CN101306451A - 压力可调控板材渐进成形压头及其成形装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压力可调控板材渐进成形压头，它包括成形压头筒体，在所述呈筒状的成形压头筒体的上端固定安装有成形电机；成形压头筒体的下端通过球头座活动地装有成形球头，该成形球头具有伸出成形压头筒体下端的外伸球冠部；在所述成形压头筒体的内腔里从上到下依次装有由丝杠和螺母组成的传动副及压力传感器，该压力传感器位于上垫板和下垫板之间；丝杠与成形电机输出轴相连接，螺母支承于上垫板上；在下垫板和球头座之间支承有球头弹簧。本发明依据“分层制造”原理，通过分层面渐进成形制成所需形状的薄壳件，具有加工精度高表面质量优，成形准确稳定，压力可调节控制等特点，广泛适用各类复杂曲面形状及小批量、试制钣金件的成形加工。
Description
技术领域
本发明涉及金属板材的成形加工，尤其涉及用于加工各种具有复杂曲面形状，如汽车、航空飞行器等壳体及其钣金件的成形设备。
背景技术
据统计全世界的钢材中，有60％-70％的是板材，其中大部分是经过冲压成形而被制成成品的。事实上，在现代制造业中，不管是汽车车身、航空飞行器壳体，还是各种仪器仪表、办公机械，以至家用电器和生活器皿等产品中，都存在大量的冲压成型件。目前这些具有各种曲面形状的板材成形件，大多是靠压力机和模具对板材、带材或型材等施加压力，使之产生塑性变形而获得所需形状和尺寸的成形钣金件。这种现有的冲压成型加工方法虽具有省工、省料、生产效率高和冲压力便于控制的优点，但也存在着一些不足：首先是模具制造成本高、制作周期长，因此仅适用于大规模批量生产，而对小批量或试制件就显得十分不经济，尤其对新产品的研制和开发十分不利；其次是这种冲压成型的加工范围也受到一定的限制，现代的汽车制造业、航空航天业等领域的钣金件正朝着结构日益复杂、精度日益提高、分块尺寸增大、相关联的零部件增多，使得模具的制作难度日趋加大，以至难以制成高精度的理想模具；再者对于具有圆柱冲压头的冲压设备，由于冲压作用力总是垂直向下的，这对于工件曲面或倾斜面来说，冲压头必然产生一沿冲压点切向的切向分力，这一切向分力又必然产生对工件的切向撕拉，而出现工件的拉破和起皱；同时这种冲压成形方法，其工件曲率半径受到冲压头半径的限制，否则会直接影响工件的形状和尺寸精度。
为此，人们开发出一种利用通电线圈产生电磁力的电磁成形工艺，该工艺装备在数微秒内建立起磁场，使金属工件尤其是导电率强的材质感生出电流，磁场与感生电流及其感生磁场相互间产生巨大的作用力，当冲击压力值达到工件材料的屈服强度时，工件将产生塑性变形。电磁成形技术是一种非接触成形工艺，它具有成形模具简单、设备通用性强、便于实现自动控制的优点。中国专利“多功能数控成型加工机”专利号00230779.0及“板材动圈电磁渐进成形装置”专利号200620095508.5，均公开了这种应用电磁成形原理的成形设备。但这类成形方法仍存在如下缺点：一是成形压力作用不稳定，成形压力受电磁压头与工件间隙变化的影响十分明显，间隙的增大会导致冲压力骤减，从而使被加工件并不能准确地形成所需的曲面形状；同时线圈平面还必须平行于工件，否则同样会形成压力不稳而难以得到所需的工件形状；二是成形压力不易调节控制，电磁压力的冲压力方向是在冲压作用位置一定范围内呈发散状的，这种发散状的冲压力还难以通过计算机的控制而实现跟随性调节，不利于对被加工工件的定量精确成形。另外，电磁压头的冲压力还与被加工材料的导电率相关联，使这种电磁成形工艺的适用范围受到限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种压力可调控板材渐进成形压头，它不仅适用于各种复杂曲面工件的成形加工，加工精度和表面质量优，而且准确定量成形，压力可调节控制。此外，本发明另一个要解决的技术问题是还要提供一种具有该渐进成形压头的成形装置。
为了解决上述技术问题，本发明的压力可调控板材渐进成形压头，包括成形压头筒体，在所述呈筒状的成形压头筒体的上端固定安装有成形电机；成形压头筒体的下端通过球头座活动地装有成形球头，该成形球头具有伸出成形压头筒体下端的外伸球冠部；在所述成形压头筒体的内腔里从上到下依次装有由丝杠和螺母组成的传动副及压力传感器，该压力传感器位上垫板和下垫板之间；丝杠与成形电机输出轴相连接，螺母支承于上垫板上；在下垫板和球头座之间支承有球头弹簧。
