CN100381221C - 基于粘性介质传力的板料无模多点成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于粘性介质传力的板料无模多点成形装置及方法，由凹模和凹模底板构成下型腔，凹模底部设粘性介质流动的排放孔，其通过凹模底板内的通道与油缸连通；固定加压机构由上模板，电机及安装件，凸模固定板和与丝杆及伸缩套连接的冲压头构成；压边圈与凸模固定板、伸缩套和冲压头共同形成上模腔；板材压紧机构由凹模上沿和压边圈构成。本发明采用粘性介质成形，传力均匀，避免出现象硬模冲压工艺的损伤。不用模具成形，节省了模具设计、制造、调试和保存所需费用，显著地缩短产品生产周期，降低生产成本，提高产品的竞争力。而且产品质量好，厚度均匀，避免由硬模产生的表面裂纹，工件表面质量能得到很好的保证；易于实现自动。

Description

基于粘性介质传力的板料无模多点成形装置及方法

技术领域

本发明属于板料成形技术，尤其涉及板料的软模或无模柔性成形方法，具体涉及一种基于粘性介质传力的板料无模多点成形装置及方法。

背景技术

板材成形技术广泛地应用在汽车、电器、船舶、航空航天、兵器等国民经济部门。随着计算机技术飞速发展和地球环境的变化，传统的制造技术受到挑战，如何低成本、快速而高质量地加工出满足市场需求的产品决定着在国际经济竞争中的成败。为此，板材加工领域中适应市场变化性强的柔性加工技术以及对冲压加工过程进行实时控制以期达到最佳成形效果的智能化加工技术倍受注目。随着现代工业的发展，对板材件几何形状、尺寸精度、表面质量提出了新的要求，特别是在航空、航天等军工领域。由于这些领域的特殊性，工件形状的复杂程度更高，对表面质量、精度要求更严，同时越来越多的高强度难加工材料也开始大批应用，传统的板料成形技术已不能满足这些要求，必须发展新的先进的板材冲压技术。

在冲压生产中，各种三维板类件的曲面造型通常都离不开模具，而且每一个零部件的曲面造型都需要一套或数套模具。为了设计、制造与调试这些模具，需消耗大量的人力、物力与时间。尤其在多品种、小批量的大型板类件生产中，往往受到费用与时间的限制，至今不得不采用落后的手工成形生产方式。随着科学技术与生活水平的逐步提高，工业制品的品种越来越多，产品的更新换代越来越快，对模具的需求在急剧增加，同时也迫切需要出现新的生产方式。如中国专利99800087.6“板材无模成形装置”公开了一种由底座、固定加压机构，板材夹持和压紧机构的工具组，多个数控型驱动装置等组成的板材无模成型的装置，其在整体一上能沿着三根轴线方向移动，具有平面形状与要成形的制品的底面轮廓一致的、位置固定的顶板模具。其采用硬模传力，难以发挥材料的最大成形极限，存在表面容易产生裂纹，工件表面质量得不到的保证的问题。中国专利00115996.8“板材数控无模成型加工机”公开了一种由框架式机身、工作平台、板材夹持支撑机构、双丝杠驱动传动系统等组成的装置，为铣削加工或切割成型技术，其不能对板材进行变形加工。

针对以上问题，国内外开展了如下方面的研究：

1.充液拉深。充液拉深方法指凸模将毛坯直接拉入充满液体的液压室兼凹模的型腔内，此时由于产生与凸模运动方向相反的对向液压而使毛坯成形为预期形状的一种冲压方法。充液拉深技术由于具有摩擦保持效果、流体润滑效果、形成软拉深筋等特点，从而有效地预防了板料在拉深过程中产生断裂及起皱等缺陷。具有提高板料的成形极限，凹模制作简单及成形件壁厚分布均匀等优点，因此在很多领域有广泛的应用。

虽然充液拉深具有很多优点，但也存在一些困难，首先需有装在模具之外的控液系统；其次需根据板料强度及零件的复杂程度来控制油压，而油压由于泄漏等问题较难控制，当成形失败时，油液飞溅，污染环境，危及操作人员；此外，零件表面粘附的油液使操作不便或需增加去油工序。

