CN103316981B - 双面多点增量成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及板料冲压塑性加工技术领域，提供了一种双面多点增量成形装置，包括两侧压台、上冲头和下冲头，两侧压台上设有紧固部件，紧固部件用于固定待成形薄板，两侧压台用于紧固薄板的平面同高，在待成形薄板的上方设置上冲头，上冲头连接至第一机械臂，第一机械臂由一个控制单元控制；在待成形薄板的下方设置下冲头，下冲头至少为三个，三个下冲头固定在下冲头固定座上，呈多边形排列，下冲头固定座连接至第二机械臂，第二机械臂由控制单元控制，上下冲头垂直于待成形薄板。本发明整体结构合理，操作使用简单，工作可靠，结构紧凑，模块化好，加工柔性较高，能满足不同形式增量成形的要求。

Description

双面多点增量成形装置

技术领域

本发明涉及板料冲压塑性加工技术领域，具体地，涉及一种双面多点增量成形装置。

背景技术

目前，精密塑性成形技术已成为制造加工领域重点研究和发展的方向之一，主要包括金属精密模锻、精密冲裁、挤压等加工工艺。通过精密塑性成形的机械构件外形精确、尺寸精度和形位精度高、表面质量好。但一般都需要专用模具，需整体加载，能源消耗大。专用模具费用昂贵，开发周期长，不适用于大尺寸、小批量零件的生产，将传统的整体模具离散化，变成形状可变的“柔性模具”，则可用于任意形状的板材成形。这样既能省去大量的模具制造费用，又能解决单件、小批量零件的生产问题，这种先进的金属板材成形技术就是局部加载增量成形技术。局部加载增量成形技术是在21世纪市场向多元化、个性化发展的背景下诞生的，是一种无模无约束的柔性加工方法，采用简单模具对板料进行逐次塑性加工，不需要专用的模具就可以成形较为复杂的零件，具有载荷小、柔性高、能耗低、成本低、加工灵活的特征，相对于传统加工，材料利用率提高50%以上，有望应用于单件、小批量的大型复杂薄壁构件制造。

在增量成形方面，国内已经有了一些相关的专利，如哈尔滨工业大学贾彬彬等人的“一种板材多点成形装置”，授权公开号：CN102101363A，公开日：2011年6月22日，该多点成形装置包括模架、安装在模架上平板的若干上压头加压单元和安装在模架下平板的若干下压头支撑单元，上压头加压单元由上压头、弹簧、行程调节组件组成，上压头安装在模架上平板的定位孔中，并可沿孔的轴线上下运动；下压头支撑单元由下压头、柱塞和液压缸组成，液压缸固定在模架的下平板上，柱塞与下压头连接。该发明在成形过程中也不再需要对任何元件进行实时调整，始终有稳定、均匀的法向压力作用在板料上，形成有效的法向约束，能有效抑制板料起皱。中国科学院深圳先进技术研究院的王大志等人的“单点无模成形活动支撑装置”，授权公开号：CN201693051U，公开日：2011年1月5日，包括底座、置于所述底座上的升降台组件和转台组件，置于转台组件上的导轨组件，置于导轨组件上且能在导轨组件上滑动的支撑头；升降台组件和转台组件相连接，带动转台组件上下移动；转台组件能在垂直于升降台组件升降方向的平面转动；支撑头在导轨组件上滑动的方向与升降台组件升降的方向处于同一平面且相互垂直。采用升降台组件、转台组件，导轨组件分别控制支撑头在柱坐标中空间点的高度h、转角θ、极径ρ，彻底实现了无模成形加工，具有更大的柔性和灵活性，可以适应多品种产品的生产和加工，并可用于复杂零件的无模成形，具有更大的适应性。

国外方面，美国西北大学的J.Cao等提出了双面单点增量成形工艺，并开发了实验设备，板料沿周长方向通过夹具固定在加工平台上，板料上表面和下表面各有一个冲头，二者通过一个C型框架联动，上冲头根据成形轮廓沿着X、Y、Z方向移动，为主动运动，下冲头通过联动机构实现同步运动，为被动运动。两个冲头之间的垂向间隙和水平偏移量可以进行手动调节，通过控制上冲头的运动轨迹，实现板料成形，对于两面都具有双曲率特征的薄板件具有很高的成形质量。后来又在此基础上改进，开发了新设备，上、下冲头在电机的驱动下，沿着导轨移动，为了实现冲头在X、Y、Z方向上的独立运动，一共需要10个电机，10个电机通过DELTATAU多轴控制系统来控制，工艺路径以坐标形式输入，新工艺在复杂零件成形、模具成本、开发周期、节能和降低CO2排放上有着明显的优势（相关文献：Cao,Jian,Z.CedricXia,TimothyG.Gutowski,etal.AHybridFormingSystem:Electrical-AssistedDoubleSideIncrementalForming(EADSIF)ProcessforEnhancedFormabilityandGeometricalFlexibility[R].No.DOE/EE/0003460.NorthwesternUniversity,2012.相关专利：SystemAndMethodForAccumulativeDoubleSidedIncrementalForming.PatentNO.:US2013/0103177A1.2013）。美国福特公司的CarlFrederickJohnson等人将双面单点增量成形技术应用到实际生产中，开发了一套更为精密的双面单点增量成形设备，板料通过夹持装置夹紧，上、下表面各有一个冲头，它们分别由不同的六足机械手控制，具有六个自由度且运动相互独立，上、下冲头分别按照指定工艺路径沿着工件的上、下表面运动，最终实现板料成形。由于冲头是通过六足机械手控制且相互独立，具有较高的成形精度（相关专利：SystemAndMethodForIncrementallyFormingAWorkpiece.PatentNO.:US8,322,176B2.2009）。

