CN103480751B - 增量成形装置及利用这种增量成形装置进行增量成形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增量成形装置及利用这种增量成形装置进行增量成形的方法，用于解决现有板材动圈电磁渐进成形装置成形精确度差的技术问题。技术方案是工业机器手和C形框分别固定在底座的两端，夹持框位于C形框的开口处，加热成形头安装在工业机器手的夹持端，加热成形头的控制系统与高能脉冲电源连接。加热成形时，将板料放在夹持框上并夹紧，然后将C形框安装在工业机器手上，并且将加热成形头安装好，通过压缩弹簧对板料施加挤压力，同时，C形框可以保证加热成形头的运动协调一致。由于加热成形头采用电磁感应进行加热，在成形过程中加热成形头与板料接触变形区的局部热效应能够降低材料的变形抗力，使塑性提高，成形精度高。

Description

增量成形装置及利用这种增量成形装置进行增量成形的方法

技术领域

本发明涉及一种增量成形装置。还涉及利用这种增量成形装置进行增量成形的方法。

背景技术

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，这些零件大多是采用压力机和模具对板材、带材施加压力，使之产生塑形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进行加工。因为凸凹模具的设计制造周期长，成本高，所以这种方法适应于大批量生产，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，这就为企业争夺新产品市场带来了很大的障碍，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。因此，为了减少成本、缩短制造时间，需要一种即不需要模具，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。单点渐进成形已经取消了对专用工具的需求，但在成形过程中由于缺少支撑模具的结构影响了板料渐进成形工件的加工精度，比利时学者提出采用激光辅助加热渐进成形方法，降低加工力，提高空间加工精度。

文献1“专利公开号是CN101318203A的中国发明专利”公开了一种板料电加热数控渐进成加工形方法及装置，该方法通过大载流导线将电源、压头、夹具和板料构成电流回流，使成形过程中加工区材料产生焦耳热而软化，有利于成形过程顺利进行。但是该方法有如下缺点：电流流经部件较多，导致电流分散，装置需要专门的绝缘处理，若处理不当会威胁人员及设备安全。

参照图7。文献2“专利公开号是CN1821910A的中国发明专利”公开了一种板材动圈电磁渐进成形方法及其装置，该装置的组成包括计算机控制系统、电磁力发生系统以及板材夹持升降装置、支撑模型架、电磁成形夹持杆等的三轴数控成形系统组成，计算机控制系统控制移动块17和动梁23来实现电磁成形线圈的运动，电磁力发生系统主要由电源8和相应连接电路组成，板材夹持升降装置由导柱18和支撑传动装置22完成，支撑模型20通过支架21安装在工作台19上，板料位于压板5和夹持框6之间，通过螺栓连接夹紧。成形方法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。但是该方法有如下缺点：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

为了克服现有板材动圈电磁渐进成形装置成形精确度差的不足，本发明提供一种增量成形装置。该装置将工业机器手和C形框分别固定在底座的两端，夹持框位于C形框的开口处，加热成形头安装在工业机器手的夹持端，加热成形头的控制系统与高能脉冲电源连接，保证成形过程中电磁线圈能够顺利的产生脉冲磁场，进而利用加热成形头上感应电流的热效应进行加热。加热成形时，将板料放在夹持框上并夹紧，然后将C形框安装在工业机器手上，并且将加热成形头安装好，通过压缩弹簧对板料施加挤压力，同时，C形框可以保证加热成形头的运动协调一致。本发明采用加热成形头的工具头与挤压工具头配合进行增量成形，无需专用模具，双工具头分别作用于板料的两侧，既可实现板料的拉伸变形，也可实现挤压变形，通过两种变形的结合，可制造出具有内凹外凸等复杂曲面形状的金属板料零件。由于加热成形头采用电磁感应进行加热，在成形过程中加热成形头与板料接触变形区的局部热效应能够降低材料的变形抗力，使塑性提高，并且回弹量减小，成形精度高，成形后零件表面质量好。

