CN103406419A - 一种电磁感应辅助预应力成形装置及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁感应辅助预应力成形装置及成形方法,成形模具和机械手固定在底座上部，电磁线圈安装在机械手的夹头部位，且完成相应电磁感应控制系统的接线，保证成形过程中电磁线圈能够顺利的产生脉冲磁场，在板料上产生感应电流；板料放置在模具上，真空袋放在板料上面，并用真空抽吸装置对真空袋进行抽真空，使板料紧贴模具，起到真空压实作用；计算机控制系统操控进行电磁感应辅助预应力成形。本发明利用感应线圈上的脉冲磁场穿过工件时，工件产生感应电流，电流提高了金属材料的塑性变形能力，促进非晶合金的晶化过程，细化合金的凝固组织，降低成形过程中的变形抗力，减小回弹量，提高其成形精度及综合力学性能。

Description

一种电磁感应辅助预应力成形装置及成形方法

技术领域

本发明涉及钣金结构成形技术领域，具体是一种电磁感应辅助预应力成形装置及成形方法。

背景技术

目前，在现代制造业中，飞机蒙皮和整体壁板零件、汽车覆盖件、家用电器壳体等工件大多是冲压成形件，零部件多采用压力机和模具对板材、带材施加压力，使之产生塑性变形而获得所需形状和尺寸的成形钣金件，这种成形方法制造壳体类零件一般需要采用凸凹模具进行加工。由于凸凹模具的设计制造周期长，成本高，所以这种方式适应于大批量生产，不适合于企业生产单件小批量零件以及试制新产品原型系统，因此会为企业竞争新产品市场带来很大的障碍。同时，传统模具压延成型零件的种类和复杂性都受到很大限制。而且，回弹是板料成形加工中不可必免的问题；为了补偿回弹对成形件精度的影响，实际生产中还需要对模具进行反复修模。为了减少成本、缩短制造时间，需要一种能够简化模具设计制造过程，同时又能有效地补偿回弹对成形精度影响的新方法及相应的成形设备。

发明专利CN101289733A中公开了一种激光辅助预应力喷丸成形-强化复合方法，是以机械预加载方法使工件产生预期的变形，然后向零件弹性能集中区域以激光束扫描，随即沿着激光扫描路径对工件进行喷丸使零件成形的方法。但是该方法采用机械加载方式会对零件表面产生划伤，表面质量差，另外利用激光的热效应降低变形抗力，一般需要激光进行多次扫描，成形过程中需要激光器及喷丸机等设备，操作过程复杂。在专利CN1821910A中介绍了一种板材动圈电磁渐进成形方法及其装置，该方法及其装置是利用电磁成形线圈产生的电磁力使板材发生局部变形，用小电磁脉冲力施行有序的局部塑性成形累积成为大变形的方法把金属板材加工成三维薄壳件。但是该方法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，另外成形压力不易调节控制，不利于对工件的定量精确成形。

发明内容

为克服现有技术中加工零件表面质量差，操作过程复杂，以及成形过程不稳定的问题，同时降低成形过程中的变形抗力，减小回弹量，提高成形精度及结构材料的力学性能，本发明提出一种电磁感应辅助预应力成形装置及成形方法，本方法中采用真空压实方法使工件在弹性范围内发生预期变形，利用电磁感应原理产生的感应电流进行电塑性成形；通过数字化精确控制的成形装置实现电磁感应辅助预应力成形。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:电磁感应辅助预应力成形装置,包括机械手、计算机控制系统、高能脉冲电源、真空抽吸装置、底座，其中，还包括电磁感应线圈、模具、真空袋，模具固定在底座上部的一端,机械手位于底座上部的另一端通过紧固螺栓安装在底座上，电磁感应线圈安装在机械手的夹头部位，高能脉冲电源位于底座前端部，高能脉冲电源的引出导线连接到电磁感应线圈上；真空抽吸装置位于模具的端部,待成形零件放置在模具的凹面内，真空袋位于待成形零件的上方，且与待成形零件的上表面贴合，真空抽吸装置与真空袋连接进行抽真空；计算机控制系统操控进行电磁感应辅助预应力成形。