采用上述技术方案后，由于将成形球头活动地安装于成形压头筒体的下端，成形压头是通过活动成形球头对板材进行施压成形的，这样一方面可以将复杂的曲面形状沿高度方向离散成若干断面层，即分解成一系列的等高线层，成形压头在计算机控制下沿等高线层面上的加工轨迹运动，以此逐层面地对板材进行渐进地塑性加工，即通过成形压头施行许多有顺序的局部塑性成形累积成预定大变形的方法，把板材渐进地加工成与三维数字模型形状相同的薄壳工件，这不仅满足了各种复杂曲面形状的加工，而且适用于小批量或试制件的成形加工；另一方面活动的成形球头，还有效地消除了成形施压过程中，成形压头在施压点所产生的切向分力，而仅对工件施以一产生有效塑性变形的分力，避免了因施压切向分力所引起的工件起皱和拉破。又由于成形球头通过球头座支承于球头弹簧上，当工件加工面与成形压头中心线间的夹角变化及加工过程中振动等原因，而引起成形施压力变化时，球头弹簧的通过其储能和吸震作用，达到稳定成形球头施压力、产生近似于静压力的成形施压，有利于提高加工件的尺寸精度和表面质量，可以成形其他现有技术所无法成形的工件。还由于在成形筒体的筒腔里装有压力传感器，压力传感器能够准确感知成形球头的施压作用力，通过计算机的控制作用，及时调整和控制成形球头作用力，这样既能依据复杂曲面形状的变化、各部分延伸率的不同，而调整成形压力的大小，克服因压力大小和方向不可调控容易引起的金属板材成形件起皱、破裂现象，同时也更有利于整个成形加工过程中的计算机数字控制管理，实现成形加工的精确控制和自动化管理。渐进成形压头的成形施力采用成形电机驱动的丝杠螺母副，不仅能在计算机控制下，通过成形电机精确施压和准确定位自锁，而且具有结构简单施压平稳无冲击的特点。
本发明的一种优选实施方式，所述成形球头的半径r与工件最小曲率半径R之比r/R＝0.4-0.8。当被加工件具有复杂曲面形状时，将成形球头半径严格控制在与工件曲率半径相关的比值范围内，更利于对复杂曲面进行局部细微成形，实现精确定量成形，成形精度高，避免成形球头尺寸与工件局部尺寸的干涉。
本发明的又一种优选实施方式，所述成形球头半径r＝5mm-10mm。当被加工件为平直件时，控制成形球头尺寸，有利于提高成形球头在成形施压的压强，减小施压力，提高成形精准度。
本发明的再一种优选实施方式，所述成形球头通过滚珠可转动地置于球头座上。该结构将成形球头与球头座的滑动摩擦变为滚动摩擦，提高了成形球头的灵活性，更能有效地避免施压加工中施压切向分力的出现。
另外，本发明还提供了一种压力可调控板材渐进成形装置，该成形装置包括可实现三维运动的机架，在所述机架上安装有本发明的压力可调控板材渐进成形压头。
本发明又提供了一种压力可调控板材渐进成形装置，该成形装置包括固定机架，在所述固定机架上安装有本发明的压力可调控板材渐进成形压头。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明；
图1是本发明压力可调控板材渐进成形压头的结构示意图。
图中标号：1-成形球头，2-滚珠，3-球头座，4-球头弹簧，5-下垫板，6-压力传感器，7-上垫板，8-连接筒，9-成形压头筒体，10-螺母，11-丝杠，12-联轴器，13-成形电机，14-电机座，15-计算机控制器。
具体实施方式
如图1所示的压力可调控板材渐进成形压头，呈筒状结构的成形压头筒体9内具有阶梯形内腔，在成形压头筒体9的上端固定连接有电机座14，成形电机13固定安装于电机座14内，成形电机13为伺服电机或步进电机。在成形压头筒体9的下端空腔内通过球头座3装有成形球头1，在成形球头1与球头座3之间支承有若干滚珠2，使得成形球头1能在球头座3及成形压头筒体9的下端空腔内转动，成形球头1的外侧球冠部伸出成形压头筒体1的下端腔壁。
在成形压头筒体9的内腔内从上至下依次装有由丝杠11和螺母10组成的传动副，以及压力传感器6，压力传感器6的上、下两侧分别垫有上垫板7和下垫板5，在下垫板5和球头座3之间支承有球头弹簧4，该球头弹簧4采用圆柱螺旋弹簧结构。丝杠螺母传动副中的丝杠11通过联轴器12与成形电机13的输出轴直接连接，联轴器12为刚性联轴器，当然也可以采用其他常用联轴器；螺母10为一具有与丝杠11相配合螺孔的板状螺母，该螺母10通过连接筒8固定安装于上垫板7上，同样呈筒状结构的连接筒8位于该渐进成形压头的中心线位置，其中心位置具有空腔。丝杠11的下端伸入该连接筒8的空腔内，该空腔的长度足以保证螺母10沿轴向移动。压力传感器6采用电阻应变式压力传感器，该压力传感器6还可以是压阻式或电感式压力传感器及其其他相应结构形式的压力传感器。
