CN101947597A - 渐进式无模成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渐进式无模成形方法，适用于对板材的单件小批量成形加工，需加工的板材在数控系统的控制下在水平面内按照设定的加工轨迹移动，与板材的水平移动相配合，三对挤压成形头在数控系统的控制下沿垂直方向按照各自设定的轨迹独立移动，对板材形成连续渐进的挤压式拉伸成形，每对挤压成形头由上成形头和下成形头构成，上成形头和下成形头头部两两相对地分设于板材上方的上工作头和下方的下工作头上，三对挤压成形头中包括一对用以成形的主成形头、以及位于主成形头附近的用以夹持和定位板材的两对辅助成形头。本发明可对板材双向拉伸成形，辅助成形头对板材的已成形区域夹持、定位并矫正，提高了成形的形状和尺寸精度。

Description

渐进式无模成形方法

 

技术领域

本发明涉及金属板材的快速成形加工，具体涉及一种采用无模渐进方式挤压成形的方法。

 

背景技术

在机械加工领域，冲压工艺具有节省材料、快速高效等优点，从而有利于降低制造成本，现有的冲压工艺主要包括下料冲孔和拉伸成形，一般是用专门的模具在压机上冲压完成，由于模具的制造成本较高，周期较长，因此，上述工艺方式只适合于批量性生产，而对于单件或小批量的加工，传统的做法是技术工人用一些简单的工具通过手工锤击、锻打等方式进行加工，不但生产效率低，而且尺寸精度难以保证。随着技术的进步，出现了许多用数控方式进行冲压加工的数控冲床，其主要是通过标准冲头的连续冲压，最终形成连续的加工轨迹并完成冲孔或切边下料，而对于工件上的一些简单的凹凸形状，还是需开设相应的拉伸模具拉伸成型，因此仍然无法满足单件、小批量工件的快速拉伸成形的需要。

目前，已有一些无模成形技术在开发中，但由于存在一些技术问题，因此尚未全面推广应用。例如，在中国专利文献上公开的“金属板材无模成形实用装置”，其授权公告号为：CN2900010Y，其包括定模板、动模板和底板，在定模板上设有多个柱形成形杆，成形杆的头部呈球冠状，成形杆可以沿其轴向调整其位置，从而构成定模离散化成形面。动模板上安装软模框，软模框内装入软模。成形时，在软模框上放置板材，设于底板上的加载设备驱动动模板运动，动模板上的软模受到挤压后形成与定模的离散化成形面相吻合的动模成形面，从而使板材被拉伸成形。该装置具有结构简单，制造成本低的优点，但存在下列缺陷：1. 动模为软模，因此难以成形材质较硬或较厚的板材。2. 由于受成形杆尺寸的限制，相邻成形杆的距离较大，因此由成形杆构成的离散成形面与工件的设计轮廓之间的误差较大，造成成形后的工件尺寸精度不高。3. 由于工件是一次性成形，因此需要大量的成形杆以构成离散化成形面，尤其是工件尺寸较大时，成形杆的数量将十分惊人，不但制造成本高，而且成形杆的调整也极为繁杂。因此该装置只适用于一些外形尺寸较小，对尺寸精度要求不高的工件的成形加工。

在中国专利文献上还公开了一种“板材无模多点成型装置”，其授权公告号为：CN2460239Y，它主要是由上、下基本体群，调整机构，加载部分组成，上、下基本体群是由多个相互独立的冲头组成，冲头可以沿其轴向移动，并通过调整机构进行调整，使上、下基本体群分别构成上、下模的离散化成形面，进而通过加载部分对板材进行冲压成形；或者用上、下基本体群先将板材压住，然后通过调整机构使上、下基本体群的冲头一次性调整到位，从而将板材拉伸成形。该成型装置由上、下基本体群对板材进行冲压成形，因此可成形较厚或材质较硬的板材，但同样存在冲头间距大、工件成形精度低、冲头的调整复杂、不适合外形尺寸较大工件成形的问题。

