CN103521607A - 一种管壁数控渐进翻孔成形的工具头与方法 - Google Patents

Abstract

一种管壁数控渐进翻孔成形的工具头与方法，属于金属成形领域。工具头为杆状圆柱体，下端有一段大直径的圆柱段，杆状圆柱体与大直径圆柱段之间通过具有不同锥角的多段圆锥面过渡。成形方法包括以下步骤：（1）管坯呈水平状态且预制孔朝上紧固在设备台面上；（2）工具头伸入预制孔，锥角较大的圆锥面从水平方向挤压管壁，完成管壁向上翻转的第一次预成形；（3）锥角较小的圆锥面从水平和向上的垂直方向挤压管壁，进行管壁翻转的后续预成形；（4）利用工具头上圆锥面以外的直壁部分，将预成形所得倾斜管壁进行整形，得到所需翻边形状与尺寸。本发明可在工具头和管坯一次装夹后实现多种孔形的翻孔，同时避免了失稳起皱等缺陷。

Description

一种管壁数控渐进翻孔成形的工具头与方法

技术领域

本发明属于金属塑性成形领域，尤其涉及一种管壁数控渐进翻孔成形的工具头与方法。

背景技术

渐进成形是一种采用“分层制造”的思想，将三维钣金件的传统冲压整体成形变为数控机床上利用简单工具头，按CAD模型进行逐层渐进成形的数字化柔性制造技术，可以在无需专用钢质模具的情况下得到形状复杂的金属薄板件。由于该方法能够充分适应现代制造多品种、少批量的要求，近年来得到了极大的关注。但目前该法主要用于板料成形，较少用于管材的成形。

2007年，日本学者Teramae等(T. Teramae, K. Manabeb, K. Ueno, K. Nakamura, H. Takeda. Journal of Materials Processing Technology，2007，191：24-29)提出了一种利用工具头对管壁上的预制孔进行无模渐进翻孔成形的方法，采用了现有渐进成形普遍使用的杆状圆柱体工具头，可在程序控制下完成普通冲压方式很难实现的管壁预制孔的翻孔成形。与板料渐进成形时工具头的工作区域通常为圆柱体的半球形底部不同，管壁渐进翻孔成形时工具头的工作区域为圆柱体的侧面。由于在成形管坯顶部的预制孔轴线方向两侧的区域时，工具头对管壁的侧向压力与管壁处于近似平行的状态，造成管壁变形的方向存在不确定性，如果形成向下的初始翻转就会导致翻孔失败；同时，由于工具头作用在管壁材料上的侧向压力很大，管壁极易失稳起皱，也会使得翻孔失败。为了解决这一问题，Teramae等将工具头先以倾斜状态从预制孔内部进行侧向进给，使管坯顶部预制孔轴线方向两侧的管壁材料形成上翘的初始变形，然后再采用常规垂直状态的工具头完成整个孔壁的翻转。工具头这一系列的复杂动作，无法在普通渐进成形设备上直接完成，需要利用多轴联动的机床；或者不改变工具头而将管坯进行多次不同方向的装夹。由于对装夹方式和夹持装置要求很苛刻，实用性较差。

因此，虽然管壁无模数控渐进翻孔成形相对于传统的冲压方法具有独特优势，但现有技术存在的上述缺点，严重制约了其实际应用。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种管壁数控渐进翻孔成形的工具头与方法，以解决现有技术存在的不足。

本发明解决上述技术问题的方案是：在渐进成形设备上，采用一种特殊形式的工具头，其特征在于，所述工具头为杆状圆柱体，杆状圆柱体的下方末端有一段直径增大的圆柱段，上端的杆状圆柱体与下端的大直径圆柱段之间通过两段和两段以上的圆锥面进行过渡连接；以圆锥面与工具头轴线所夹的单边内侧的锥角为准，所述圆锥面与工具头轴线所夹的锥角范围在10～60°之间，且均不相同，从上到下依次递增或依次递减；各段圆锥面在工具头轴线方向的投影高度大于3倍管壁厚度。

