CN103480713A - 柔性拉形装置及利用柔性拉形装置进行板料拉形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性拉形装置及利用柔性拉形装置进行板料拉形的方法，用于解决现有可重构单向连续模具型面的柔性拉形装置拉形精度差的技术问题。技术方案是装置包括工业机器手、加热成形头、电源、多点模具、钉柱和聚氨酯弹性垫。钉柱安装在多点模具的底座上，聚氨酯弹性垫位于钉柱上方，聚氨酯弹性垫的下表面与钉柱的钉头形成的离散曲面贴合，板料位于聚氨酯弹性垫上方，板料的下表面与聚氨酯弹性垫的上表面贴合，加热成形头位于板料的上方，加热成形头的球头表面与板料上表面接触。本发明采用电磁感应加热的成形头在拉形过程中对板料进行局部加热，所在区域的局部热效应能够降低材料的变形抗力，使塑性提高，回弹量减小，提高了材料成形精度。

Description

柔性拉形装置及利用柔性拉形装置进行板料拉形的方法

技术领域

本发明涉及一种柔性拉形装置。还涉及利用这种柔性拉形装置进行板料拉形的方法。

背景技术

拉形技术主要用于制造曲率变化较平缓的大型钣金件。在成形过程中，板料两端用拉形机的夹钳夹紧，拉形模由工作台顶升与板料接触，随着拉形模上升，板料逐步与拉形模贴合，在拉形过程中,板料的变形接近平面应变,由于拉应力占主导且沿板厚基本不存在应变梯度，使板料剖面内的应力分布趋于均匀一致，从而减小回弹，提高了成形件的精度。拉形是飞机蒙皮件的主要成形方法，传统的蒙皮拉形采用整体式模具，但所需要的拉形模具数量太多，如一架普通的战斗机就有蒙皮零件数百件，需要的拉形模达数百套，因此，其制造成本高，周期长，为实现数字化制造工程，用柔性多点拉形模代替整体结构的拉形模，将多点模具用于拉形工艺，将节省大量的模具制造费用，而且应用数控技术可快速地生成所需的目标曲面模具，工作效率也将明显提高。

参考图6，文献“专利公开号是CN102205366A的中国发明专利”公开了一种可重构单向连续模具型面的柔性拉形装置，该装置由紧密排列的柔性条16阵列构成模具型面,柔性条16沿垂直于拉形方向排列，每个柔性条16由一排钉柱5控制，每个钉柱5都可以独立进行高度调整，通过钉柱5的高度控制，改变各柔性条16的曲线形状，形成具有不同三维型面的多点模具4，将板料7放在柔性条16构成的型面上进行拉形。该装置介绍了一种可快速构成型面单向连续的拉形模具，用于不同形状的三维曲面零件的拉伸成形，该装置由紧密排列的柔性条阵列构成模具型面，柔性条沿垂直于拉形方向排列使得所构成的模具型面在垂直于拉形方向具有连续性，与现有的离散模具拉形相比，可明显提高成形质量，但是，该装置有以下不足地方，沿着拉形方向模具型面仍处于离散状态，接触处会产生过度的局部变形，沿着拉形方向会形成阶梯式压痕缺陷，成形效果及材料的成形性有限。多点模具可以替代传统的整体模具进行不同形状零件的成形，但由于多点模具的型面是由基本体冲头构成的离散曲面，在多点拉形中，多点模具与板料之间需使用聚氨酷板弹性垫，以消除离散模具点接触对成形件的影响，在拉形过程中，聚氨酷板产生弹性变形分散了离散模具点接触的集中力，获得抑制压痕缺陷的效果，但由于固体聚氨酷材料流动性有限，只能填充基本体之间少部分间隙，离散模具的影响仍能传递到成形件上，多点拉形很难得到更高精度的成形效果。