但是以上增量成形设备均存在一个问题：成形具有局限性，变形方式单一，加工柔性较低，大尺寸构件成形过程中局部支撑刚度不足，不适用于复杂多变的大型薄壁件成形。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双面多点增量成形装置，以期实现对薄板进行高柔性的增量成形加工。

根据本发明的一个方面，提供一种双面多点增量成形装置，包括两侧压台、上冲头和下冲头，其特征是，所述两侧压台上设有紧固部件，所述紧固部件用于固定待成形薄板，所述两侧压台用于紧固所述薄板的平面同高，在所述待成形薄板的上方设置所述上冲头，所述上冲头连接至第一机械臂，所述第一机械臂由一个控制单元控制；在所述待成形薄板的下方设置所述下冲头，所述下冲头至少为三个，所述三个下冲头固定在下冲头固定座上，呈多边形排列，所述下冲头固定座连接至第二机械臂，所述第二机械臂由所述控制单元控制，所述上下冲头垂直于所述待成形薄板。

优选地，所述上下冲头的顶部为半球形。

优选地，所述下冲头固定座包括固定盘，在所述固定盘上设有多个长孔，所述长孔呈放射性排列，所述多个下冲头通过其下方的螺杆固定在所述长孔上，所述放射性长孔用于调整多个下冲头之间的间距。

优选地，在所述一个或多个下冲头与固定盘配合面之间设有一个或多个垫片。

优选地，所述垫片有多种厚度规格。

优选地，所述下冲头为三个，所述长孔为三个，三个长孔的中心线之间的夹角各为120度。

优选地，所述三个长孔的一侧或两侧标有刻度。

优选地，所述上下冲头的材质为D2钢。

优选地，所述第一机械臂和第二机械臂具有六个自由度，所述控制单元根据输入代码控制所述第一机械臂和第二机械臂的运动。

优选地，在所述上下冲头的半球形头和/或待成形薄板上涂有润滑剂。

优选地，所述润滑剂为混有石墨粉的油脂。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

（1）整体结构合理，操作使用简单，工作可靠，结构紧凑，模块化好；

（2）上、下冲头形状简单，适用性广，避免了传统模具开发的高成本、长周期问题；

（3）下冲头之间的相对位置可以在加工之前进行手动调整，如果成形件的曲率半径较小，可以适当减小三个下工具头之间的间隙；

（4）下冲头之间是相互独立的且高度可调，具有多种变形方式，实现不同的应力状态，加工柔性较高，能满足不同形式增量成形的要求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的上冲头的结构示意图；

图3为本发明的单个下冲头安装在安装盘上的结构示意图；

图4为本发明对薄板成形加工时的示意图。

图中：1为压台，2为薄板，3为夹头，4为立柱，5为上冲头，6为半球头，7为连接柱，8为第一机械臂，9为下冲头，10为安装盘，11为长孔，12为半球头，13为螺杆，14为螺母，15为连接柱，16为第二机械臂，17为标尺，18为垫片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为了让本发明易于理解，本说明书中使用了一些方向性用语。需要说明的是，本说明书中所提到的方向性用语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等，是参考附图的方向，使用的方向性用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明的保护范围。

参见图1，双面多点增量成形装置的两侧压台1用于固定安装待成形薄板2，每个压台1上均设有两个夹头3，两个压台1上的四个夹头3用于将待成形薄板2固定，四个夹头3用以夹紧待成形薄板2的四个角，夹紧时，薄板2在压台1上的位置调节好之后，下压夹头3，在薄板2的四角产生夹紧力，保证薄板2在成形过程中不会发生偏移，两侧压台1的夹紧平面同高，保证薄板2夹紧后保持水平状态。两个压台通过立柱4支撑，形成工作台。薄板2的上方设置上冲头5，上冲头5为圆柱形（参见图2），在其顶部设有半球头6，上冲头5的底部是连接柱7，用于连接第一机械臂8，连接柱7为螺杆形式，第一机械臂8由控制单元控制，第一机械臂8具有6个自由度，使上冲头5实现前后左右上下运动，实现在薄板2上定位及施力。在薄板2的下方设置三个下冲头9，三个下冲头9固定安装在一个安装盘10上，安装盘10为圆盘形（参见图3），在安装盘10上设置三个长孔11，三个长孔呈Y形放射性排列，每两个长孔11之间的角度为120度。每个下冲头9的顶端设置有半球头12，每个下冲头9的底部为螺杆13，螺杆13用于插入长孔11并通过紧固螺母14将下冲头9固定，下冲头9通过螺杆13和螺母14固定在长孔11的不同位置，实现三个下冲头9的不同间距。在安装盘10的下端设置连接柱15，连接柱15用于连接第二机械臂16，连接柱15为螺杆形式，第二机械臂16也由控制单元控制，操作者可以对控制单元中输入代码来对第一机械臂8和第二机械臂16的运动路径进行合理规划，两个机械臂驱动上下冲头按照设置的路径运动，上下冲头协同作用，实现板料的增量成形。