成形球头1的球体半径与加工件的曲面形状具有关联性。当被加工件包括有复杂的曲面形状，在该复杂曲面形状中其最小的曲率半径为R，则成形球头1半径r与所述工件最小曲率半径R之比r/R应当选择0.4-0.8之间，通过对大量实验数据的分析选择，当r/R＝0.4-0.8时，渐进成形压头具有较为理想的加工性能，其被加工件也具有较高的尺寸精度和表面质量。当被加工件仅具有平直面，则成形球头1的球头半径r应选择在5mn-10mn之间更为合适。
渐进成形压头在计算机控制器15的控制下工作，渐进成形压头中的成形电机13和压力传感器6均与计算机控制器15相互电连接。工作时，将拟加工件根据三维模型切片分层而形成沿高度方向具有许多断面层的数字模型，如设定层间距为Δh，以被加工件最顶端为零点来控制成形电机13的转动量，成形电机13能过丝杠螺母副下压成形球头11，使成形球头1下方的板材压下一个高度为Δh的凹坑，随后成形球头1沿该层等高轮廓线移动，完成所设定的第一等高层面上的加工轨迹的成形加工，直到成形球头1按该层等高线走完一圈到起点。接着成形球头1再次下压，使板材被压下第二个高度仍为Δh的高度并重复上述过程，以此类推，直至完成全部层面的成形。在此过程中，压力传感器6将渐进成形压头的施压大小等信息传递给计算机控制器15，计算机控制器15控制成形电机13，成形电机13驱动丝杠螺母副实行施力的调整。
在一种具有上述压力可调控板材渐进成形压头的渐进成形装置中，该渐进成形压头固定安装于常见的三轴数控成形系统的机架上，如三轴联动的立铣加工机床上，该机架可实现三维运动，机架的三维运动同样受到计算机控制器的控制，以使渐进成形压头随机架完成X、Y、Z三个方向的移动。被加工件则固定于固定工作台上。
在另一种具有压力可调控板材渐进成形压头的渐进成形装置中，该渐进成形压头固定安装于固定的机架上，而被加件则固定安装在三轴联动的工作台上。
Claims (10)
1、一种压力可调控板材渐进成形压头，包括成形压头筒体(9)，其特征在于：在所述呈筒状的成形压头筒体(9)的上端固定安装有成形电机(13)；成形压头筒体(9)的下端通过球头座(3)活动地装有成形球头(1)，该成形球头(1)具有伸出成形压头筒体(1)下端的外伸球冠部；在所述成形压头筒体(9)的内腔里从上到下依次装有由丝杠(11)和螺母(10)组成的传动副及压力传感器(6)，该压力传感器(6)位上垫板(7)和下垫板(5)之间；丝杠(11)与成形电机(13)输出轴相连接，螺母(10)支承于上垫板(7)上；在下垫板(5)和球头座(3)之间支承有球头弹簧(4)。
2、根据权利要求1所述的压力可调控板材渐进成形压头，其特征在于：所述成形球头(1)的半径r与工件最小曲率半径R之比r/R＝0.4-0.8。
3、根据权利要求1所述的压力可调控板材渐进成形压头，其特征在于：所述成形球头(1)半径r＝5mm-10mm。
4、根据权利要求1所述的压力可调控板材渐进成形压头，其特征在于：所述成形电机(13)为伺服电机或步进电机，其输出轴通过联轴器(12)与丝杠(11)相连接，成形电机(13)通过电机座(14)固定安装在成形压头筒体(9)上端。
5、根据权利要求1所述的压力可调控板材渐进成形压头，其特征在于：所述螺母(10)通过连接筒(8)固定安装于上垫板(7)上，丝杠(11)的下端伸入该连接筒(8)的空腔内。
6、根据权利要求1所述的压力可调控板材渐进成形压头，其特征在于：所述成形球头(1)通过滚珠(2)可可转动地置于球头座(3)上。
7、根据权利要求1所述的压力可调控板材渐进成形压头，其特征在于：所述压力传感器(6)为电阻应变式压力传感器。
8、根据权利要求1所述的压力可调控板材渐进成形压头，其特征在于：所述压力传感器(6)为压阻式或电感式压力传感器。
9、一种压力可调控板材渐进成形装置，包括可实现三维运动的机架，其特征在于：在所述机架上安装有如权利要求1-8之一所述的压力可调控板材渐进成形压头。
10、一种压力可调控板材渐进成形装置，包括固定机架，其特征在于：在所述固定机架上安装有如权利要求1-8之一所述的压力可调控板材渐进成形压头。
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