发明内容

为了克服现有可重构单向连续模具型面的柔性拉形装置拉形精度差的不足，本发明提供一种柔性拉形装置。该装置包括工业机器手、加热成形头、电源、多点模具、钉柱和聚氨酯弹性垫。钉柱安装在多点模具的底座上，聚氨酯弹性垫位于钉柱上方，聚氨酯弹性垫的下表面与钉柱的钉头形成的离散曲面贴合，板料位于聚氨酯弹性垫上方，板料的下表面与聚氨酯弹性垫的上表面贴合，拉形机钳口分别位于板料的两端，将板料夹紧，加热成形头位于板料的上方，加热成形头的球头表面与板料上表面接触，加热成形头的外接导线连接到电源。拉形时启动拉形机并通过拉形机钳口夹持板料，同时计算机控制系统通过NC代码控制工业机器手按预定轨迹运动，进而实现对变形量较大的区域以及压痕等成形缺陷区域的局部加热，完成电磁感应加热辅助柔性拉形过程。本发明在多点模具与板料之间使用聚氨酯弹性垫，聚氨酯弹性垫产生弹性变形分散了离散模具点接触的集中力，获得抑制压痕缺陷的效果；同时采用电磁感应加热的成形头在拉形过程中对板料进行局部加热，所在区域的局部热效应能够降低材料的变形抗力，使塑性提高，回弹量减小，可以提高材料成形精度。

本发明还提供利用这种柔性拉形装置进行板料拉形的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种柔性拉形装置，包括多点模具4和钉柱5，其特点是：还包括工业机器手1、加热成形头2、电源3和聚氨酯弹性垫6。所述多点模具4由底座和多组排列的钉柱5构成，底座起固定钉柱5的作用，钉柱5的钉头所形成的离散曲面构成模具的型面，采用机械方式的控制单元来调整螺杆正向或反向转动，使钉柱5上升或下降。所述钉柱5安装在多点模具4的底座上，聚氨酯弹性垫6位于钉柱5上方，聚氨酯弹性垫6的下表面与钉柱5的钉头所形成的离散曲面贴合，板料7位于聚氨酯弹性垫6上方，板料7的下表面与聚氨酯弹性垫6的上表面贴合，拉形机钳口8分别位于板料7的两端，将板料7夹紧，加热成形头2位于板料7的上方，加热成形头2的球头表面与板料7上表面接触，加热成形头2的外接导线连接到电源3。所述加热成形头2包括连接杆9、感应加热块10、纤维层11、云母板12和工具头13。所述感应加热块10是圆筒形，两端有凸耳结构。所述连接杆9的一端通过螺纹连接到感应加热块10的一端，连接杆9的另一端连接到工业机器手1的夹持端，工具头13通过螺纹连接到感应加热块10的另一端，连接杆9凸台面与感应加热块10的外端面贴合，云母板12安装在感应加热块10的旋转槽内，云母板12将感应加热块10的旋转槽表面包裹，云母板12外侧包裹一层纤维层11，纤维层11外侧为感应线圈，感应线圈由紫铜线14外面包裹玻璃纤维布15组成，感应线圈外侧另外裹一层纤维层11。

所述电源3是高频脉冲开关电源。

所述聚氨酯弹性垫6的材料是混炼型聚氨酯橡胶。

所述连接杆9材料是氧化锆陶瓷。

所述纤维层11的材料是高铝硅酸铝纤维。

所述工具头13的材料是铝黄铜。

一种利用上述柔性拉形装置进行板料拉形的方法，其特点是包括以下步骤：

第一步，根据待成形零件的外形尺寸特点，运用CAD软件CATIA V5对待成形零件进行三维建模，根据拉形零件的数字模型，由CATIA提取零件的外形信息作为拉形几何模面，得到初始拉形模具型面，根据模具型面设计钉柱5的高度调形数据，通过数控或机械方式的控制单元调整螺杆正向或反向转动，使钉柱5上升或下降，当所有钉柱5均达到所需高度定位后，即完成多点模具的调形。

第二步，将多点模具4和工业机器手1通过紧固螺栓安装在拉形机工作台上，完成装置中主要工作部分的定位与紧固，然后将加热成形头2安装在工业机器手1的夹持端，并且完成相应电磁感应加热控制系统的接线，接着将聚氨酯弹性垫6放在多点模具4上，然后将板料7放在聚氨酯弹性垫6上并用拉形机钳口8进行装夹。

第三步，启动计算机控制系统，根据ABAQUS有限元分析软件对零件三维模型的多点模具4的拉形过程模拟结果得到的拉形过程中变形量较大区域以及压痕等成形缺陷区域的数据信息，规划电磁感应加热的成形头轨迹，并转化为NC数控程序代码，随后控制工业机器手将加热成形头2压在板料7的表面并调整其位置使其达到预先确定的初始位置，完成整个系统的找正。