另一种在中国专利文献上公开的“金属板材数控无模成型设备”，其授权公告号为：CN201313128Y，该无模成型设备包括底座、分别安装在底座左右两侧的两对立柱，底座上设置有X轴向导轨，X轴向导轨上设置有可在其上移动的X轴向平台，两对立柱的顶部横梁上设置有Y轴向平台，Y轴向平台上设置有Y轴向导轨，Y轴向导轨上设置有Z轴向主轴。由于具有X、Y、Z三个方向的运动机构，X、Y、Z三轴方向在计算机控制下实现三轴联动，该无模成型设备的成型方式为单点渐进式的无模成型，通过将复杂的三维数字模型沿高度方向分层，形成一系列断面二维数据，并根据这些断面轮廓数据，从顶层开始逐层对板材进行局部的塑性加工。在计算机控制下，安装在三轴联动的数控无模成型设备上的成形压头，先走到模型的顶部设定位置，对板材压下设定的压下量，然后按照第一层断面轮廓，以等高线的方式，对板材施行渐进塑性加工。在模型顶部板材加工面形成第一层轮廓曲面后，成形压头再压下一个设定高度，沿第二层断面轮廓运动，并形成第二层轮廓曲面，如此重复直到整个工件成形完毕。由于采用单点单向渐进式的无模成型方式，因此成形压头的制造和控制较为方便，同时工件的外形尺寸不受限制，且自动化程度高。然而，该无模成型设备同时存在下列问题：1. 其成形压头是单向的，因此只能单向冲压成形，而无法成形轮廓表面两个高点之间有凹陷的工件。2. 由于采用的是单点渐进式的无模成型方式，因此，成形压头在成形时对板材造成的拉伸变形会传递到已成形区域的板材，进而使已成形区域的板材产生额外的变形，从而大大地降低了冲压成形后工件的尺寸和形状精度。3. 由于其加工的轨迹是按照等高线的方式形成的断面轮廓，从而使加工轨迹成为复杂的曲线，进而大大增加了成形压头运行轨迹的控制难度。

 

发明内容

本发明是为了克服现有的无模成形技术所存在的成形机构结构复杂、控制不便以及成形后的工件精度低的缺陷，提供一种结构简单、自动化程度高、可双向拉伸成形、成形后的工件精度高的渐进式无模成形方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种渐进式无模成形方法，用于板材的拉伸成形，需加工的板材在数控系统的控制下在水平面内按照设定的加工轨迹移动，与板材的水平移动相配合，三对挤压成形头在数控系统的控制下沿垂直方向按照各自设定的轨迹独立移动，对板材形成连续渐进的挤压式拉伸成形，每对挤压成形头由上成形头和下成形头构成，上成形头和下成形头头部两两相对地分设于板材上方的上工作头和下方的下工作头上，三对挤压成形头中包括一对用以成形的主成形头、以及位于主成形头附近的用以夹持和定位板材的两对辅助成形头，辅助成形头的轴心与主成形头的轴心连线构成直角，具体步骤包括：

a.       将工件的三维轮廓下表面用垂直或水平的切割面按设定的间隔T剖切，从而形成多条轮廓线，轮廓线在水平面的投影即成为板材加工时在水平面上的运动轨迹，运动轨迹的水平坐标用于控制板材的水平移动，与运动轨迹的水平坐标对应的三维轮廓的高度坐标用于控制挤压成型头的上下移动高度，其中与运动轨迹的水平坐标对应的三维轮廓下表面上的高度坐标用于控制下成形头的上下移动高度，而对应的三维轮廓上表面上的高度坐标用于控制上成形头的上下移动高度；

b.      用固定装置将板材的四周固定在一个由数控系统控制、可水平移动且在X、Y两个方向两轴联动的工作台上；

c.       数控系统控制工作台按照运动轨迹作水平移动，设于上、下工作头上的加热装置对板材的需加工区域进行加热，主成形头在数控系统的控制下按照与运动轨迹水平坐标对应的三维轮廓高度坐标作上下移动，从而对板材进行热挤压式的拉伸成形，与此同时，数控系统根据辅助成形头和主成形头之间的距离和方位确定辅助成形头所在位置对应的三维轮廓的高度坐标，并用上述高度坐标控制辅助成形头的上下移动，从而使辅助成形头对板材的已成形区域进行夹持、定位和矫正；

d.      当工作台沿运动轨迹水平移动时，控制系统同时控制上、下工作头围绕主成形头轴线同步旋转，从而保证一个辅助成形头位于水平运动轨迹上主成形头所在点切线方向的后方，另一个辅助成形头位于加工轨迹上主成形头所在点切线方向的左方或右方已成形区域；