2.橡胶软模成形。以固态弹性体作为传力介质的板料成形工艺出现于1930年后期，使用橡胶和聚氮醋这类固态弹性体作为传力介质的软膜成形工艺与传统刚模成形工艺相比，具有一些明显的优点。如无需制造一对配合的凸凹模，而只需制造一个凸模或凹模；传力介质可以反复利用来成形各种不同的零件；工作表面不会划伤等。但该工艺也有明显的不足，由于弹性体传力介质自身的变形程度限制了形状复杂零件的成形及深拉延，而且由于弹性体自身的弹性变形较大而难以使板料高精度按凹模的形状成形，即贴模性差，当变形程度较大时，板料容易起皱或破裂。

3.粘介质成形。在粘性压力成形工艺中采用半固态的粘性物质作为传力介质，该介质粘度很大，具有很强的渗透力，有油感，不粘附，不干枯，弹性极好，高压时自身体积压缩明显，并且对拉伸应变速率非常敏感。在板料两面通过介质同时施加正压或背压，可以在模具型腔中形成非等静压场，进而在板料表面不同区域产生不同的压力分布。通过调节模具型腔中压力分布，可以对成形中材料的流动、储备和变薄进行有效地控制，十分有利于复杂形状零件的成形。

4.多点成形。多点成形属于板材曲面无模成形范畴，它借助一系列规则排列的、离散的、高度可调的基本体构成基本体群，通过对各基本体运动的实时控制，自由地构造出成形面，实现板材的三维曲面成形。无模多点成形就是将计算机技术和多点成形技术相结合的柔性加工技术，它使传统的板材冲压成形的生产方式产生重大变革。但这种工艺缺陷是压痕与皱纹。采用弹性垫后可在一定程度抑制缺陷的产生，但不能最终消除。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种增加成形过程的柔性，真正做到成形过程中的“无模化”，避免板材表面产生裂纹，保证工件表面质量的基于粘性介质传力的板料无模多点成形装置。

本发明的另一个目的是提供一种基于粘性介质传力的板料无模多点成形方法。

本发明的目的是这样实现的：一种基于粘性介质传力的板料无模多点成形装置，包括：一底座，一固定加压机构和一板材压紧机构；其特征在于：底座上依次设有油缸、凹模底板和凹模；凹模和凹模底板构成下型腔，凹模底部设粘性介质流动的排放孔，其通过凹模底板内的通道与油缸连通；固定加压机构由压力机、上模板、电机支架、电机、轴承、凸模固定板、与丝杆及伸缩套连接的冲压头构成；压边圈与凸模固定板、伸缩套和冲压头共同形成上模腔；上模板、底座分别用压板固定在压力机构的上工作台板、下工作台板上；板材压紧机构由凹模上沿和压边圈构成；所述上模腔和下型腔内有可流动的粘性介质；所述电机通过控制卡与计算机系统连接。

所述粘性介质为醇酸树脂或丙烯酸乳液，粘度根据需要配制。

所述油缸底部和上控制油缸均设有电液比例溢流阀；油缸中容纳有液压油并用活塞密封，通过电液比例溢流阀精确控制凹模底板上介质排出出口处压力。

所述调位丝杆与伸缩套相连，伸缩套装在凸模固定板中，调位丝杆通过轴承装载在保持架内并与电机相连由电机控制。

一种基于粘性介质传力的板料无模多点成形方法，其步骤如下：

1)首先将上模板用压板固定在压力机上工作台板，底座用压板固定在压力机下工作台板；

2)将产品材料、板料形状、成形产品等参数输入计算机，计算机根据有限元分析结果将成形工艺中间形状离散为n步，并求出这n次中间工序的产品形状，并根据需要调节电液比例溢流阀的压力；

3)在凹模中注入粘性介质，压力机通过上模板带动上模腔下行，利用压力油缸带动压边圈夹持住板料，利用压边圈上的注入孔向上模腔注入粘性介质并封住入口；

4)微机根据离散的结果通过控制卡逐步控制步进电机带动调位丝杆旋转，伸缩套在垂直方向伸长，其带动冲压头在空间的运动形成成形工艺的中间形状。

电机带动上膜腔以有利于成形的变化的形状不断下行，利用板料两边粘性介质的推动使板料金属流动产生变形，粘性介质通过排放孔流向下控制油缸和上控制油缸；接近成形结束，冲压头顶点组合成产品的最终形状，并与板料处于贴合状态，粘性介质将空隙处填平，板料成形为最终需要的产品形状。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