本发明的电磁感应辅助预应力成形装置进行板料成形的方法，其特点在于包括以下步骤:

步骤1.装夹待成形零件；采用真空袋压实加载方式，将待成形零件安放在模具上，零件上面放置真空袋，真空抽吸装置对真空袋进行抽吸真空，使板料紧贴模具，起到真空压实作用；

步骤2.规划电磁感应线圈移动轨迹，根据工件三维模型特点使用CAD软件CATIA V5中的CAM铣削加工模块规划移动轨迹，将电磁感应线圈压在金属板料的表面并调整其位置使其达到预先确定的初始位置，完成找正过程；

步骤3.设定预应力成形装置参数；将高能脉冲电源连接到电磁感应线圈上；电流为100A，每隔3S发一次脉冲电，每个脉冲持续0.03S；在整个成形过程中，始终保持所设定的参数；

步骤4.设定相关参数，找正完成后，采用计算机精确驱动机械手沿预先得到的3D轨迹运动，直至整个成形过程完成；

步骤5.将加工零件卸载后，进行成形精度测量，根据测量结果，修正成形轨迹和成形参数，再次装夹加工零件进行成形加工，直至最终加工出高精度的零件。

有益效果

本发明提出的一种电磁感应辅助预应力成形装置及成形方法。采用真空压实方法使板料在弹性范围内发生预期弯曲变形，使板料紧贴在模具表面，对板料加载了一个弯曲预应力，真空袋压实加载方式可避免采用机械加载方式会对零件表面产生划伤，成形零件的表面质量好，同时真空袋压实加载方式受力较均匀，避免机械加载方式所造成的局部受力过大，影响零件成形；另外，本发明利用感应线圈上的脉冲磁场穿过工件时会在工件上产生感应电流，采用电流作用弹性变形区，使变形区材料内部的原子获得能量，原子振动增强，从而加快了位错运动，打开了位错间的缠结，使其容易克服滑移面上的障碍，使得材料变形更容易，塑性明显提高，促使弹性内能释放并做塑性功，实现工件整体的电塑性弯曲成形。电流的电塑性效应强于激光的热效应，可以避免激光的热效应时需要进行多次激光扫描以及成形过程中需要激光器及其他辅助设备所带来的操作过程复杂的问题，并且，电流的作用能提高金属材料的塑性变形能力，促进非晶合金的晶化过程，细化合金的凝固组织，改善产品的表面质量，降低成形过程中的变形抗力，减小回弹量，提高成形精度及综合力学性能，并且本发明结构简单、易于加工制造。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种电磁感应辅助预应力成形装置及成形方法作进一步的详细说明。

图1为电磁感应辅助预应力成形装置示意图。

图2为真空袋安装部位剖视图

图3为模具结构示意图。

图4为模具结构局部剖视图。

图5为底座示意图。

图6为成形零件示意图。

其中：

1.机械手2.计算机控制系统3.底座4.模具5.电磁感应线圈6.待成形零件7.高能脉冲电源8.真空抽吸装置9.真空袋10.紧固螺栓

具体实施方式

本实施例是一种电磁感应辅助预应力成形装置及成形方法。

本发明电磁感应辅助预应力成形装置及成形方法，首先根据零件三维模型特点设计并制造出简单模具，然后采用真空压实方法使板料在弹性范围内发生预期变形，板料紧贴在模具表面，对板料加载了一个弯曲预应力的同时又避免了机械加载方式对零件表面的划伤，对工件三维模型使用ABAQUS软件进行有限元模拟分析找到弯曲预应力比较大的区域，并根据工件三维模型特点使用CAD软件CATIA V5中的CAM铣削加工模块规划移动轨迹和成形道次，生成点位文件和NC代码，通过计算机控制系统控制机械手按预定轨迹运动，进而实现对机械手上的电磁感应线圈的运动轨迹的控制，感应线圈上的脉冲磁场穿过工件时会在工件上产生感应电流，在这种电流的作用下变形抗力急剧下降，塑性明显提高，促使弹性内能释放并做塑性功，实现工件整体的电塑性弯曲成形，并且回弹量减小，成形精度高，零件表面质量好。