第四步，启动拉形机，进行相关参数设定，其中加热成形头2在板料7表面上运动的匀速进给速度为0.5mm/s，采用计算机精确驱动工业机器手1沿预先得到的3D轨迹运动，直至整个拉形过程完成。

第五步，将零件卸载后，将零件测量结果与零件的理论外形对比，进行成形精度测量，根据板料7回弹后与理论外形的对比结果，修正成形轨迹和成形参数，再次装夹好板料7进行成形加工，直至最终加工出精度满意的零件，记录成形轨迹和成形参数，以后生产零件时，直接调用相关成形轨迹和成形参数。

本发明的有益效果是：该装置包括工业机器手、加热成形头、电源、多点模具、钉柱和聚氨酯弹性垫。钉柱安装在多点模具的底座上，聚氨酯弹性垫位于钉柱上方，聚氨酯弹性垫的下表面与钉柱的钉头形成的离散曲面贴合，板料位于聚氨酯弹性垫上方，板料的下表面与聚氨酯弹性垫的上表面贴合，拉形机钳口分别位于板料的两端，将板料夹紧，加热成形头位于板料的上方，加热成形头的球头表面与板料上表面接触，加热成形头的外接导线连接到电源。拉形时启动拉形机并通过拉形机钳口夹持板料，同时计算机控制系统通过NC代码控制工业机器手按预定轨迹运动，进而实现对变形量较大的区域以及压痕等成形缺陷区域的局部加热，完成电磁感应加热辅助柔性拉形过程。本发明在多点模具与板料之间使用聚氨酯弹性垫，聚氨酯弹性垫产生弹性变形分散了离散模具点接触的集中力，获得抑制压痕缺陷的效果；同时采用电磁感应加热的成形头在拉形过程中对板料进行局部加热，所在区域的局部热效应能够降低材料的变形抗力，使塑性提高，回弹量减小，提高了材料成形精度。

以下结合附图和实施例详细说明本发明。

附图说明

图1是本发明柔性拉形装置的示意图。

图2是图1中多点模具与聚氨酯弹性垫连接结构示意图。

图3是图1中加热成形头的结构放大图。

图4是图1中加热成形头的剖视放大图。

图5是本发明方法的流程图。

图6是背景技术可重构单向连续模具型面的柔性拉形装置的示意图。

图中，1-工业机器手、2-加热成形头、3-电源、4-多点模具、5-钉柱、6-聚氨酯弹性垫、7-板料、8-拉形机钳口、9-连接杆、10-感应加热块、11-纤维层、12-云母板、13-工具头、14-紫铜线、15-玻璃纤维布、16-柔性条。

具体实施方式

参照图1－5。本实施例是用于尺寸2000mm×260mm，厚度为2mm的2024铝合金板料的电磁感应加热辅助柔性拉形，包括成形装置的工业机器手1、加热成形头2、电源3、多点模具4、钉柱5、聚氨酯弹性垫6、拉形机钳口8以及螺栓等标准件。

多点模具的钉柱5安装在多点模具4的底座上，聚氨酯弹性垫6位于多点模具钉柱5上方，聚氨酯弹性垫6的下表面与多点模具钉柱5的钉头所形成的离散曲面贴合，板料7位于聚氨酯弹性垫6上方，板料7的下表面与聚氨酯弹性垫6的上表面贴合，拉形机钳口8分别位于板料7的两端，将板料7夹紧，拉形机钳口8位于拉形机的悬臂上，加热成形头2位于板料7的上方，加热成形头2的球头表面与板料7上表面接触，加热成形头2的外接导线连接到电源3。

所述加热成形头2的连接杆9的一端通过螺纹连接旋进感应加热块10的一端，连接杆9的另一端安装到工业机器手的夹持端，工具头13通过螺纹连接旋进感应加热块10的另一端，连接杆9凸台面与感应加热块10的外端面贴合，云母板12安装在感应加热块10的旋转槽内，云母板12将感应加热块10的旋转槽表面包裹，云母板12外侧包裹一层纤维层11，纤维层11外侧为感应线圈，感应线圈由紫铜线14外面包裹玻璃纤维布15组成，感应线圈外侧裹另外一层纤维层11。

所述多点模具4底座的尺寸400mm×300mm×180mm，起固定钉柱5的作用，所述多点模具钉柱5的直径为8mm，高240mm，多点模具由(26×40)个钉柱组成，钉柱中心的间距为10mm，采用机械方式的控制单元来调整螺杆正向或反向转动，使钉柱上升或下降，材料45钢，起构成模具型面的作用。