①不用模具成形。取代了传统的整体模具，节省了模具设计、制造、调试和保存所需费用，真正做到无模成形，显著地缩短产品生产周期，降低生产成本，提高产品的竞争力。

②改善钣金成形条件，随意改变板材的变形路径和受力状态，提高材料成形能力，实现难加工材料的塑性变形，提高材料的成形极限，扩大钣金加工范围。

③产品质量好，厚度均匀，避免由硬模产生的表面裂纹，工件表面质量能得到很好的保证。采用粘性介质成形，传力均匀，避免出现象硬模冲压工艺的损伤。粘弹性介质的特点是可以控制在不同的变形区域根据不同的需要提供不同的变形力，由于可以选用不同粘度的介质，可以在零件表面产生不同的压力区域或者在板料两面同时施加正压和反压甚至负压，因此通过调节压力分布就可对成形中材料的流动实现有效控制，从而达到储料和控制材料变薄的目的，产品厚度均匀、质量高。而且由于张力远远大于普通流体，避免泄漏问题。

④易于实现自动化。曲面造型、压力机控制、工件测试等整个过程，全部采用计算机技术，实现了CAD/CAM/CAE一体化生产。

附图说明

图1是发明装置结构示意图；

图2是成形流程方框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

参见图1所示，一种基于粘性介质传力的板料无模多点成形装置，由底座1、下控制油缸3、电液比例溢流阀2、凹模底板7、凹模9、压边圈11、压边油缸12、上模板13、电机支架14、步进电机15，轴承16、支撑架17、调位丝杆18、凸模固定板19、伸缩套20、冲压头21、上控制油缸22等组件构成，板料10压在凹模9和压边圈11之间，凹模9和凹模底板7构成下型腔，容纳粘性介质6并提供背压力；成形过程中介质通过凹模底板上排放孔排出；(塞子8为堵住加工孔防止介质6从两边排出所设)，排放孔连接下控制油缸3，下控制油缸3装在底座1和凹模底板7之间，油缸中容纳有液压油4并用活塞5密封，通过电液比例溢流阀2可精确控制凹模底板7上介质排出出口出压力。压边圈11与凸模固定板19、伸缩套20，冲压头21共同形成上模腔，调位丝杆18与伸缩套20相连，伸缩套20装载在凸模固定板19中，调位丝杆18通过轴承16装载在保持架17内并与步进电机15相连由步进电机15控制，步进电机15放置在电机支架14上。上控制油缸22装在压边圈11内提供背压力，油缸中容纳有液压油4并用活塞5密封，通过电液比例溢流阀2可精确控制介质排出出口出压力。压力油缸12可以控制压边力并对粘性介质进行密封。步进电机15通过控制卡与计算机系统连接。

参见图2是成形工艺的方框流程图，图中实线表示流程，虚线表示硬件的连接关系，特别是计算机控制系统和整个流程的关系。

一种基于粘性介质传力的板料无模多点成形方法，其步骤如下：

1.首先将上模板13用压板固定在压力机上工作台板，底座1用压板固定在压力机下工作台板；

2.将产品材料、板料形状、成形产品等参数输入微机，微机根据有限元分析结果将成形工艺中间形状离散为n步，并求出这n次中间工序的产品形状，并根据需要调节电液比例溢流阀2的压力；

3.在凹模9中注入粘性介质6，压力机通过上模板13带动上模腔下行，利用压力油缸12带动压边圈11夹持住板料10，利用压边圈11上的注入孔向上模腔注入粘性介质6并封住入口；

4.微机根据离散的结果通过控制卡逐步控制步进电机15带动调位丝杆18旋转，伸缩套20由于凸模的限制失去旋转自由度，只能在垂直方向伸长，其带动冲压头21在空间的运动形成成形工艺的中间形状；