e.       当工作台从一条运动轨迹的起点移动到终点时，主成形头即完成对应轮廓线的拉伸成形，重复步骤c、d，即可完成对整个轮廓的拉伸成形。

本发明采用的是双向渐进式成形方式，挤压成形头由位于板材上下两侧的上成形头和下成形头上下对接构成，因此可对板材进行双向的拉伸成形，从而适应不同形状工件的成型加工，极大地提高了其适用范围。进一步地，本发明在用于成形的主成形头旁侧设置两个辅助成形头，因此，在主成形头开始对板材进行挤压并拉伸成形时，位于主成形头旁侧的辅助成形头可将板材上位于主成形头旁侧的已成形区域夹持并定位，从而使主成形头的挤压拉伸所引起的板材变形不会传递到板材的已成形区域，因而有利于提高板材成形的精度，并且辅助成形头具有矫正已成形区域板材的轮廓形状的作用，可矫正因板材的回弹引起的形状误差。此外，轮廓线可采用垂直切面或水平切面切割三维轮廓得到，因而可显著地简化板材的运动轨迹，便于数控系统的控制。更为主要地，由于运动轨迹不受限制，从而可根据工件的形状等设置最佳的运动轨迹，有利于避免工件在拉伸成形时出现起皱、开裂、表面压痕等缺陷。本发明在主成形头进行挤压成型时，先对板材的需加工区域加热，既有利于挤压成形，又可降低板材成形后的剩余应力。

作为优选，步骤a中垂直的切割面垂直于X轴或Y轴，从而使加工轨迹简化为平行于X轴或Y轴的直线，进而简化工作台的控制。

作为优选，在步骤c中，工作头能够以主成形头为轴360⁰自转，从而当主成形头沿着工作轨迹移动时，两对辅助成形头中的一对在加工轨迹的切线方向上位于主成形头后侧的已成形区域，另一对辅助成形头则刚好位于主成形头右侧或左侧的已成形区域，从而可最大限度地阻止主成形头对板材的挤压拉伸变形向已成形区域传递，并且可矫正板材已成形区域的反弹变形。设置二对辅助成形头既可确保其对板材的夹持、定位以及矫正的作用，同时可简化辅助成形头的结构和控制。

作为优选，所述挤压成形头用于成形的头部设有可全方位转动的万向球，使挤压成形头和板材之间由滑动摩擦变为滚动摩擦，既有利于减小挤压成形头在成形时与板材之间的摩擦力，并可显著减少板材在成形后表面的划痕。

作为优选，设于上、下工作头上的加热装置采用激光加热方式。激光加热可对板材上的成形区域进行快速加热，从而有效降低加工时所需的成形力和残余应力。

综上所述，本发明具有如下有益效果：（1）可双向拉伸成形，工件的形状不受限制；（2）采用辅助成形头对板材的已成形区域夹持、定位并矫正，显著地提高了成形的形状和尺寸精度；（3）加工轨迹不受限制，有利于简化控制系统的结构和自动控制；（4）采用激光辅助加热成形，明显降低成形力和残余应力。

 

附图说明

图1是本发明实施例1的挤压成形头成形状态示意图；

图2是图1中的A-A剖视图；

图3是本发明实施例1的挤压成形头布置示意图；

图4是本发明实施例1的运动轨迹示意图，图中箭头为加工方向；

图5是本发明实施例2的运动轨迹示意图，图中箭头为加工方向。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

实施例1：在如图1、图2所示的实施例中，本发明的一种渐进式无模成形方法，采用的是双向三点的渐进式无模成形，通过三对挤压成形头按照一定的轨迹对板材进行渐进的挤压拉伸成形加工，三对挤压成形头中包括用以成形的主成形头1、以及设于主成形头右侧和后侧的二对辅助成形头2，二对辅助成形头的轴心与主成形头轴心之间的连线相互垂直，形成如图3所示的直角状布置，所有的挤压成形头均由上成形头和下成形头上下相对地对接构成，上、下成形头分别设置在位于板材5上方的上工作头（图中未示出）和位于板材5下方的下工作头（图中未示出）上，上、下工作头均可以绕着主成形头的轴线转动。此外，在上或下工作头上可设置一个激光头（图中未示出），以便在成形时对板材加热。

