CN101391277A - 板类零件水射流多点快速成形方法及多点成形机 - Google Patents

Abstract

板类零件水射流多点快速成形方法及多点成形机采用多个可控的高压水射流作用于板材的表面，使其可控变形并最终得到所需零件形状的工艺，其成形工艺通过水射流多点成形机来实现。水射流多点成形机由电机驱动单元、水循环控制单元、成形控制单元、水射流发生及控制单元、工作腔、工件夹紧定位装置以及相应的成形配套软件等组成。其中水射流发生装置是由多个高压泵和喷射装置组成的设备单元群，每个高压泵控制一束高压水射流。而成形过程的控制通过喷射装置的不同位置和高压水射流的压力、流量和流速的变化产生时变载荷，并配合工件的移动来实现。本发明的工艺和装备可以实现板类零件的柔性、快速成形，属于机械工程领域。

Description

板类零件水射流多点快速成形方法及多点成形机

技术领域

板类零件的水射流多点快速成形方法及成形机是一套利用高压水射流对板材进行加工成形的方法及其机械装置，适合于各种批量的覆盖件的成形，属于机械工程领域。

背景技术

目前，就覆盖件和板材加工的专利技术而言，CN1136991A公开了一种表面覆盖件的压塑成型工艺。采用工程塑料板材经预处理后，在专用设备上通过高压空气的压塑在单面模具上成型；CN85109489公开了一种薄板产品成型工艺。通过与产品成1∶1比例，可按成型件划分方案分解的木质主模型翻制出各薄板零件之成型凸模，再以配有压边圈模架并敷有间隙层及压边圈漏板槽的凸模沉浸于铋锡合金熔液中的形式制取凹模及压边圈；CN1111175公开了一种可变型腔曲面的模具制造方法，借更换金属型面镶块实现改变模具型腔曲面的汽车覆盖件冲模制造方法；CN1507968公开了一种采用热冲压装置加工镁合金板材的方法；CN1400070和CN2502819公开了一种汽车覆盖件压制成型模具及其制作方法；CN1488473和CN1583373公开了一种用金属电弧喷涂法快速制造汽车覆盖件模具的方法；CN1453081采用集数控转塔冲床和数控激光切割机功能于一体的冲切复合机完成金属板材的孔加工，并切割外形。以上的专利技术大部分是利用模具进行覆盖件及板材的加工，由于昂贵的模具制造成本使这些方法较适合于大批量生产。

CN1157204、CN02109865.4、CN00110773.9、CN02109866.2和CN02273508.9公开了一种板材多点成形装置，由上下多个可以调整的基本体和压边装置组成，基本体可沿轴向自由移动，并可在任意位置定位，压边装置装在上下基本体控制单元群的外围，以此完成板材的加工。尽管以上方法具有较大的柔性，理论上可以加工各种形状的板材，但从本质上讲仍是利用外力使板材在模具中成形，只不过所依赖的模具是由可变动的基本体构成的。

CN03146992.2公开了一种金属板材数控逐次成形方法及其装置。方法使用球头工具作为成形工具，用夹具把板材四周固定在数控机床的工作台上，利用三维软件根据产品外形生成的NC代码来控制球头工具和工作台做相对运动，球头工具对板材局部进行逐次挤压，使板材塑性变形逐次逼近产品的外形尺寸，最终使板材成形为所需产品。加工时以工具运动轨迹所形成的包络面代替模具的型面来逐次成形零件，因此无需使用模具。此方法由于受材料变形速度的限制，生产效率低。同时，由于球头工具与数控机床工作台的相对运动轨迹简单，无法实现复杂形状覆盖件的成形，也较难实现横向加工。

水射流具有介质成本低、清洁、环境友好、对被加工材料无热损伤等优点，水射流成形方法在加工过程中无机械接触、适应性好、材料损耗少、清洁无污染、配合数控执行机构可精确加工任意复杂形状工件。就水射流加工方面的专利技术而言，CN87100891公开了一种磨料水射切割方法及装置；CN93111731.3公开了一种超高压水射流万能切割机；CN200410077756.2公开了一种水射流蔬菜水果清洗切割机；CN89102888.9公开了一种磨料水射流切割器的磨料回收装置；CN00136371.9公开了一种高压水射流可控自旋转钻头；CN03122733.3公开了一种水射流连续推进的定向钻机；CN200380101452.9公开了一种使用水射流对许多最终的三维产品进行液力包封的方法；CN200410040040.5公开了一种利用超高压水射流灭菌方法；CN200510037864.1公开了一种电厂凝汽器高压水射流在线清洗机器人技术；CN90101517.2公开了一种高压水射流铸件清砂法及其设备；CN01129872.3公开了一种脉冲空化水射流超细粉碎装置。以上方法大多将水射流用于材料的切割、清洗、钻孔、包封、灭菌、粉碎等，还有利用水射流进行注浆、除锈、除尘、混凝土切割及路面破坏、水力采煤等方面的报道。

