状建立数学模型，再从该数学模型中提取出被施加压力侧的三维成形路径。其中，第一坐标、第二坐标以及第三坐标可以相应于三维坐标系中的x、y、z坐标。

通常情况下，目标板料的第一区域与第二区域的左右两侧交界处具有两条三维成形路径L1和L2(如图2所示)，针对每条三维成形路径都可以利用相同的方法确定相应的辊压位移参数。值得注意的是，关于与这两条三维成形路径L1和L2相应的辊压位移参数的求解可以在同一个坐标系中计算求取，也可以在不同的坐标系中计算求取。比如，如图2所示，可以在同一个坐标系o-xyz坐标系下进行计算获得L1和L2各自相应的辊压位移参数；也可以以o

步骤S02、将三维成形路径分别投影至第一平面与第二平面，得到第一函数和第二函数，其中，第一函数是关于第一坐标与第三坐标之间的函数关系式，第二函数是关于第二坐标与第三坐标之间的函数关系式。

也就是说，第一平面是由第一坐标与第三坐标构成的平面，而第二平面则是由第二坐标和第三坐标构成的平面，且第一平面与第二平面相互垂直。以第一坐标、第二坐标、第三坐标分别为三维坐标系中的x、y、z为例，三维成形路径为f(x,y,z)＝0，第一平面为xoz平面，第二平面为yoz平面，将三维成形路径f(x,y,z)＝0投影至第一平面，使第二坐标为零，得到第一函数x(z)，即f(x,0,z)＝0，即第一函数只是关于第一坐标和/或第三坐标的函数，与第二坐标无关；相应地，将三维成形路径投影至第二平面，使第一坐标为零，可以得到第二函数y(z)，即f(0,y,z)＝0，第二函数只是关于第二坐标和/或第三坐标的函数，与第一坐标无关。

值得注意的是，成形路径由零件的几何形状决定，其在空间上是一条连续的曲线。在具体实施时，为了能够控制机械臂对板料的辊压成形轨迹，必须将该成形路径进行量化然后再输入控制模块等以便于控制模块通过控制机械臂实现对板料变形的精准辊压。具体地，可以将该连续曲线分别对y-z平面和x-z平面进行投影，这样就将三维空间的曲线分别映射到二维平面上，然后可以分别将在x-z平面和y-z平面的曲线坐标等参数输入给控制模块，控制模块将两个平面的信息进行整合给机械臂发出指令，控制机械臂的动作对板料进行成形。因为位移是矢量，x-z平面和y-z平面位移的和就是三维空间的位移。

步骤S03、分别对第一函数和第二函数关于第三坐标进行一次求导，获得第一导数和第二导数。

如图9所示，成形辊从零件一端运动到另一端为一个成形道次，在成形过程中，成形辊的轴线始终与路径切线垂直。即成形辊运动为直线时，成形辊只用调整坐标位移即可；而在成形弧线时，成形辊不但要做位移的刚性运动，为了适应弧度变化，还必须时刻调整前进的角度θ，即成型辊的偏转角度，具体地，因为第一函数是成型辊的三维成形路径在第一平面上的投影，即第一函数关于第一坐标(以x为例)与第三坐标(以z为例)之间的函数关系式，因此成型辊在yoz平面内的转动(即成型辊绕x轴的转动)可以通过第一函数对第三坐标一次求导获得，即成型辊在yoz平面内的转动角度为x(z)对z求一次导所得的第一导数x'

步骤S04、根据第一函数、第二函数、第一导数、第二导数第三函数，获得辊压位移参数；其中，第三函数是板料沿长度方向的运动位移与时间的关系式。具体的，第三函数的关系式可以为

z＝Vt (0)

其中，z代表板料在长度方向上的位移，V代表板料沿长度方向的运动速度，t代表时间。

进一步地，预设的辊压位移参数可以包括第一坐标参数、第二坐标参数、第一角度参数以及第二角度参数；其中，第一坐标参数和第一角度参数均是关于第一坐标与时间的参数，第一坐标参数可以由第一函数与第三函数的构成的方程组求解获得；而第一角度参数则可以通过第一导数与第三函数构成的方程组求解获得；第二坐标参数和第二角度参数均是关于第二坐标与时间的参数，第二坐标参数可以由第二函数与第三函数的构成的方程组求解获得，而第二角度参数则可以由第二导数与第三函数构成的方程组求解获得。

仍以图2所示的目标板料为例，假如其左侧的三维成形路径L1的函数式为

其右侧的三维成形路径L2的函数式为

x

例如取板料沿长度方向运动的速度为1，则第三函数为z＝t (0-1)

将L1分别投影至xoz平面，得到第一函数：

x＝0 (3)

将L1分别投影至yoz平面，得到第二函数：

分别对第一函数和第二函数关于第三坐标求一次导，即分别对式(3)和式(4)关于z求一次导数，得，第一导数：

x’＝0 (3-1)

第二导数：

2z·z'+y’·z'-2＝0(0≤z≤9)，y’＝0(z≥9) (4-1)