本发明还提供利用这种增量成形装置进行增量成形的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种增量成形装置，包括压板5、夹持框6和电源8，其特点是：还包括工业机器手1、C形框2、加热成形头3、挤压工具头4、底座7和压缩弹簧9。所述的夹持框6由四个矩形块固连而成，左右两个矩形块尺寸相同，上下两个矩形块尺寸相同，夹持框6上方的矩形块上有方槽，夹持框6下方的矩形块上有用来安装螺栓的圆孔。所述的压板5是长方形板，大小与夹持框6上方的矩形块尺寸相同，且有与夹持框6上方矩形块上的方槽大小相同的方槽。夹持框6与压板5配合用于夹持板料。所述的电源8是高频脉冲开关电源。工业机器手1和C形框2分别固定在底座7的两端，夹持框6位于C形框2的开口处，螺栓穿过夹持框6下方矩形块上的圆孔将夹持框6固定在底座7上。加热成形头3安装在工业机器手1的夹持端，加热成形头3的控制系统与电源8电连接。所述C形框2有两个等腰直角三角形加强结构，C形框2的顶部有螺纹孔，C形框2的底部有两个长方体用于安装挤压工具头4。所述挤压工具头4是由不同直径的圆柱与圆锥台的组合体。所述加热成形头3包括连接杆10、感应加热块11、纤维层12、云母板13和工具头14，所述感应加热块11的电磁感应线圈由紫铜线15绕制而成，线圈表面涂一层绝缘漆，绝缘漆外面包裹一层玻璃纤维布16将每匝线圈隔开。所述连接杆10由三段圆柱组成，小圆柱端有与感应加热块11配合的螺纹，连接杆10通过螺纹连接旋进感应加热块11的一端，连接杆10另一端连接到工业机器手1的夹持端，所述感应加热块11的形状是圆筒状，两端有凸耳结构，工具头14通过螺纹连接旋进感应加热块11的另一端，所述工具头14是圆柱体，一端是球形头，另一端是平头，平头端有与感应加热块11配合的螺纹，连接杆10凸台面与感应加热块11的外端面贴合，云母板13安装在感应加热块11的旋转槽内，云母板13将感应加热块11的旋转槽表面包裹，云母板13外侧包裹一层纤维层12，纤维层12外侧为感应线圈，感应线圈由紫铜线15外面包裹玻璃纤维布16组成，感应线圈外侧裹另外一层纤维层12。

所述压缩弹簧9的材料是65Mn。

所述纤维层12的材料是高铝硅酸铝。

所述工具头14的材料是铝黄铜。

所述连接杆10材料是氧化锆陶瓷。

一种利用上述增量成形装置进行增量成形的方法，其特点是包括以下步骤：

第一步，先将夹持板料的夹持框6和工业机器手1通过紧固螺栓安装在底座7上，然后将加热成形头3安装在工业机器手1的夹持端，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，进而利用加热成形头3上感应电流的热效应进行加热，接着将板料放在夹持框6上并夹紧，然后将C形框2安装在工业机器手1上，并且将挤压工具4头安装好，通过压缩弹簧9对板料施加挤压力。

第二步，启动计算机控制系统，利用编程软件将三维模型沿高度方向进行离散，并生成各等高线层面上的加工轨迹，并转化为NC数控程序代码，控制工业机器手1将加热成形头3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，调整C形框2的位置，使挤压工具头4对板料产生挤压力，完成整个系统的找正。

第三步，找正完成后，进行相关参数设定，其中加热成形头3在板料表面上由四周向中心做螺旋回转运动的速度为5mm/s，在垂直于板料平面上做0.01mm/s的匀速进给运动，采用计算机驱动工业机器手1沿预先得到的3D轨迹运动，金属板料逐渐变形，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，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。