CN00817317.6公开了一种利用水射流/水针处理薄片材料的装置，对利用高压水射流处理薄片装置进行了改进，发明了新型的孔板，由其上的孔形成了可直接射到待处理材料表面的水针，解决了工业上高压场合的应用问题，允许在压力高达400巴或更高的高压下提供水流，使用数百小时后孔板不会损坏。从本发明专利所提供的装置来看，其应用范围为小尺寸的薄片类零件，其形成的水射流/水针的分布由带有微孔的板和插入体决定，因此，不同的带有微孔的板和插入体对应一定的水射流/水针，只能完成固定形状的薄片材料的成形，加工零件发生变化时需相应更换装置。

在已公开的专利中，没有与本发明内容相近的采用高压水射流对板类零件进行多点快速成形及板类零件水射流多点快速成形机的内容。

发明内容

本发明的目的在于开发一种适合于板类零件的多点快速成形方法以及快速成形机，实现板类零件的无模化、柔性化、快速化、智能化制造及可控成形，提高板类零件的成形效率，改善其成形质量。为实现以上目的，发明利用计算机控制多个压力、流速和流量可调的水射流发生装置，用高压泵产生高压，将高压水射流喷射到板材上使其变形，变形的路径及形状等在控制下完成，通过此方法可以得到任意形状的板类零件。如附图1所示，1为高压水射流，2为加工的零件。多个高压水射流同时作用于板材表面使其产生变形，由于板材的塑性使变形后的表面呈现连续的空间曲面。变形过程可以多次进行直至最终成形，得到所需形状的零件。

本发明采用的水射流是连续的多个高压水射流，并且采用的是水射流的基本段，其工作范围相对较大。水射流的流速及动压力沿轴向逐渐减少，其变化呈双曲线关系；在垂直于轴心的截面上，轴向流速与动压力从最大值迅速减至边界上的最小值，其变化呈高斯曲线关系。

水经过高压泵获得了高压，压力首先驱动水自高压泵至喷嘴，又使其以给定的速度通过喷嘴。当高压水射流到达待加工表面时，高压水射流以其速度形成的能量转变成冲击压力作用在待加工板材表面上，它们决定了到达待加工表面的射流功率和射流的作业效率。而高压泵控制着水射流的流量，喷嘴出口截面面积控制着水射流流速，当然。自喷嘴至待加工表面的距离，以及喷嘴与零件的相对位移速度，也是影响成形效果的重要参数。

对连续高压水射流，忽略两点间的高度差，在喷嘴出口截面内外两点应用伯努利方程得：

$\frac{p_1}{{\mathrm{\ρ}}_1}+\frac{v_1^2}{2}=\frac{p_2}{{\mathrm{\ρ}}_2}+\frac{v_2^2}{2}$

在喷嘴内外两点间应用连续方程得：

ρ₁·v₁·A₁＝ρ₂·υ₂·A₂

进一步推得高压水射流流量为：

$q_t=v\·A=2.1d^2\sqrt{p}$

当高压水射流流量及压力确定后，射流功率可由下列关系式求出：

P＝16.67pq_t

水射流对工件表面的打击力为：

F＝ρqυ(1-cosβ)

上面诸式中：

p₁、p₂——喷嘴内外静压力，MPa；

v₁、v₂——喷嘴内外液体平均流速，m/s；

ρ——水的密度，kg/m³；

ρ₁、ρ₂——喷嘴内外水的密度，ρ₁＝ρ₂＝ρ＝998kg/m³；

q_t——射流流量，L/min；

q——水射流体积流量，m³/s；

d——喷嘴出口直径，mm；

A——喷嘴截面积，mm²， $A=\mathrm{\π}\frac{d^2}{4};$

P——水射流功率，W；

p——水射流压力，MPa；

F——射流作用在物体上的打击力，N；

υ——水射流流速，m/s；

β——水射流方向变化的角度。

据此便可以计算高压水射流流量、压力、功率以及高压水射流对工件表面的打击力。不同板材的屈服强度是不同的，根据屈服强度可知其所需的变形力，高压水射流对工件表面的打击力超过其所需的变形力时，板材就可发生变形。根据高压水射流对工件表面的打击力，系统便可以设计各种工艺参数，如高压水射流的压力、流速、流量、工作范围等，并且进行参数控制。