将第一函数、第二函数、第一导数、第二导数以及第三函数联立构成方程组，当0≤z≤9时，方程组为：

当z≥9时，方程组为：

求解上述方程组，解得，第一坐标参数为x

同理，按照同样的思路可以求得右边三维成形路径L2相应的第一坐标参数为

这样，根据时间的变化，可以得到左右两侧相应各个点的坐标值以及成型辊的转动角度，即可以实现在相应的时间点对第二区域左右两侧相应的位置施加压力是指产生相应形变，从而得到变截面的目标板料。

进一步地，按照预设的辊压位移参数对第二区域施加压力可以为多道次作业，也可以为单道次作业。其中多道次作业是指沿板料运动的长度方向设置相同的加工工艺，每道加工工艺均对板料的第二区域进行施压形变，已达到最终的目标形变，这多道次作业的辊压位移参数除开始的时间上略有差异之外，其余的大致相同，具体的，相邻两道次作业中，下一道次作业的开始时间与上一道次作业的结束时间的时间差为两道次之间的距离与板料沿长度方向运动速度的比值。可选地，单道次作业包括正顺序作业和倒顺序作业，当按照预设的辊压位移参数对第二区域施加压力为单道次作业时，倒顺序作业的成形路径是正顺序作业的成形路径的逆路径。

值得注意的是，本辊压工艺的关键是需要满足板料沿长度方向的运动速度和每道次辊压中的辊压位移相匹配，才能实现零件的精确成形。首先可以利用压料模块对第一区域施加压力将其压住，并将压住的第一区域固定成零件在深度方向的轮廓，然后可以利用成形辊对板料的第二区域两边逐次进行向上弯曲，直到成形出零件的形状，成形辊与第二区域件的相对轨迹就是上下模的边缘线。从相对运动来看，假设压料模块压住的板料的第一区域是不动的(实际是匀速前进的)，那么每一道次成形辊成形的轨迹在空间上都要与边缘线一致，成形辊必须按照零件底面边缘的轮廓线作为前进路径相对板料进行运动，包括位置的变化和角度的变化。

本发明提供的板料辊压工艺，是通过多道次的横向弯曲使材料弯曲到零件的形状。其与传统的辊压工艺不同，在传统的辊压工艺中成形辊是不动的，而本发明中的板料辊压工艺的成形辊可以在任一成形道次时沿着零件的形状进行移动，从而实现变截面零件辊压成形的目的。

即本发明提供的板料辊压工艺可以实现高强金属材质零件在深度方向和宽度方向的形变变化，使零件的几何形状更加灵活，满足了汽车轻量化的需求。

相应地，如图3所示，本发明实施例还提供了一种板料辊压装置，包括：

压料模块1，用于固定板料的第一区域，并对第一区域施加压力以使第一区域至少在深度方向(图3中Y方向所示)产生第一预设形变；

输料模块2，承载压料模块1，用于带动压料模块1以及固定于压料模块1的第一区域沿长度方向(图3中Z方向所示)运动；

至少一组辊压模块4，用于在板料沿长度方向运动过程中，按照预设的辊压位移参数对第二区域施加压力以使第二区域在宽度方向(图5中X方向所示)和/或深度方向产生第二预设形变；其中，长度方向、宽度方向以及深度方向相互垂直。

具体地，压料模块1和输料模块2可以设置在一个机架上，输料模块2托着压料模块1沿长度方向运动；该板料辊压装置还可以包括沿长度方向延伸设置的轨槽，输料模块2在轨槽上运动。每组辊压模块4中辊压模块的数量可以为两个，分布在轨槽的两旁，左右两边为一组，工作时称为一个成形道次，可以根据需要设置多组辊压模块4，等距离设置在轨槽两边。

可选地，如图4和图5所示，压料模块1可以包括横梁13、动力杆14、上模11和下模12。横梁13固定于输料模块2上，进一步，横梁13可以承载于输料模块2的中部位置；动力杆14固定于横梁13，且动力杆14与上模11连接，用于驱动上模11沿深度方向运动以使上模11和下模12合模；上模11和下模12沿深度方向设置，且上模11能够沿深度方向运动以使上模11与下模12合模从而固定第一区域，且对第一区域施加压力以使第一区域至少在深度方向产生第一预设形变；下模12承载于输料模块2上，输料模块2可以带动下模12、动力杆14以及与动力杆14连接的上模11还有固定于上模11和下模12之间的板料沿长度方向运动。可选地，上模11可拆卸地连接在动力杆14上，和/或，下模12可拆卸地连接于输料模块2上，这样便于生产过程中上、下模的清理以及替换。

输料模块2包括与压料模块1一体的输送车以及作为轨道的丝杠22和轨槽。输送车套设于丝杠22上，由电机21驱动，在丝杠22上移动，输送车下部有小轮，可以在轨槽里滚动，轨槽起辅助的支撑和导向的作用。