本发明的有益效果是：增量成形装置是将工业机器手和C形框分别固定在底座的两端，夹持框位于C形框的开口处，加热成形头安装在工业机器手的夹持端，加热成形头的控制系统与高能脉冲电源连接，保证成形过程中电磁线圈能够顺利的产生脉冲磁场，进而利用加热成形头上感应电流的热效应进行加热。加热成形时，将板料放在夹持框上并夹紧，然后将C形框安装在工业机器手上，并且将加热成形头安装好，通过压缩弹簧对板料施加挤压力，同时，C形框可以保证加热成形头的运动协调一致。本发明采用加热成形头的工具头与挤压工具头配合进行增量成形，无需专用模具，双工具头分别作用于板料的两侧，既可实现板料的拉伸变形，也可实现挤压变形，通过两种变形的结合，可制造出具有内凹外凸等复杂曲面形状的金属板料零件。由于加热成形头采用电磁感应进行加热，在成形过程中加热成形头与板料接触变形区的局部热效应能够降低材料的变形抗力，使塑性提高，并且回弹量减小，成形精度高，成形后零件表面质量好。

以下结合附图和实施例详细说明本发明。

附图说明

图1是本发明电磁感应加热增量成形装置的示意图。

图2是图1中加热成形头的剖视放大图。

图3是图1中C形框与挤压工具头连接结构示意图。

图4是图1中夹持框与压板连接结构示意图。

图5是图4中夹持框结构示意图。

图6是本发明电磁感应加热增量成形方法的流程图。

图7是背景技术板材动圈电磁渐进成形装置结构示意图。

图中，1-工业机器手、2-C形框、3-加热成形头、4-挤压工具头、5-压板、6-夹持框、7-底座、8-电源、9-压缩弹簧、10-连接杆、11-感应加热块、12-纤维层、13-云母板、14-工具头、15-紫铜线、16-玻璃纤维布、17-移动块、18-导柱、19-工作台、20-支撑模型、21-支架、22-支撑传动装置、23-动梁。

具体实施方式

参照图1－6。本实施例是用于尺寸400mm×300mm，厚度为1mm的2024铝合金板料的增量成形。电磁感应加热增量成形装置包括工业机器手1、C形框2、加热成形头3、挤压工具头4、压板5、夹持框6、底座7、电源8和压缩弹簧9。

所述夹持框6安装在底座7上的一端，夹持框6的底面与底座7上表面贴合，通过螺栓紧固，工业机器手1安装在底座7上的另一端，工业机器手1的底面与底座7上表面贴合，通过螺栓紧固，压板5位于夹持框6上方，压板5的底面与夹持框6的上表面平行，通过螺栓紧固，待成形铝合金板料安装于压板5和夹持框6之间，加热成形头3安装在工业机器手1的夹持端，加热成形头3的外接导线连接到电源8，C形框2安装在工业机器手1的夹头处，通过螺栓紧固，挤压工具头4和压缩弹簧9安装在C形框2的固定槽内，压缩弹簧9位于挤压工具头4的下方。

所述加热成形头3的电磁感应线圈由紫铜线15绕制而成，线圈表面涂一层绝缘漆，绝缘漆外面包裹一层玻璃纤维布16将每匝线圈隔开。所述连接杆10由三段圆柱组成，小圆柱端有与感应加热块11配合的螺纹，连接杆10通过螺纹连接旋进感应加热块11的一端，连接杆10另一端连接到工业机器手1的夹持端，所述感应加热块11的形状是圆筒，两端有凸耳结构，工具头14通过螺纹连接旋进感应加热块11的另一端，所述工具头14是圆柱体，一端是球形头，另一端是平头，平头端有与感应加热块11配合的螺纹，连接杆10凸台面与感应加热块11的外端面贴合，云母板13安装在感应加热块11的旋转槽内，云母板13将感应加热块11的旋转槽表面包裹，云母板13外侧包裹一层纤维层12，纤维层12外侧为感应线圈，感应线圈由紫铜线15外面包裹玻璃纤维布16组成，感应线圈外侧裹另外一层纤维层12。

所述的底座7为本实施例的载体，底座7的尺寸由夹持框6和工业机器手1的尺寸及成形装置的刚度要求确定，材料45钢，起固定夹持框和工业机器手的作用，上方有夹持框6和工业机器手1的安装孔，本实施例中取1100mm×700mm×150mm的长方体，一侧有4个直径30mm深60mm的螺纹孔用来安装螺栓紧固工业机器手1，另一侧有4个直径30mm深60mm的螺纹孔来安装螺栓紧固夹持框6。

