CN102527830A - 板材电致塑性渐进成形装置及其成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种板材电致塑性渐进成形装置及其成形方法，包括：五轴数控成形机床、六轴并联机器人加工系统、板料成形夹具、高能脉冲电源、红外线测温仪、机床内置的压缩空气冷却系统，其中：所述的五轴数控成形机床的主轴末端安装上成形压头，所述的六轴机器人加工系统设置于机床工作台面上，其顶部设有下成形压头，所述的板料成形夹具固定于机床工作台上，所述的高能脉冲电源的正负极分别通过大载流导线连接上成形压头和下成形压头，使高能脉冲电源、上成形压头、下成形压头和板料构成电流回路，所述的红外线测温仪的摄像头对准板料的中心区域，所述的压缩空气冷却系统对准板料的成形区。与现有技术相比，本发明具有高效节能、加工精度高、表面质量好等优点。

Description

板材电致塑性渐进成形装置及其成形方法

技术领域

本发明属于板料渐进成形加工技术领域，尤其是涉及一种板材电致塑性渐进成形装置及其成形方法。

背景技术

电致塑性效应(electroplastic effect)是指材料(包括各种金属材料、陶瓷材料、超导材料、粉末冶金制品等)在运动电子(电流或电场)作用下，变形抗力急剧下降，塑性明显提高的现象，是一种包含焦耳热效应、磁压缩效应和纯电塑性效应等多种物理效应共同作用的结果。电致塑性效应最初是在1963年由前苏联学者Troitskii在作表面活化剂的研究时发现的，之后前苏联和美国学者都进行了大量的研究。高密度的电流可使材料内部原子运动的能量升高，改变金属中位错的激活能，加快位错的运动速度，有利于打开位错间的缠结和克服其滑移面上的障碍，因而可以显著降低材料的流动应力，提高其塑性变形能力。近年来，已在汽车、航空、航天等领域的成形加工中取得了良好的应用效果。

板料渐进成形(Incremental forming)是在数控设备上通过计算机程序控制形状简单的成形工具，利用其运动轨迹对金属板料进行连续局部塑性成形的加工方法。该技术是日本学者松原茂夫于20世纪90年代初提出的，该技术特点是引入快速原型制造技术“分层制造”的思想，将复杂的三维数字模型沿高度方向等间距离散化，分解成一系列二维等高线断面层，断层面与实体的交线即为所需的加工轨迹，利用数控设备驱动成形压头沿等高线层面上的加工轨迹运动，使板材沿成形轨迹逐次变形，通过对板料进行的逐次局部变形代替整体成形，最终将板料加工为目标产品。该工艺不需要针对产品制作专门的模具，特别适合小批量、多品种以及快速原型制造，具有柔性程度高、成形极限高和加工成本低等优点，是一项非常有发展前景的板料成形技术。

对现有渐进成形技术及装置的检索发现：德国波鸿鲁尔大学(Ruhr-University ofBochum)H.Meier等通过在板料两边设置两个6轴串联机器人形成双压头板料渐进成形装置，可同时加工具有凸起和凹陷特征的工件，但未考虑降低板料的变形抗力，需要的成形载荷大，成形几何精度差。比利时鲁汶大学(Katholieke UniversiteitLeuven)J.R.Duflou等提出了一套采用激光辅助加热渐进成形的装置，在板料的一侧设置一个6轴的机器人夹持压头运动，另一侧设置一个3轴的同步激光加热装置对压头和板料的接触区域进行动态加热，降低了成形力，提高了空间加工精度，但这种装置采用了两套运动机构，控制复杂，板料对激光有反射作用，加热效率低，而且激光器的价格昂贵。南京航空航天大学高霖等提出了一种板料电加热数控渐进成形装置，可以显著降低加工力，减小了板料的回弹，但由于采用了单压头成形，成形尺寸精度不高，流经板料成形区的电流大小与其它区域相同，成形区的材料屈服应力和硬化指数与邻近区域相比下降程度不大，渐进成形的局部化效应不显著，而且主要是利用电流的热效应，工件成形温度高，材料易过度软化不利于成形，表面氧化严重，影响了成形件的表面质量。以上所述装置都未考虑到将材料的电致塑性效应引入到渐进成形中，难以低成本、高效加工出高精度、高表面质量的产品。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高效节能、加工精度高、表面质量好的板材电致塑性渐进成形装置及其成形方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种板材电致塑性渐进成形装置，其特征在于，包括：五轴数控成形机床、六轴并联机器人加工系统、板料成形夹具、高能脉冲电源、红外线测温仪、机床内置的压缩空气冷却系统，其中：所述的五轴数控成形机床的主轴末端安装上成形压头，所述的六轴机器人加工系统设置于五轴数控成形机床的工作台面上，其顶部设有下成形压头并正对上成形压头，所述的板料成形夹具固定于五轴数控成形机床的工作台上，待加工板料设置在上成形压头与下成形压头之间并通过板料成形夹具夹紧固定，所述的高能脉冲电源的正负极分别通过大载流导线连接上成形压头和下成形压头，使高能脉冲电源、上成形压头、下成形压头和板料构成电流回路，所述的红外线测温仪的摄像头对准板料的中心区域，所述的压缩空气冷却系统对准板料的成形区。