参阅图1-图5，本实施例是用于长度为400mm，宽度为350mm的金属板料，成形后为曲率半径为250mm的单曲率壳体零件；电磁感应辅助预应力成形装置包括机械手1、计算机控制系统2、底座3、模具4、电磁感应线圈5、待成形零件6、高能脉冲电源7、真空抽吸装置8，真空袋9以及紧固螺栓10,模具4安装在底座3的一端，模具4的底面与底座3的上表面贴合，底座3的另一端有安装孔，机械手1与底座3通过紧固螺栓10连接；待成形零件6安放在模具4的凹面内，待成形零件6的下表面与模具4的凹面贴合，真空袋9安放在待成形零件6的上面，并与待成形零件6的上表面贴合；电磁感应线圈5安装在机械手1的夹头部位，高能脉冲电源7位于底座3的前部，并且与装置内其他部分保持安全距离。底座3为其它各部件提供支撑，底座3的尺寸由模具4和机械手1的尺寸及成形装置的刚度要求确定，材料为45#钢，底座3的一端有机械手1的安装孔，底座3的另一端有模具4的安装孔；本实施例中，底座3的尺寸取1100mm×700mm×150mm的长方体，底座3的一端有4个直径30mm深60mm的螺纹孔用来安装紧固螺栓10紧固机械手1，底座3的另一端有4个阶梯孔来安装螺栓紧固模具，由底座3的底面开始依次为Φ60mm的大孔，深70mm，Φ30mm的小孔，深80mm。模具4呈“U”形，模具4的尺寸由待成形零件6的外形尺寸特点及成形装置刚度的要求确定，并与真空袋9配合对板料提供弯曲预应力的作用；本实施例中，模具4的尺寸为600mm×400mm×250mm的长方体，上端开有直径500mm深100mm的圆弧形槽，模具4的底面有4个Φ30mm，深60mm的螺纹孔将模具4紧固到底座3上，模具4外表面涂有一层绝缘漆。电磁感应线圈5的规格为2mm的紫铜线绕制成直径80mm的感应线圈，线圈表面涂一层绝缘漆，外面包裹一层玻璃纤维布将每匝线圈隔开，包裹后直径变为4mm，总共绕制20匝，线圈头部伸出端通过机械手1的夹头部位夹持，机械手1的夹头部位表面涂一层绝缘漆。机械手1为瑞士ABB电器公司IRB7600-500型工业机器人，参数如下：有效载荷在150～500kg之间，“无手腕”时可达650kg，最大到达距离为2.55～3.5m。，控制系统采用设备配套的IRC5型控制器，具有最佳的轨迹精度和重复定位精度RP=0.08～0.09mm，手腕最大转矩3010Nm，重心360mm。高能脉冲电源7相关参数，选择中山宝辰牌高频脉冲开关电源，输出直流电流:0～10A,100A……30000A任选，输出直流电压:0～6V,12V,24V……600V任选，脉冲占空比:0～100%连续可调，脉冲频率:0～20000HZ连续可调，本实施例中设置为电流为100A，每隔3S发一次脉冲电，每个脉冲持续0.03S。真空袋9及真空抽吸装置8相关参数，其中真空抽吸装置选取蓝星SF6抽真空充气装置，型号为LXV15，外形尺寸:1000mm×500mm×700mm，真空泵抽气速率15L/s，真空袋选择LJR204耐高温真空袋膜，基本宽度1200mm-4600mm，在组合装置及使用时分以下四个步骤。