下冲头9的数量以三个为最佳，三个下冲头9在薄板2上形成三点稳固支撑，使薄板2在成形过程中具有很高的刚度和很好的稳定性。除了三个下冲头9的方式外，也可设置4至6个冲头的结构，甚至更多，适用于大曲面成形的情况，这时，安装盘10上的长孔也相应地设置相同的数量。上冲头5和下冲头9可选用D2钢，其规格有多种，适用于不同工况的成形过程。

参见图3，三个长孔11可以用于三个下冲头9的水平调整，在一个或多个长孔11的边上设置标尺17，可以对下冲头9的调整进行尺寸指导，实现精确微调。上述调整方式是水平方向的调整，而竖直方向的调整可以通过在下冲头9与安装盘10之间加入的垫片18来完成。在每个下冲头9上增加或者减少垫片18的数量可以实现单个下冲头9的高度的独立调节。三个下冲头在竖直方向上的高度可以通过增加或者减少垫片18的方式来分别进行调节，安装时，只需拧下下冲头9底部螺杆13上的螺母14，将下冲头9从安装盘10上取下，将垫片18套在螺杆13上，再将下冲头9插回安装盘10的长孔11中，旋上螺母14即可，垫片18的引用可以增加加工柔性，满足不同成形需要。本发明配备了不同厚度规格的垫片18，通过不同厚度垫片18的叠加，可以实现下冲头9相对高度的精确调节。例如若只增加一个下冲头9底部的垫片18的数量，则它在竖直方向较另外两个下冲头9高，成形时另外两个下冲头9与薄板2不接触，处于悬空状态，不施加支撑力，垫片18较多的下冲头9与薄板2接触，施加成形力，这样可以实现双面两点增量成形（参见图4）。

参见图1，本发明的工作流程如下，先将薄板2固定在压台1上并紧固，选择合适的上冲头5和下冲头9，并将下冲头9在安装盘10定位，确定薄板2要成形的位置信息并输入至控制单元，控制单元驱动第二机械臂16将下冲头9移动至待成形部位并精确定位，为了减小上下冲头与薄板2之间的摩擦力，避免对板料表面造成损伤，保证成形质量，上下冲头与薄板2之间通过涂抹混入石墨粉的油脂进行润滑，控制单元驱动第一机械臂8控制上冲头5移动至薄板2的成形位置，第一机械臂9向下施加成形力，实现对薄板2的双面两点增量成形。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种双面多点增量成形装置，包括两侧压台、上冲头和下冲头，其特征在于，所述两侧压台上设有紧固部件，所述紧固部件用于固定待成形薄板，所述两侧压台用于紧固所述薄板的平面同高，在所述待成形薄板的上方设置所述上冲头，所述上冲头连接至第一机械臂，所述第一机械臂由一个控制单元控制；在所述待成形薄板的下方设置所述下冲头，所述下冲头至少为三个，所述三个下冲头固定在下冲头固定座上，呈多边形排列，所述下冲头固定座连接至第二机械臂，所述第二机械臂由所述控制单元控制，所述上下冲头垂直于所述待成形薄板；

所述下冲头固定座包括固定盘，在所述固定盘上设有多个长孔，所述长孔呈放射性排列，所述三个下冲头通过其下方的螺杆固定在所述长孔上，所述放射性长孔用于调整多个下冲头之间的间距。

2.根据权利要求1所述的双面多点增量成形装置，其特征在于，所述上下冲头的顶部为半球形。

3.根据权利要求1所述的双面多点增量成形装置，其特征在于，在一个或多个下冲头与固定盘配合面之间设有一个或多个垫片。

4.根据权利要求3所述的双面多点增量成形装置，其特征在于，所述垫片有多种厚度规格。

5.根据权利要求1所述的双面多点增量成形装置，其特征在于，所述下冲头为三个，所述长孔为三个，三个长孔的中心线之间的夹角各为120度。

6.根据权利要求5所述的双面多点增量成形装置，其特征在于，所述三个长孔的一侧或两侧标有刻度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的双面多点增量成形装置，其特征在于，所述上下冲头的材质为D2钢。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的双面多点增量成形装置，其特征在于，所述第一机械臂和第二机械臂具有六个自由度，所述控制单元根据输入代码控制所述第一机械臂和第二机械臂的运动。

9.根据权利要求2至6中任一项所述的双面多点增量成形装置，其特征在于，在所述上下冲头的半球形头和/或待成形薄板上涂有润滑剂。

10.根据权利要求9所述的双面多点增量成形装置，其特征在于，所述润滑剂为混有石墨粉的油脂。