所述的五轴数控成形机床为加高立柱的摆动主轴式立式数控机床。

所述的板料成形夹具是由从上到下依次设置的压边圈、空心支撑台、支柱以及底座构成，所述的板料固定于压边圈和空心支撑台之间，板料与压边圈和空心支撑台之间均设有绝缘垫片。

所述的高能脉冲电源能够输出高电流低电压，高能脉冲峰值电流≥3000A，频率为50-1000Hz可调节，输出电压可调。

所述的上成形压头通过上成形压头固定块固定在五轴数控成形机床的主轴末端，并在上成形压头固定块上方设有上绝缘垫片，所述的下成形压头通过下成形压头固定块固定在六轴机器人加工系统顶部，并在下成形压头固定块下方设有下绝缘垫片，所述的大载流导线固定于上成形压头固定块和下成形压头固定块，从而连接上成形压头和下成形压头，使电流回路在高能脉冲电源、上成形压头、下成形压头和板料之间，并通过上绝缘垫片和下绝缘垫片使电流回路与其它部分可靠绝缘。

所述的红外线测温仪实时记录成形板料的温度，通过调整压缩空气冷却系统输出的压缩空气的流动速度来调整板料的成形温度。

所述的压缩空气冷却系统输出的压缩空气的流动方向与板料成45±3°。

一种板材使用上述装置使电致塑性双压头渐进成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)五轴数控成形机床主轴的末端安装上成形压头，六轴并联机器人加工系统顶部加装下成形压头，采用编程软件将三维造型软件建立的模型沿加工路径方向离散，并生成各等高线层面上的加工轨迹；

(2)大载流导线设置于上成形压头固定块、下成形压头固定块上，使高能脉冲电源、上成形压头、下成形压头和板料构成电流回路，将绝缘垫片置于上成形压头固定块、下成形压头固定块的表面以及压边圈与空心支撑台之间确保电流回路与其它部分可靠绝缘，设置好高能脉冲电源的脉冲频率、占空比；

(3)用压边圈压住板料四周，调整板料成形夹具的位置，使之处于上成形压头与下成形压头之间；

(4)将上、下各等高线层面上的加工轨迹分别输入到五轴数控成形机床和六轴机器人加工系统中，并对准上成形压头和下成形压头，使其加工坐标相一致，其中下加工轨迹向上增加板料厚度10％的偏移量，保证在成形过程中上成形压头、下成形压头始终都与板料充分接触，保证电流回路闭合；

(5)启动五轴数控成形机床和六轴机器人加工系统，即时调整上成形压头、下成形压头沿着生成的加工轨迹到达相应的位置以保持紧密相邻的状态，打开高能脉冲电源，设置预定的电流和电压，打开红外线测温仪开关和压缩空气冷却系统阀门，通过空气的流动速度来控制成形温度，完成电致塑性渐进成形。

与现有技术相比，本发明采用双压头渐进成形，同时通过引入电致塑性效应，在成形区材料具有较低的屈服应力和硬化指数，塑性变形能力明显提高，渐进成形的局部化效应显著，可以大幅降低渐进成形力，并且通过压缩空气的冷却，避免了板料的表面氧化以及过度软化，极大提高了成形件的几何精度和表面质量，并且成本低、高效节能，特别适用于常温条件下成形特性差或强度高的镁合金、铝合金、钛合金和高强度钢等板料的加工。