5.随着步进电机15的转动，上膜腔以有利于成形的变化的形状不断下行，利用板料10两边粘性介质6的推动使板料10金属流动产生不断变形，粘性介质6通过排放孔流向下控制油缸3和上控制油缸22；

6.接近成形结束，冲压头21顶点组合成产品的最终形状，并与板料处于贴合状态，粘性介质将空隙处填平，板料10成形为最终需要的产品形状。

本发明采用粘性介质成形，传力均匀，避免出现象硬模冲压工艺的损伤。粘弹性介质的特点是可以控制在不同的变形区域根据不同的需要提供不同的变形力，由于可以选用不同粘度的介质，可以在零件表面产生不同的压力区域或者在板料两面同时施加正压和反压甚至负压，因此通过调节压力分布就可对成形中材料的流动实现有效控制，从而达到储料和控制材料变薄的目的，产品厚度均匀、质量高。而且由于张力远远大于普通流体，避免泄漏问题。

Claims (6)

1.一种基于粘性介质传力的板料无模多点成形装置，包括：一底座(1)，一固定加压机构和一板材压紧机构；其特征在于：

底座(1)上依次设有油缸(3)、凹模底板(7)和凹模(9)；凹模(9)和凹模底板(7)构成下型腔，凹模(9)底部设粘性介质流动的排放孔，其通过凹模底板(7)内的通道与油缸(3)连通；

固定加压机构由压力机、上模板(13)、步进电机(15)、电机支架(14)、轴承(16)、凸模固定板(19)、与调位丝杆(18)及伸缩套连接的冲压头(21)构成；压边圈(11)与凸模固定板(19)、伸缩套(20)和冲压头(21)共同形成上模腔；

上模板(13)、底座(1)分别用压板固定在压力机的上工作台板、下工作台板上；

板材压紧机构由凹模(9)上沿和压边圈(11)构成；

所述上模腔和下型腔内有可流动的粘性介质；

所述步进电机(15)通过控制卡与计算机系统连接。

2.根据权利要求1所述的无模多点成形装置，其特征在于所述粘性介质为醇酸树脂或丙烯酸乳液。

3.根据权利要求1或2所述的无模多点成形装置，其特征在于所述油缸(3)底部和上控制油缸均设有电液比例溢流阀(2)；油缸(3)中容纳有液压油(4)并用活塞(5)密封，通过电液比例溢流阀(2)精确控制凹模底板(7)上介质排出出口处压力。

4.根据权利要求1或2所述的无模多点成形装置，其特征在于所述调位丝杆(18)与伸缩套(20)相连，伸缩套(20)装在凸模固定板(19)中，调位丝杆(18)通过轴承(16)装载在保持架(17)内并与步进电机(15)相连由步进电机(15)控制。

5.一种基于粘性介质传力的板料无模多点成形方法，其步骤如下：

1)首先将上模板(13)用压板固定在压力机上工作台板，底座(1)用压板固定在压力机下工作台板；

2)将产品材料、板料形状、成形产品参数输入计算机，计算机根据有限元分析结果将成形工艺中间形状离散为n步，并求出这n次中间工序的产品形状，并根据需要调节电液比例溢流阀(2)的压力；

3)在凹模(9)中注入粘性介质(6)，压力机通过上模板(13)带动上模腔下行，利用压力油缸(12)带动压边圈(11)夹持住板料(10)，利用压边圈(11)上的注入孔向上模腔注入粘性介质(6)并封住入口；

4)微机根据离散的结果通过控制卡逐步控制步进电机(15)带动调位丝杆(18)旋转，伸缩套(20)在垂直方向伸长，其带动冲压头(21)在空间的运动形成成形工艺的中间形状。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

步进电机(15)带动上膜腔以有利于成形的变化的形状不断下行，利用板料(10)两边粘性介质(6)的推动使板料(10)金属流动产生变形，粘性介质(6)通过排放孔流向下控制油缸(3)和上控制油缸(22)；接近成形结束，冲压头(21)顶点组合成产品的最终形状，并与板料处于贴合状态，粘性介质将空隙处填平，板料(10)成形为最终需要的产品形状。

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