在本实施例中，轮廓线采用的是等高线轮廓，其适用于轮廓高度逐步递增的工件。先将工件的三维轮廓下表面用水平面从三维轮廓的底部开始进行剖切，并按固定的间隔T逐步上升直至最高点，从而形成多条等高的封闭轮廓线，该轮廓线在水平面的投影即成为如图4所示的板材加工时的运动轨迹6，较小的间隔T有利于提高成形精度，但会降低成形效率，具体可根据工件的精度要求确定。与运动轨迹对应的三维轮廓的高度坐标用于控制挤压成型头的上下移动高度，其中与运动轨迹对应的三维轮廓下表面的高度坐标用于控制下成形头的上下移动高度，相应的上表面的高度坐标则用于控制上成形头的上下移动高度。然后，用固定装置3将板材四周压紧固定在可水平移动的工作台4上，成形可先从最底层的轮廓线开始，首先在其对应的运动轨迹上确定一个起始点，数控系统控制工作台按照与该轮廓线对应的运动轨迹作水平移动，使主成形头相对移动至该起始点位置，而上、下工作头则在数控系统的控制下绕主成形头的轴线转动，使位于主成形头后侧的辅助成形头刚好位于运动轨迹上主成形头所在点的切线上，此时另一对辅助成形头则刚好位于运动轨迹上主成形头所在点的切线的右侧，同时控制系统控制激光头对板材进行加热，然后控制系统控制主成形头在垂直方向移动到与运动轨迹对应的三维轮廓的高度，从而对板材进行挤压拉伸成形，与此同步地，根据两对辅助成形头与主成形头之间的距离与方位，控制系统计算出两对辅助成形头所在位置的三维轮廓的高度坐标，并控制辅助成形头垂直移动到上述高度坐标的高度，从而将板材上位于加工轨迹后侧和右侧的已加工区域或者是无需加工的区域夹持并定位，避免主成形头对板材的拉伸变形向已成形区域或无需成形的区域传递，当主成形头按照上述成形方式沿运动轨迹的逆时针方向逐步移动并回到起始点位置时，即完成底层轮廓线的拉伸成形。与此同理，挤压成形头可逐层完成各等高轮廓线的成形，从而最终将板材拉伸成形为完整的工件。在整个渐变挤压成形过程中，激光头对板材的需成形区域连续加热，从而显著地减小挤压成形头所需的成形力，并相应地减少板材的残余应力。两对辅助成形头一方面起到阻断板材的拉伸变形向已成形区域或无需成形的区域传递的作用，同时可对已成形区域板材的反弹变形进行矫正。为了提高挤压成形头的强度，上、下成形头可制成圆锥形，其头部的小端为球面，或者可在小端嵌设一个可全方位转动的万向球，从而可减小成形时上、下成形头与板材之间的摩擦力，万向球或球面的半径需小于等于工件的轮廓上最小的曲率半径，以确保成形后的工件的形状能符合设计要求。

实施例2：在本实施例中，挤压成型头以及加热装置等的布置与实施例1相同。为了简化运动轨迹，并方便挤压成型头以及工作台的控制，本实施例的运动轨迹6可采用如下方式得到：用垂直于横向X轴的垂直面从三维轮廓的一侧开始对三维轮廓的下表面进行剖切，并按固定的间隔T向三维轮廓的另一侧移动，从而形成多条轮廓线，而同一条轮廓线均具有相同的X坐标，轮廓线在水平面的投影为平行于Y轴的纵向直线，并成为板材加工时的运动轨迹，运动轨迹的排列如图5所示，此外，控制挤压成型头上下移动的高度坐标可采用实施例1中的方式得到。成形可从与最右侧的第一条轮廓线开始，确定与其对应的运动轨迹后端为起始点，数控系统控制工作台作水平移动，从而使主成形头相对移动至该运动轨迹的起始点位置，而上、下工作头则在数控系统的控制下绕主成形头的轴线转动，使位于主成形头后侧的辅助成形头刚好位于纵向的运动轨迹上，此时另一对辅助成形头则刚好位于主成形头的正右侧，同时控制系统控制激光头对板材进行加热，然后控制系统控制主成形头在垂直方向移动到与运动轨迹对应的三维轮廓的高度，从而对板材进行挤压拉伸成形，与此同步地，根据两对辅助成形头与主成形头之间的距离与方位，控制系统计算出两对辅助成形头所在位置的三维轮廓的高度坐标，并控制辅助成形头的上、下成形头垂直移动到相应的高度，从而将板材上位于加工轨迹后侧和右侧的已加工区域或者是无需加工的区域夹持并定位，避免主成形头对板材的拉伸变形向已成形区域或无需成形的区域传递，当主成形头沿加工轨迹逐步移动到前端的终点位置时，即完成第一条轮廓线的拉伸成形。