附图说明

图1为板料电致塑性双成形压头渐进成形示意图。

图中标号名称：1高能脉冲电源，2大载流导线，3五轴数控成形机床，4上绝缘垫片I，5上成形压头固定块，6上成形压头，7数控机床内置的压缩空气冷却系统，8板料，9板料成形夹具，10压边圈，11空心支撑台，12支柱，13底座，14下成形压头，15下成形压头固定块，16下绝缘垫片II，17六轴并联机器人加工系统，18红外线测温仪，19绝缘垫片III。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作具体详细说明，本实施例是以本发明技术方案为前提下进行实施，描述了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如附图1所示，板材电致塑性渐进成形装置包括：五轴数控成形机床3、六轴并联机器人加工系统17、板料成形夹具9、高能脉冲电源1、红外线测温仪18、数控机床内置的压缩空气冷却系统7，其中：五轴数控成形机床3主轴的末端安装上成形压头6，上成形压头6通过上成形压头固定块5固定在五轴数控成形机床3的主轴末端，并在上成形压头固定块5上方设有上绝缘垫片I4，板料8位于上成形压头6下方并通过板料成形夹具9固定，板料成形夹具9安装于五轴数控成形机床3的工作台上，板料成形夹具9是由从上到下依次设置的压边圈10、空心支撑台11、支柱12以及底座13构成，所述的板料8固定于压边圈10和空心支撑台11之间，板料8与压边圈10和空心支撑台11之间均设有绝缘垫片III19。

六轴机器人加工系统17置于板料8之下且设置于五轴数控成形机床3工作台面上，六轴机器人加工系统17的顶部设有下成形压头14并正对板料8，所述的下成形压头14通过下成形压头固定块15固定在六轴机器人加工系统17的顶部，并在下成形压头固定块15下方设有下绝缘垫片II16，高能脉冲电源1通过大载流导线2分别设置于上成形压头固定块5和下成形压头固定块15上，从而连接上成形压头6和下成形压头14，使高能脉冲电源1、上成形压头6、下成形压头14和板料8构成电流回路，并通过上绝缘垫片I4和下绝缘垫片II16使电流回路与其它部分可靠绝缘，红外线测温仪18的摄像头对准板料8的中心区域，所述的压缩空气冷却系统7对准板料的成形区，输出的压缩空气吹向板料的成形区，其流动方向与板料8成45±3°。

所述的五轴机床3采用加高立柱的摆动主轴式立式数控机床。

所述的板料成形夹具9是由压边圈10、空心支撑台11、支柱12以及底座13构成，其中板料8固定于压边圈10和空心支撑台11之间。

所述的高能脉冲电源1能够输出高电流低电压，高能脉冲峰值电流≥3000A，频率为50-1000Hz可调节，输出电压可调。

所述的电流回路在高能脉冲电源1、上成形压头6、下成形压头14和板料8之间，通过上绝缘垫片14、下绝缘垫片II16和绝缘垫片III19，实现电流回路与其它部分可靠绝缘。

所述的红外测温仪18实时记录成形板料8的温度，通过调整压缩空气的流动速度来保证板料在合适的温度下成形，避免板料的表面氧化以及过度软化。

电致塑性双压头渐进成形过程如下：

(1)产品尺寸为500mm×500mm，采用厚度为1mm的钛板；

(2)五轴数控成形机床主轴的末端和六轴并联机器人加工系统的顶部分别安装直径为10mm的上成形压头和下成形压头，利用NX6.0软件的CAD功能建立三维CAD模型，并利用其CAM功能将CAD模型沿加工路径方向离散，并生成各等高线层面上的加工轨迹；

(3)大载流导线固定于上成形压头固定块、下成形压头固定块，使高能脉冲电源、上成形压头、下成形压头和板料构成电流回路，将上绝缘垫片I、下绝缘垫片II置于上成形压头固定块、下成形压头固定块表面保证电流回路与其它部分可靠绝缘，设置好电源脉冲频率、占空比；

(4)将板料下料成530×530mm，用压边圈压住板料四周15mm，调整板料夹具的位置，使之处于上成形压头与下成形压头之间；

(5)将上、下各等高线层面上的加工轨迹分别输入到五轴数控成形机床和六轴机器人加工系统中，并对准上成形压头、下成形压头，使其加工坐标相一致，其中下加工轨迹向上增加板料厚度10％的偏移量，使上成形压头、下成形压头和板料充分接触，并对板料形成一定的挤压；

(6)启动五轴数控成形机床和六轴并联机器人加工系统，即时调整上成形压头、下成形压头沿着生成的加工轨迹到达相应的位置以保持紧密相邻的状态，打开脉冲电源，设置预定的电流和电压，打开红外线测温仪开关和压缩空气阀门，通过空气的流动速度来控制成形温度约在50℃左右，完成电致塑性渐进成形；