设备通过调整板材两侧水射流的作用位置与参数控制来达到加工最佳效果。

附图说明

图1为水射流多点成形原理图。

图2为立式水射流多点快速成形机原理图。

图3为立式成形机单元群布置水平投影。

图4为卧式水射流多点快速成形机原理图。

具体实施方式

下面结合附图内容进一步说明本发明的具体内容：

实施例1：为立式水射流多点快速成形机，其结构原理图见附图2所示。立式水射流多点快速成形机采用四柱形密封压机结构，主体是一个由方形密封压机结构形成的工作腔。整个装置由计算机系统1、上成形控制单元2、上设备单元群3、板材4、夹紧定位装置5、下设备单元群6、下成形控制单元7、水回收循环单元、电机驱动单元等组成。设备单元群布置方式的水平投影如附图3所示，根据不同要求可以布置数量不等的水射流发生装置，这些水射流发生装置可以在轴X上移动，轴X可以在轴Y上移动，轴X和轴Y处于水平面内，这样就可以实现在水平方向调整水射流发生装置位置的目的，上、下设备单元群在Z方向(垂直方向)由丝杆带动上、下运动，最终可以实现水射流发生装置X、Y、Z三个方向的位置调节，方便不同大小、不同形状零件的加工。轴X、轴Y和轴Z通过不同的电机进行驱动。在工作腔的下部设有水回收循环装置，使用过的水经过过滤后可以循环使用。成形控制单元2和7、水回收循环单元、电机驱动单元由计算机统一控制。

工作时，首先将下料后的板材在工作腔内定位夹紧，计算机系统根据所需制造的板类零件形状计算出各种相应参数，如：水射流发生装置的位置、水流速度、强度、水流量等，由电机驱动单元将水射流发生装置调整到指定位置，成形控制单元控制加工过程，水循环控制单元保证水的回收和供给。为了减少应力和变形，对于变形量较大的零件，需进行多次变形，使其保持一定的变形系数。此外，变形过程中还考虑了材料的回弹，这些都可以在软件中完成。当水射流作用到材料表面时，将水射流能量束的能量传递给板材，使其产生塑性变形，得到所需形状的零件。

实施例2：为卧式水射流多点快速成形机，其结构原理图见附图4所示。同样地，卧式水射流多点快速成形机也采用四柱形密封压机结构，主体是一个由方形密封压机结构形成的工作腔。整个装置由计算机系统1、左成形控制单元2、左设备单元群3、板材4、夹紧定位装置5、右设备单元群6、右成形控制单元7、水回收循环单元、电机驱动单元等组成。其成形控制和成形过程与立式成形机基本相同。

Claims (5)

1、一种板类零件的水射流多点快速成形方法。其特征在于：采用多个可控水射流发生装置组成设备单元群，将高压水射流产生的载荷作用于板材来完成零件空间曲面的成形，成形过程的控制通过工件与喷射装置的相对位置和时变载荷的变化来实现。

2、一种板类零件的水射流多点快速成形机。其特征在于：整个成形机为一个密封式框架结构；板材装夹在设备中部的定位夹紧装置上，并由压边圈固定；设备的不同部位各有一定数量的水射流发生装置；设备的底部设有带孔隔板，安装有水回收装置，水经过过滤后可以循环使用。

3、按权利要求2所述的板类零件的水射流多点快速成形机，包括立式和卧式二类。在立式装置中，板材水平装夹在设备的中部，水射流发生装置分列在设备的上部和下部；在卧式装置中，板材垂直装夹在设备的中部，水射流发生装置分列在设备的左侧与右侧。

4、按权利要求2所述的板类零件的水射流多点快速成形机，其水射流发生装置是由多个高压泵和喷射装置组成的设备单元群，每个高压泵通过高压软管与对应的喷射装置相连接，喷射装置由丝杠带动实现上下移动，控制一束高压水射流。

5、按权利要求2所述的板类零件的水射流多点快速成形机，其控制系统的特征在于：每个水射流发生装置有单独的控制分系统，各分系统由一个总控制系统控制。成形机工作时，根据加工零件的尺寸及形状的不同，总控制系统进行计算及路径规划、水回收循环系统控制等，各分控制系统执行具体的操作，控制喷射装置的位置、水射流的大小、方向、速度、流量等相关参数。

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