此时，控制系统控制工作台移动，使主成形头位于板材上第二条运动轨迹前端的起始点位置，同时，控制系统控制上、下工作头逆时针转动90度，从而确保主成形头在沿着第二条运动轨迹从前端的起点向后端的终点相对移动时，一对辅助成形头位于主成形头移动方向的后侧，另一对辅助成形头则位于主成形头右侧的已成形区域，然后按照与第一条轮廓线相同的成形方法完成第二条轮廓线的挤压拉伸成形，以此类推，即可逐步完成所有轮廓线的拉伸成形。由于所有的运动轨迹是相互平行的纵向直线，因此，大大简化了工作台的控制，同时，上、下工作头只需在从一条轮廓线转动另一条轮廓线时转动90度即可，因此大大地简化了控制系统的结构和控制程序。此外，由于二对辅助成形头分别与主成形头形成横向和纵向布置，因此，只要控制辅助成形头与主成形头之间的距离为间隔T的整数倍，即可保证在成形时右侧辅助成形头刚好位于板材的已成形区域的某条轮廓线上，因而辅助成形头可共用主成形头的高度坐标数据，进而有利于减少挤压成型头的控制数据。

Claims (5)

1.一种渐进式无模成形方法，用于板材的拉伸成形，需加工的板材在数控系统的控制下在水平面内按照设定的加工轨迹移动，与板材的水平移动相配合，三对挤压成形头在数控系统的控制下沿垂直方向按照各自设定的轨迹独立移动，对板材形成连续渐进的挤压式拉伸成形，每对挤压成形头由上成形头和下成形头构成，上成形头和下成形头头部两两相对地分设于板材上方的上工作头和下方的下工作头上，三对挤压成形头中包括一对用以成形的主成形头、以及位于主成形头附近的用以夹持和定位板材的两对辅助成形头，辅助成形头的轴心与主成形头的轴心连线构成直角，具体步骤包括：

a. 将工件的三维轮廓下表面用垂直或水平的切割面按设定的间隔T剖切，从而形成多条轮廓线，轮廓线在水平面的投影即成为板材加工时在水平面上的运动轨迹，运动轨迹的水平坐标用于控制板材的水平移动，与运动轨迹的水平坐标对应的三维轮廓的高度坐标用于控制挤压成型头的上下移动高度，其中与运动轨迹的水平坐标对应的三维轮廓下表面上的高度坐标用于控制下成形头的上下移动高度，而对应的三维轮廓上表面上的高度坐标用于控制上成形头的上下移动高度；

b. 用固定装置将板材的四周固定在一个由数控系统控制、可水平移动且在X、Y两个方向两轴联动的工作台上；

c. 数控系统控制工作台按照运动轨迹作水平移动，设于上、下工作头上的加热装置对板材的需加工区域进行加热，主成形头在数控系统的控制下按照与运动轨迹水平坐标对应的三维轮廓高度坐标作上下移动，从而对板材进行热挤压式的拉伸成形，与此同时，数控系统根据辅助成形头和主成形头之间的距离和方位确定辅助成形头所在位置对应的三维轮廓的高度坐标，并用上述高度坐标控制辅助成形头的上下移动，从而使辅助成形头对板材的已成形区域进行夹持、定位和矫正；

d. 当工作台沿运动轨迹水平移动时，控制系统同时控制上、下工作头围绕主成形头轴线同步旋转，从而保证一个辅助成形头位于水平运动轨迹上主成形头所在点切线方向的后方，另一个辅助成形头位于加工轨迹上主成形头所在点切线方向的左方或右方已成形区域；

e. 当工作台从一条运动轨迹的起点移动到终点时，主成形头即完成对应轮廓线的拉伸成形，重复步骤c、d，即可完成对整个轮廓的拉伸成形。

2.根据权利要求1所述的渐进式无模成形方法，其特征是，步骤a中垂直的切割面垂直于X轴或Y轴。

3.根据权利要求1所述的渐进式无模成形方法，其特征是，在步骤c中，工作头能够以主成形头为轴360⁰自转。

4.根据权利要求1所述的渐进式无模成形方法，其特征是，所述挤压成形头用于成形的头部设有可全方位转动的万向球。

5.根据权利要求1所述的渐进式无模成形方法，其特征是，设于上、下工作头上的加热装置采用激光加热方式。

Images