具体地，输料模块2和压料模块1可以形成为一个整体，输料模块2托着压料模块1以丝杠22为轴运动。压料模块1中的动力杆14可以为液压杆，沿长度方向排列设置，液压杆承载着上模11，当上、下模合模时，由液压杆为上模11提供合模压力，从而可以实现零件至少在深度方向的变截面成形。在具体实施时，上模11和下模12的模面按照所需成形零件设计，上、下模具可以自由在模块上装卸，这样当进行不同变截面的零件成形时，只需要替换掉原来的上、下模即可，其余模块可以继续利用，提高了装置的适用性，在一定程度上节约了成本。并且上模11和下模12采用拆卸连接，替换时操作简便，进一步提高了工作效率。可选地，为了更方便的对上模11进行拆卸，动力杆14朝向上模11的一端还可以固定有连接件，上模11可拆卸地连接于连接件上。

参考图6，辊压模块4可以包括动力单元41、第一机械臂42、成形辊43以及辊托架44。动力单元41为第一机械臂42提供动力；第一机械臂42的一端与动力单元41连接，其另一端固定辊托架44；成形辊43与辊托架44连接。其中，动力单元41用于驱动第一机械臂42带动成形辊43按照预设的辊压位移参数运动，成形辊43用于在第一机械臂42的带动下对第二区域施加压力以使第二区域在宽度方向和/或深度方向产生第二预设形变。可选地，该辊压模块4还可以包括固定于地面的底座，动力单元41可以设置于底座上。

具体地，辊托架44可以起到支撑成形辊43的作用，通过螺栓将成形辊43固定在辊托架44上，可以便于实现不同结构的成形辊43的装配。这里的第一机械臂42可以多组液压杆组成，通过液压杆的伸缩来实现第一机械臂的动作，具体地，第一机械臂42具有5个方向的自由度，分别为两个线位移(x轴，y轴)和三个旋转位移(x轴旋转，y轴旋转，z轴旋转)，并且这5种分位移可以实时组合以实现复杂的位移动作。动力单元41可以为液压杆提供动力，来实现第一机械臂42的运动。

在具体实施时，辊压模块4中的成形辊43和传统辊压类似，通过用自转成形辊的边缘区接触板料来实现板料的横向弯曲，成形辊43的结构可以根据所需零件的形状设计不同的结构。比如，成形辊43可以为图7所示的结构，包括上辊431和下辊432，其中，上辊431和下辊432均连接于辊托架44，上辊431和下辊432之间具有间隙，用于固定第二区域，上辊431和下辊432可以在第一机械臂42的带动下按照预设的辊压位移参数对第二区域施加压力。或者，成形辊43还可以为如图8所示的结构，成形辊43为单个圆柱形棍，在第一机械臂42带动下利用其边缘按照预设的辊压位移参数对第二区域施加压力。

可选地，参考图3，该板料辊压装置还可以包括控制模块5，与辊压模块4连接，用于控制辊压模块4按照预设的辊压位移参数对第二区域施加压力。具体地，为了能够控制辊压模块4中第一机械臂42对板料的辊压成形轨迹，必须将先该成形路径进行量化(即将三维成形路径变为二维的辊压位移参数)然后才能通过控制模块5进行路线控制，这样便于控制模块5通过控制第一机械臂42实现对板料变形的精准辊压。即控制模块5内存储有辊压位移参数，控制模块5将两个二维平面的辊压位移参数信息进行整合然后给第一机械臂42发出指令，控制第一机械臂42的动作以对板料进行成形作业。

进一步地，该控制模块5还可以与输料模块2连接，用于控制输料模块2的运动。

具体地，控制模块5可以控制各个模块的运动，通过编程统一调度，包括驱动上模11的动力杆14运动、输送模块2的输送车的运动和辊压模块4在五个自由度的运动，控制模块能在统一时序的条件下进行控制。值得注意的是，第一、第二机械臂的动作必须和输送模块2的动作匹配，即必须在统一时间轴上进行控制，才能实现控制模块5对各个模块的协调控制。其中，关于板料成形路径和输送模块前进信号的处理可以具体为：将三维成形路径曲线分别投影到x-z平面和y-z平面，得到该曲线在x-z平面和y-z平面的分量，即得到x和y关于z轴的函数，表示为x(z)和y(z)函数，同时板料在长度方向的速度(即沿z轴的速度)通过控制模块5进行输入，其控制参数为输料模块2在长度方向位移(即板料沿z轴位移)与时间t的函数，即z(t)，板料的输送速度一般为定值V，因此z(t)函数为线性，表示为z(t)＝Vt。将x(z)、y(z)、x'

本发明提供的板料辊压装置，继承了传统辊压成形的优点，能够成形的金属强度高且对设备的吨位要求不高，并且可以根据实际情况灵活的安排辊压模块的数量。由于输料模块能够沿长度方向往复运动，因此即使是一套辊压模块也可以实现多道次的辊压成形，当然为了提高生产效率，也可以配置多套辊压模块进行流水线作业。另外，本装置模具的适用性很强，一套成形辊模具可以成形多种几何形状的零件，不用频繁的更换成形辊，也不用像冲压那样一个零件配备一套模具，降低了生产设备的成本。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。