利用本发明的工具头进行管壁数控渐进翻孔成形的方法，包括以下步骤：

（1）将带有预制孔的管坯利用夹具紧固在渐进成形设备的工作台面上，管坯轴线处于水平状态，预制孔一侧朝上；

（2）通过程序控制工具头的运动，使工具头的下端从管坯上方伸入预制孔内，工具头上锥角最大的圆锥面从预制孔内与管壁接触，并从水平方向挤压管壁，利用圆锥面的斜面将管壁进行第一次向上翻转的预成形，得到向上倾斜的管壁形状；通过工具头的连续运动，完成预制孔周边孔壁的第一次预成形；

（3）通过程序控制工具头的运动，使工具头上锥角较小的圆锥面从预制孔内与管壁接触，并从水平和垂直向上的方向挤压管壁，利用圆锥面的斜面使管壁进行向上翻转的第二次预成形，得到向上斜度更大的管壁形状；通过工具头的连续运动，使预制孔周边孔壁完成第二次预成形；调节工具头在垂直方向的高度，使工具头上锥角更小的圆锥面从预制孔内与管壁接触，对管壁进行向上翻转的第三次和更多次的预成形，预成形次数与圆锥面的数量一致；

（4）工具头在程序控制下，按照设定的轨迹沿水平和垂直方向运动，利用工具头上圆锥面以外的圆柱体直壁部分，也就是上端的杆状圆柱体和下端的大直径圆柱段的直壁部分，将多次预成形得到的倾斜管壁进行整形，使倾斜管壁成为垂直向上的形状；通过工具头的连续运动，完成整个预制孔的翻转，同时保证所要求的尺寸。

本发明的有益效果是，利用数控渐进成形机床并结合简单的工具头，可以通过程序实现管壁圆形、椭圆型等各种孔形的翻孔，无需制造专用模具；工具头和管坯一次装夹以后，就可以完成整个翻孔，不需改变工具头装夹状态和轴线方向，可以在普通数控渐进成形机床上进行；利用具有不同锥角的多段圆锥面依次对管壁进行翻转预成形，不仅避免了成形管坯顶部预制孔两侧区域时，管壁材料在变形方向上存在的不确定性，同时也大大减小了工具头作用在管壁材料上的侧向压力，从而有效避免了管壁的失稳起皱。

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步说明。

附图说明

图1是利用本发明的工具头对管壁翻孔时，向上翻转的预成形和整形的示意图。工具头有两段圆锥面；

图2是利用本发明的工具头对管壁翻孔的三维示意图，工具头有两段圆锥面；

图3是本发明的工具头示意图，工具头上端的杆状圆柱体与下端的大直径圆柱段之间通过两段圆锥面过渡连接，圆锥面与工具头轴线所夹的锥角从上到下依次递增；

图4是本发明的工具头示意图，工具头上端的杆状圆柱体与下端的大直径圆柱段之间通过两段圆锥面过渡连接，圆锥面与工具头轴线所夹的锥角从上到下依次递减；

图5是本发明的工具头示意图，工具头上端的杆状圆柱体与下端的大直径圆柱段之间通过三段圆锥面过渡连接，圆锥面与工具头轴线所夹的锥角从上到下依次递增；

图6是本发明的工具头示意图，工具头上端的杆状圆柱体与下端的大直径圆柱段之间通过三段圆锥面过渡连接，圆锥面与工具头轴线所夹的锥角从上到下依次递减；

图7是本发明的工具头示意图，与工具头轴线所夹锥角从上到下依次递增的多段圆锥面用光滑圆弧面代替；

图8是本发明的工具头示意图，与工具头轴线所夹锥角从上到下依次递减的多段圆锥面用光滑圆弧面代替。

图1到图8中，1 — 带预制孔的管坯，2 — 工具头。

具体实施方式

下面以在渐进成形设备上对外径38mm、壁厚0.5mm的不锈钢管坯上预制孔进行翻孔为例，说明本发明的具体实施方式。工具头形状参见图3，总长度为80mm，上端杆状圆柱体的直径为10mm，下端的大直径圆柱段的直径为15mm。上端的杆状圆柱体与大直径圆柱段之间通过两段圆锥面进行过渡连接，上、下两段圆锥面与工具头轴线所夹单边锥角依次为15°和30°，上、下圆锥面在工具头轴线方向投影的高度依次为3.6mm和1.8mm。