所述的聚氨酯弹性垫6是一种混炼型聚氨酯橡胶，采用聚醚多元醇与二苯甲烷二异氰酸酯为主体原料合成的具有不饱和结构的生胶经混炼后制成，本实例中的尺寸为800mm×300mm×20mm，邵氏硬度范围50～95，作用为消除离散模具点接触对成形件的影响，在拉形过程中，聚氨酷板产生弹性变形分散了离散模具点接触的集中力，获得抑制压痕缺陷的效果。

所述的加热成形头3相关参数，其中电磁感应线圈规格为2mm的紫铜线14绕制成直径28mm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15将每匝线圈隔开，包裹后直径变为4mm，总共绕制13匝，感应加热块10为外径20mm，内径10mm，高度60mm的圆筒，两端有厚度为10mm，外径32mm的凸耳结构，感应加热块10外侧有一层厚度为1mm的云母板12，起隔热保温作用，云母板12外侧包裹一层厚度为3mm的高铝硅酸铝纤维层11，可以有效的防止温度通过热辐射传导到线圈上面，并能起到耐磨的作用，第一层纤维层11位于感应线圈结构内侧，电磁感应线圈外层缠绕一层厚度为2mm的高铝硅酸铝纤维层11，起到紧固线圈及耐磨的作用，工具头13材料为铝黄铜，具有较高的强度，又是抗磁性材料，球形工具头13直径10mm，长度80mm，顶端开始40mm范围内开有螺纹，连接杆9材料为氧化锆陶瓷，具有良好的绝缘隔热效果，连接杆9由三段圆柱组成，第一段直径10mm的圆柱高度为20mm，15mm范围内开有螺纹，第二段直径30mm的圆柱高度为10mm，第三段直径20mm的圆柱高度为40mm，为保证成形效果，工具头13表面涂有一层绝缘漆。

所述的工业机器手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，为保证成形效果，夹持端表面涂一层绝缘漆。

所述的电源3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100A，每隔3S发一次脉冲电，每个脉冲持续0.03S。

在使用成形装置进行电磁感应加热辅助柔性拉形时，具体步骤是：

第一步，根据待成形零件的外形尺寸特点，运用CAD软件CATIA V5对待成形零件进行三维建模，根据拉形零件的数字模型，由CATIA提取零件的外形信息作为拉形几何模面，得到初始拉形模具型面，根据模具型面设计多点模具钉柱的高度调形数据，通过数控或机械方式的控制单元调整螺杆正向或反向转动,使钉柱上升或下降，当所有钉柱均达到所需高度定位后,即完成多点模具的调形。

第二步，将多点模具和工业机器手通过紧固螺栓安装在拉形机工作台上，完成装置中主要工作部分的定位与紧固，然后将加热成形头安装在工业机器手的夹持端，并且完成相应电磁感应加热控制系统的接线，接着将聚氨酯弹性垫放在多点模具上，然后将板料放在聚氨酯弹性垫上并用拉形机夹钳进行装夹。

第三步，启动计算机控制系统，根据ABAQUS有限元分析软件对零件三维模型的多点模具的拉形过程模拟结果得到的拉形过程中变形量较大区域以及压痕等成形缺陷区域的数据信息，规划电磁感应加热的成形头轨迹，并转化为NC数控程序代码，随后控制工业机器手将加热成形头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，完成整个系统的找正。

第四步，启动拉形机，进行相关参数设定，其中加热成形头在板料表面上运动的匀速进给速度为0.5mm/s，采用计算机精确驱动工业机器手沿预先得到的3D轨迹运动，直至整个拉形过程完成。

第五步，将零件卸载后，对比测量结果和零件的理论外形，进行成形精度测量，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，再次装夹好板料进行成形加工，直至最终加工出精度满意的零件，记录成形轨迹和成形参数，以后生产零件时，直接调用相关成形轨迹和成形参数。

Claims (7)