第一步，先将成形模具和机械手通过紧固螺栓安装在底座上，完成装置中主要工作部分的定位与紧固，然后将电磁线圈安装在机械手的夹头部位，并且完成相应电磁感应控制系统的接线，保证成形过程中电磁线圈能够顺利的产生脉冲磁场，进而在板料上产生感应电流，接着将板料放在模具上，模具上放置真空袋，并用真空抽吸装置对真空袋进行抽真空，使板料上紧贴模具，起到真空压实作用。

第二步，对工件三维模型使用ABAQUS软件进行有限元模拟分析找到弯曲预应力比较大的区域，启动计算机控制系统，接着根据工件三维模型特点使用CAD软件CATIA V5中的CAM铣削加工模块规划移动轨迹和成形道次，生成点位文件和NC代码，计算机控制系统通过程序代码驱动机械手按预定轨迹运动，进而实现机械手上的电磁感应线圈的运动轨迹的控制，然后进行NC代码仿真分析，确保程序正确，随后控制机械手将电磁感应线圈压在金属板料的表面并调整其位置使其达到预先确定的初始位置，完成程序代码中原点的找正。

第三步，找正完成后，进行相关参数设定，其中沿着圆弧面的进给速度0.05mm/s，沿着轴向进给速度为5mm/s，轴向进给量为5mm，采用计算机精确驱动机械手沿预先得到的3D轨迹运动，保证电磁感应线圈与板料时刻保持着8mm的间隙，在中间弯曲预应力比较大的区域沿圆弧面的进给速度降为0.03mm/s，感应线圈上的脉冲磁场穿过工件时会在工件上产生感应电流，在电流的作用下变形抗力急剧下降，塑性明显提高，促使弹性内能释放并做塑性功，实现工件整体的电塑性成形，直至整个成形过程完成。

第四步，将板料零件卸载后，进行成形精度测量，对比测量结果和零件的理论外形，返回到第二步；根据板料回弹后与理论外形的对比结果，修正成形轨迹和成形参数，主要为沿着圆弧面的进给速度、横向进给速度、横向进给量以及电磁感应线圈与板料之间间隙的修正，再次装夹好板料零件进行成形加工，直至最终加工出精度满意的零件。

Claims (2)

1.一种电磁感应辅助预应力成形装置,包括机械手、计算机控制系统、高能脉冲电源、真空抽吸装置、底座，其特征在于:还包括电磁感应线圈、模具、真空袋，模具固定在底座上部的一端,机械手位于底座上部的另一端通过紧固螺栓安装在底座上，电磁感应线圈安装在机械手的夹头部位，高能脉冲电源位于底座前端部，高能脉冲电源的引出导线连接到电磁感应线圈上；真空抽吸装置位于模具的端部,待成形零件放置在模具的凹面内，真空袋位于待成形零件的上方，且与待成形零件的上表面贴合，真空抽吸装置与真空袋连接进行抽真空；计算机控制系统操控进行电磁感应辅助预应力成形。

2.一种如权利要求1所述的电磁感应辅助预应力成形装置进行零件的成形方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.装夹待成形零件；采用真空袋压实加载方式，将待成形零件安放在模具上，零件上面放置真空袋，真空抽吸装置对真空袋进行抽吸真空，使板料紧贴模具，起到真空压实作用；

步骤2.规划电磁感应线圈移动轨迹，根据工件三维模型特点使用CAD软件CATIA V5中的CAM铣削加工模块规划移动轨迹，将电磁感应线圈压在金属板料的表面并调整其位置使其达到预先确定的初始位置，完成找正过程；

步骤3.设定预应力成形装置参数；将高能脉冲电源连接到电磁感应线圈上；电流为100A，每隔3S发一次脉冲电，每个脉冲持续0.03S；在整个成形过程中，始终保持所设定的参数；

步骤4.设定相关参数，找正完成后，采用计算机精确驱动机械手沿预先得到的3D轨迹运动，直至整个成形过程完成；

步骤5.将加工零件卸载后，进行成形精度测量，根据测量结果，修正成形轨迹和成形参数，再次装夹加工零件进行成形加工，直至最终加工出高精度的零件。

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