利用上述工具头对管壁进行数控渐进翻孔成形的具体步骤为：

（1）将管坯利用夹具紧固在渐进成形设备的工作台面上，管坯轴线处于水平状态，预制孔一侧朝上；

（2）通过程序控制工具头的运动，使工具头的下端从管坯上方伸入预制孔内，工具头上锥角为30°的圆锥面从预制孔内与管壁接触，并从水平方向挤压管壁，利用圆锥面的斜面将管壁进行第一次向上翻转的预成形，得到向上倾斜的管壁形状；通过工具头的连续运动，完成预制孔周边孔壁的第一次预成形；

（3）通过程序控制工具头的运动，使工具头上锥角为15°的圆锥面从预制孔内与管壁接触，并从水平和垂直向上的方向挤压管壁，利用圆锥面的斜面使管壁进行向上翻转的第二次预成形，得到向上斜度更大的管壁形状；通过工具头的连续运动，使预制孔周边孔壁完成第二次预成形。

（4）工具头在程序控制下，按照设定的轨迹沿水平和垂直方向运动，利用工具头下端的直径为15mm的圆柱段的直壁部分，将两次预成形得到的倾斜管壁进行整形，使倾斜管壁成为垂直向上的形状；通过工具头的连续运动，完成整个预制孔的翻转，同时保证所要求的尺寸。

工具头上的多段圆锥面，也可以采用光滑圆弧面的形式，参见图7和图8，加工过程与上述相同。管坯紧固在渐进成形设备的工作台面上以后，首先用工具头光滑圆弧面上斜角较大的部分从预制孔内与管壁接触，并从水平方向挤压管壁，将管壁进行向上翻转的第一次预成形；完成预制孔周边的第一次预成形以后，改变工具头垂直方向的高度，用工具头光滑圆弧面上斜角相对较小的部分与管壁接触，并按照与前面相同的方式进行后续的预成形；按照上述过程完成翻孔的预成形后，利用工具头的直壁部分对预成形得到的倾斜管壁进行整形并修正尺寸，通过工具头的连续运动，直到满足管壁翻孔的最终要求。

Claims (3)

1.一种管壁数控渐进翻孔成形的工具头，其特征在于，所述工具头为杆状圆柱体，杆状圆柱体的下方末端有一段直径增大的圆柱段，上端的杆状圆柱体与下端的大直径圆柱段之间通过两段和两段以上的圆锥面进行过渡连接。

2.如权利要求一所述的一种管壁数控渐进翻孔成形的工具头，其特征在于，以圆锥面与工具头轴线所夹的单边内侧的锥角为准，所述圆锥面与工具头轴线所夹的锥角范围在10～60°之间，且均不相同，从上到下依次递增或依次递减；各段圆锥面在工具头轴线方向的投影高度大于3倍管壁厚度。

3.一种利用权利要求一所述工具头进行的管壁数控渐进翻孔成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将带有预制孔的管坯利用夹具紧固在渐进成形设备的工作台面上，管坯轴线处于水平状态，预制孔一侧朝上；

（2）通过程序控制工具头的运动，使工具头的下端从管坯上方伸入预制孔内，工具头上锥角最大的圆锥面从预制孔内与管壁接触，并从水平方向挤压管壁，利用圆锥面的斜面将管壁进行第一次向上翻转的预成形，得到向上倾斜的管壁形状；通过工具头的连续运动，完成预制孔周边孔壁的第一次预成形；

（3）通过程序控制工具头的运动，使工具头上锥角较小的圆锥面从预制孔内与管壁接触，并从水平和垂直向上的方向挤压管壁，利用圆锥面的斜面使管壁进行向上翻转的第二次预成形，得到向上斜度更大的管壁形状；通过工具头的连续运动，使预制孔周边孔壁完成第二次预成形；调节工具头在垂直方向的高度，使工具头上锥角更小的圆锥面从预制孔内与管壁接触，对管壁进行向上翻转的第三次和更多次的预成形，预成形次数与圆锥面的数量一致；

（4）工具头在程序控制下，按照设定的轨迹沿水平和垂直方向运动，利用工具头上圆锥面以外的圆柱体直壁部分，也就是上端的杆状圆柱体和下端的大直径圆柱段的直壁部分，将多次预成形得到的倾斜管壁进行整形，使倾斜管壁成为垂直向上的形状；通过工具头的连续运动，完成整个预制孔的翻转，同时保证所要求的尺寸。

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