(7)渐进成形完成后，关闭高能脉冲电源，上成形压头、下成形压头离开板料，停止五轴数控成形机床和六轴并联机器人加工系统，将成形件取下。

Claims (8)

1.一种板材电致塑性渐进成形装置，其特征在于，包括：五轴数控成形机床、六轴并联机器人加工系统、板料成形夹具、高能脉冲电源、红外线测温仪、机床内置的压缩空气冷却系统，其中：所述的五轴数控成形机床的主轴末端安装上成形压头，所述的六轴机器人加工系统设置于五轴数控成形机床的工作台面上，其顶部设有下成形压头并正对上成形压头，所述的板料成形夹具固定于五轴数控成形机床的工作台上，待加工板料设置在上成形压头与下成形压头之间并通过板料成形夹具夹紧固定，所述的高能脉冲电源的正负极分别通过大载流导线连接上成形压头和下成形压头，使高能脉冲电源、上成形压头、下成形压头和板料构成电流回路，所述的红外线测温仪的摄像头对准板料的中心区域，所述的压缩空气冷却系统对准板料的成形区。

2.根据权利要求1所述的一种板材电致塑性渐进成形装置，其特征在于，所述的五轴数控成形机床为加高立柱的摆动主轴式立式数控机床。

3.根据权利要求1所述的一种板材电致塑性渐进成形装置，其特征在于，所述的板料成形夹具是由从上到下依次设置的压边圈、空心支撑台、支柱以及底座构成，所述的板料固定于压边圈和空心支撑台之间，板料与压边圈和空心支撑台之间均设有绝缘垫片。

4.根据权利要求1所述的一种板材电致塑性渐进成形装置，其特征在于，所述的高能脉冲电源能够输出高电流低电压，高能脉冲峰值电流≥3000A，频率为50-1000Hz可调节，输出电压可调。

5.根据权利要求1所述的一种板材电致塑性渐进成形装置，其特征在于，所述的上成形压头通过上成形压头固定块固定在五轴数控成形机床的主轴末端，并在上成形压头固定块上方设有上绝缘垫片，所述的下成形压头通过下成形压头固定块固定在六轴机器人加工系统顶部，并在下成形压头固定块下方设有下绝缘垫片，所述的大载流导线固定于上成形压头固定块和下成形压头固定块，从而连接上成形压头和下成形压头，使电流回路在高能脉冲电源、上成形压头、下成形压头和板料之间，并通过上绝缘垫片和下绝缘垫片使电流回路与其它部分可靠绝缘。

6.根据权利要求1所述的一种板材电致塑性渐进成形装置，其特征在于，所述的红外线测温仪实时记录成形板料的温度，通过调整压缩空气冷却系统输出的压缩空气的流动速度来调整板料的成形温度。

7.根据权利要求1所述的一种板材电致塑性渐进成形装置，其特征在于，所述的压缩空气冷却系统输出的压缩空气的流动方向与板料成45±3°。

8.一种根据上述任一权利要求所述装置的电致塑性双压头渐进成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)五轴数控成形机床主轴的末端安装上成形压头，六轴并联机器人加工系统顶部加装下成形压头，采用编程软件将三维造型软件建立的模型沿加工路径方向离散，并生成各等高线层面上的加工轨迹；

(2)大载流导线设置于上成形压头固定块、下成形压头固定块上，使高能脉冲电源、上成形压头、下成形压头和板料构成电流回路，将绝缘垫片置于上成形压头固定块、下成形压头固定块的表面以及压边圈与空心支撑台之间确保电流回路与其它部分可靠绝缘，设置好高能脉冲电源的脉冲频率、占空比；

(3)用压边圈压住板料四周，调整板料成形夹具的位置，使之处于上成形压头与下成形压头之间；

(4)将上、下各等高线层面上的加工轨迹分别输入到五轴数控成形机床和六轴机器人加工系统中，并对准上成形压头和下成形压头，使其加工坐标相一致，其中下加工轨迹向上增加板料厚度10％的偏移量，保证在成形过程中上成形压头、下成形压头始终都与板料充分接触，保证电流回路闭合；

(5)启动五轴数控成形机床和六轴机器人加工系统，即时调整上成形压头、下成形压头沿着生成的加工轨迹到达相应的位置以保持紧密相邻的状态，打开高能脉冲电源，设置预定的电流和电压，打开红外线测温仪开关和压缩空气冷却系统阀门，通过空气的流动速度来控制成形温度，完成电致塑性渐进成形。

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