所述的C形框2及挤压工具头4的相关尺寸，材料为45钢，C形框2的主体尺寸为480mm×420mm×80mm，开有380mm×360mm的槽，有两个斜边长100mm的等腰直角三角形加强结构，顶部有直径20mm螺纹孔用于将C形框2紧固到工业机器人1上，底部两个80mm×50mm×30mm的长方体用于安装挤压工具头4，每个长方体上开有两个直径12mm螺纹孔，长方体之间有直径20mm的圆孔安放成形头底端，尺寸为100mm×80mm×20mm的压板，中间开有直径20mm的圆孔，安装成形头，四周开有直径12mm圆孔安装螺栓，挤压工具头底端为直径20mm，高60mm的圆柱，紧接着直径35mm，高10mm圆柱，然后直径20mm，高40mm圆柱，最后为圆锥台，球头直径10mm，为保证成形效果，挤压工具头4表面涂一层绝缘漆。

所述压缩弹簧9的材料是65Mn，压缩弹簧直径35mm，高度42mm，螺距4mm，压缩弹簧线直径1.96mm。

所述的夹持框6和压板5用于夹持板料，材料45钢，待成形铝合金板料安装于压板5和夹持框6之间，夹持框6由四个矩形块焊接而成，夹持框6的左右两侧矩形块尺寸相同，均为300mm×280mm×60mm，并且两侧矩形块上有尺寸为180mm×140mm的方槽，夹持框6的上下两个矩形块的主体尺寸相同为400mm×300mm×60mm，并且夹持框6的上方矩形块上有240mm×140mm的方槽，夹持框6的下方矩形块上有有四个直径30mm的圆孔来安装螺栓，压板5的尺寸与夹持框6的上方矩形块的尺寸相同，为保证成形效果，压板5及夹持框6的上方矩形块表面均涂一层绝缘漆。

所述加热成形头3相关参数，其中电磁感应线圈规格为2mm的紫铜线15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16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11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11外侧有一层厚度为1mm的云母板13，起隔热保温作用，云母板13外侧包裹一层厚度为3mm的高铝硅酸铝纤维层12，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12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12，起到紧固线圈及耐磨的作用，工具头14材料为铝黄铜，具有较高的强度，又是抗磁性材料，工具头14直径10mm，长度80mm，顶端开始40mm范围内开有螺纹，连接杆10材料为氧化锆陶瓷，具有良好的绝缘隔热效果，连接杆10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14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，夹头部位表面涂一层绝缘漆。

所述的电源8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。

利用上述增量成形装置进行增量成形的方法分以下四个步骤。

第一步，先将夹持板料的夹持框6和工业机器手1通过紧固螺栓安装在底座7上，然后将加热成形头3安装在工业机器手1的夹持端，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，进而利用加热成形头3上感应电流的热效应进行加热，接着将板料放在夹持框6上并夹紧，然后将C形框2安装在工业机器手1上，并且将挤压工具头4安装好，通过压缩弹簧9对板料施加挤压力。

第二步，启动计算机控制系统，利用编程软件将三维模型沿高度方向进行离散，并生成各等高线层面上的加工轨迹，并转化为NC数控程序代码，控制工业机器手1将加热成形头3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，调整C形框2的位置，使挤压工具头4对板料产生挤压力，完成整个系统的找正。

第三步，找正完成后，进行相关参数设定，其中加热成形头3在板料表面上由四周向中心做螺旋回转运动的速度为5mm/s，在垂直于板料平面上做0.01mm/s的匀速进给运动，采用计算机驱动工业机器手1沿预先得到的3D轨迹运动，金属板料逐渐变形，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，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 (6)