1.一种柔性拉形装置，包括多点模具（4）和钉柱（5），其特征在于：还包括工业机器手（1）、加热成形头（2）、电源（3）和聚氨酯弹性垫（6）；所述多点模具（4）由底座和多组排列的钉柱（5）构成，底座起固定钉柱（5）的作用，钉柱（5）的钉头所形成的离散曲面构成模具的型面，采用机械方式的控制单元来调整螺杆正向或反向转动，使钉柱（5）上升或下降；所述钉柱（5）安装在多点模具（4）的底座上，聚氨酯弹性垫（6）位于钉柱（5）上方，聚氨酯弹性垫（6）的下表面与钉柱（5）的钉头所形成的离散曲面贴合，板料（7）位于聚氨酯弹性垫（6）上方，板料（7）的下表面与聚氨酯弹性垫（6）的上表面贴合，拉形机钳口（8）分别位于板料（7）的两端，将板料（7）夹紧，加热成形头（2）位于板料（7）的上方，加热成形头（2）的球头表面与板料（7）上表面接触，加热成形头（2）的外接导线连接到电源（3）；所述加热成形头（2）包括连接杆（9）、感应加热块（10）、纤维层（11）、云母板（12）和工具头（13）；所述感应加热块（10）是圆筒形，两端有凸耳结构；所述连接杆（9）的一端通过螺纹连接到感应加热块（10）的一端，连接杆（9）的另一端连接到工业机器手（1）的夹持端，工具头（13）通过螺纹连接到感应加热块（10）的另一端，连接杆（9）凸台面与感应加热块（10）的外端面贴合，云母板（12）安装在感应加热块（10）的旋转槽内，云母板（12）将感应加热块（10）的旋转槽表面包裹，云母板（12）外侧包裹一层纤维层（11），纤维层（11）外侧为感应线圈，感应线圈由紫铜线（14）外面包裹玻璃纤维布（15）组成，感应线圈外侧另外裹一层纤维层（11）。

2.根据权利要求1所述的柔性拉形装置，其特征在于：所述电源（3）是高频脉冲开关电源。

3.根据权利要求1所述的柔性拉形装置，其特征在于：所述聚氨酯弹性垫（6）的材料是混炼型聚氨酯橡胶。

4.根据权利要求1所述的柔性拉形装置，其特征在于：所述连接杆（9）材料是氧化锆陶瓷。

5.根据权利要求1所述的柔性拉形装置，其特征在于：所述纤维层（11）的材料是高铝硅酸铝纤维。

6.根据权利要求1所述的柔性拉形装置，其特征在于：所述工具头（13）的材料是铝黄铜。

7.一种利用权利要求1所述柔性拉形装置进行板料拉形的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，根据待成形零件的外形尺寸特点，运用CAD软件CATIA V5对待成形零件进行三维建模，根据拉形零件的数字模型，由CATIA提取零件的外形信息作为拉形几何模面，得到初始拉形模具型面，根据模具型面设计钉柱（5）的高度调形数据，通过数控或机械方式的控制单元调整螺杆正向或反向转动，使钉柱（5）上升或下降，当所有钉柱（5）均达到所需高度定位后，即完成多点模具的调形；

第二步，将多点模具（4）和工业机器手（1）通过紧固螺栓安装在拉形机工作台上，完成装置中主要工作部分的定位与紧固，然后将加热成形头（2）安装在工业机器手（1）的夹持端，并且完成相应电磁感应加热控制系统的接线，接着将聚氨酯弹性垫（6）放在多点模具（4）上，然后将板料（7）放在聚氨酯弹性垫（6）上并用拉形机钳口（8）进行装夹；

第三步，启动计算机控制系统，根据ABAQUS有限元分析软件对零件三维模型的多点模具（4）的拉形过程模拟结果得到的拉形过程中变形量较大区域以及压痕等成形缺陷区域的数据信息，规划电磁感应加热的成形头轨迹，并转化为NC数控程序代码，随后控制工业机器手将加热成形头（2）压在板料（7）的表面并调整其位置使其达到预先确定的初始位置，完成整个系统的找正；

第四步，启动拉形机，进行相关参数设定，其中加热成形头（2）在板料（7）表面上运动的匀速进给速度为0.5mm/s，采用计算机精确驱动工业机器手（1）沿预先得到的3D轨迹运动，直至整个拉形过程完成；

第五步，将零件卸载后，将零件测量结果与零件的理论外形对比，进行成形精度测量，根据板料（7）回弹后与理论外形的对比结果，修正成形轨迹和成形参数，再次装夹好板料（7）进行成形加工，直至最终加工出精度满意的零件，记录成形轨迹和成形参数，以后生产零件时，直接调用相关成形轨迹和成形参数。

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