1.一种增量成形装置，包括压板(5)、夹持框(6)和电源(8)，其特征在于：还包括工业机器手(1)、C形框(2)、加热成形头(3)、挤压工具头(4)、底座(7)和压缩弹簧(9)；所述的夹持框(6)由四个矩形块固连而成，左右两个矩形块尺寸相同，上下两个矩形块尺寸相同，夹持框(6)上方的矩形块上有方槽，夹持框(6)下方的矩形块上有用来安装螺栓的圆孔；所述的压板(5)是长方形板，大小与夹持框(6)上方的矩形块尺寸相同，且有与夹持框(6)上方矩形块上的方槽大小相同的方槽；夹持框(6)与压板(5)配合用于夹持板料；所述的电源(8)是高频脉冲开关电源；工业机器手(1)和C形框(2)分别固定在底座(7)的两端，夹持框(6)位于C形框(2)的开口处，螺栓穿过夹持框(6)下方矩形块上的圆孔将夹持框(6)固定在底座(7)上；加热成形头(3)安装在工业机器手(1)的夹持端，加热成形头(3)的控制系统与电源(8)电连接；所述C形框(2)有两个等腰直角三角形加强结构，C形框(2)的顶部有螺纹孔，C形框(2)的底部有两个长方体用于安装挤压工具头(4)；所述挤压工具头(4)是不同直径的圆柱与圆锥台的组合体；所述加热成形头(3)包括连接杆(10)、感应加热块(11)、纤维层(12)、云母板(13)和工具头(14)，所述感应加热块(11)的电磁感应线圈由紫铜线(15)绕制而成，线圈表面涂一层绝缘漆，绝缘漆外面包裹一层玻璃纤维布(16)将每匝线圈隔开；所述连接杆(10)由三段圆柱组成，连接杆(10)一端有与感应加热块(11)配合的螺纹，连接杆(10)通过螺纹连接旋进感应加热块(11)的一端，连接杆(10)另一端连接到工业机器手(1)的夹持端，所述感应加热块(11)的形状是圆筒状，两端有凸耳结构；所述工具头(14)是圆柱体，一端是球形头，另一端是平头，平头端有与感应加热块(11)配合的螺纹，工具头(14)通过螺纹连接旋进感应加热块(11)的另一端，连接杆(10)凸台面与感应加热块(11)的外端面贴合，所述云母板(13)安装在感应加热块(11)的旋转槽内，云母板(13)将感应加热块(11)的旋转槽表面包裹，云母板(13)外侧包裹一层纤维层(12)，纤维层(12)外侧为感应线圈，感应线圈由紫铜线(15)外面包裹玻璃纤维布(16)组成，感应线圈外侧裹另外一层纤维层(12)。

2.根据权利要求1所述的增量成形装置，其特征在于：所述压缩弹簧(9)的材料是65Mn。

3.根据权利要求1所述的增量成形装置，其特征在于：所述纤维层(12)的材料是高铝硅酸铝。

4.根据权利要求1所述的增量成形装置，其特征在于：所述工具头(14)的材料是铝黄铜。

5.根据权利要求1所述的增量成形装置，其特征在于：所述连接杆(10)材料是氧化锆陶瓷。

6.一种利用权利要求1所述增量成形装置进行增量成形的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，先将夹持板料的夹持框(6)和工业机器手(1)通过螺栓安装在底座(7)上，然后将加热成形头(3)安装在工业机器手(1)的夹持端，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，进而利用加热成形头(3)上感应电流的热效应进行加热，接着将板料放在夹持框(6)上并夹紧，然后将C形框(2)安装在工业机器手(1)上，并且将挤压工具头(4)安装好，通过压缩弹簧(9)对板料施加挤压力；

第二步，启动计算机控制系统，利用编程软件将三维模型沿高度方向进行离散，并生成各等高线层面上的加工轨迹，并转化为NC数控程序代码，控制工业机器手(1)将加热成形头(3)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，调整C形框(2)的位置，使挤压工具头(4)对板料产生挤压力，完成整个系统的找正；

第三步，找正完成后，进行相关参数设定，其中加热成形头(3)在板料表面上由四周向中心做螺旋回转运动的速度为5mm/s，在垂直于板料平面上做0.01mm/s的匀速进给运动，采用计算机驱动工业机器手(1)沿预先得到的3D轨迹运动，金属板料逐渐变形，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，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。