CN103639249A - 一种板料双点渐进成形装置及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种板料双点渐进成形装置及成形方法，所述的成形装置包括：一对压头，设置在板料两侧；一对成形单元，分别与压头对应连接；一对运动驱动单元，分别与成形单元对应连接，带动成形单元进行正交三轴运动；一个运动控制系统，连接一对运动驱动单元，控制运动驱动单元运动；一个成形单元调压系统，分别与成形单元对应连接，控制成形单元对压头施加的压力，使压头处于不同的功能状态：当对压头进行完成固定时，压头成为成形压头，当对压头进行柔性施压时，压头成为支撑压头；一个板料装夹总成系统，用于固定板料，实现板料在竖直方向和水平方向的转动。与现有技术相比，本发明具有改善渐近成形工艺可靠性、提高板料成形性和成形精度等优点。

Description

一种板料双点渐进成形装置及成形方法

技术领域

本发明涉及板料成形领域，尤其是涉及一种板料双点渐进成形装置及成形方法。

背景技术

渐进成形是金属板料三维曲面成形领域的热点技术，其原理是根据待成形零件的形面生成工具轨迹，通过半球形工具头沿着所生成的工具轨迹对板料进行局部塑性加工。不依赖零件形状的通用半球形工具头代替了传统冲压成形的模具大大降低了因冲压模具设计、开发和制造而产生的时间成本和制造成本，能够很好的满足当今市场对工业产品诸多方面的要求，例如，个性化程度高、更新换代快、生产批量从大、中批量向小批量转变。在国内，南京航空航天大学高霖对成形的原理、工艺、设备及关键技术等进行了深入的研究，做出了突出的贡献。板料双点渐进成形的原理是在板料一侧通过主工具头(成形压头)进行加工的同时，在另一侧有副工具头(支撑压头)支撑板料，且副工具头的运动轨迹是从属于主工具头。这种双点板料渐进成形方法可以进一步提高板料的成形性，有效地改善成形件的尺寸精度。然而，目前国内对于双点对压板料渐进成形的研究鲜有报道。西北工业大学的王永军等在公开号为CN201371194Y的实用新型专利中，提出了一种基于两台工业机器手的卧式双点板料渐进成形装置，该装置通过两个工业机器手带动两个成形工具头运动，使板料变形成为所需的形状。美国福特全球技术公司的夏志永、任锋等在专利(CN201744547U)描述了基于两并联机器人的双点板料渐进成形装置。美国西北大学的Rajiv Malhotra和Jian Cao在第61/550,666号美国专利中公开了一种用于双点对压板料渐进成形的工具轨迹生成算法。目前，已有的双点板料渐进成形方法虽然在工具轨迹生成算法、设备方面得到了一定程度的发展，但是现有的双点渐进成形方法中对副工具头(支撑压头)刚性固定于驱动装置上。在成形过程中，板料会发生减薄或者回弹。这种不确定性使两工具头间隙设置过大时工具头与板料脱离接触，使得双点渐进成形退化为单点渐进成形；当两工具头间隙设置过小时工具头过度挤压板料，破坏了板料的表面质量。此外，这些装置尚两压头轴向的相对偏移主要与成形件的侧壁角度相关，当侧壁角度过大时两压头相对偏移过大，所承受的载荷为侧向载荷，此时压头易发生弯曲从而影响成形精度和使用寿命。因此，为了进一步改善双点对压渐进成形工艺的可靠性，提高板料成形性和尺寸精度，充分发挥双点渐进成形的优势，新型双点渐进成形方法和装置亟待研究开发。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种改善渐近成形工艺可靠性、提高板料成形性和成形精度的板料双点渐进成形装置及成形方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种板料双点渐进成形装置，包括：

一对压头，设置在板料两侧；

一对成形单元，分别与压头对应连接，用于实现背压控制；

一对运动驱动单元，分别与成形单元对应连接，带动成形单元进行正交三轴运动；

一个运动控制系统，连接一对运动驱动单元，控制运动驱动单元运动；

一个成形单元调压系统，分别与成形单元对应连接，控制成形单元对压头施加的压力，使压头处于不同的功能状态：当对压头进行完成固定时，压头成为成形压头，当对压头进行柔性施压时，压头成为支撑压头；

一个板料装夹总成系统，用于固定板料，实现板料在竖直方向和水平方向的转动。

所述的成形单元包括前盖板、后盖板、工具筒夹、支撑法兰、轴承座、轴承、滚针推力轴承和口字形截面框架，所述的口字形截面框架为中空结构，两端分别连接前盖板和后盖板，所述的工具筒夹一端为开口端，一端为封闭端，所述的开口端通过工具夹头与压头紧固连接，所述的封闭端穿过前盖板插入口字形截面框架内，并与滚针推力轴承连接，所述的工具筒夹通过轴承与口字形截面框架侧壁连接，所述的轴承与口字形截面框架间设有轴承座，所述的支撑法兰设在工具筒夹与前盖板的相交处。

所述的轴承与工具筒夹间隙配合连接。

所述的工具筒夹上设有环形键槽，该环形键槽通过限位块与口字形截面框架侧壁连接，所述的限位块的宽度小于环形键槽的宽度。

所述的工具筒夹与压头的连接处套设有夹头紧固件。

所述的成形单元调压系统包括气缸、减压阀和压力表，所述的气缸设有一对，气缸通过螺栓与后盖板紧固连接，气缸的顶杆穿过后盖板与滚针推力轴承连接，所述的减压阀分别连接一对气缸，所述的压力表与减压阀连接；

顶杆将气缸的输出压力传递给滚针推力轴承，通过调节减压阀调节气缸的输出压力，控制压头的完全固定或柔性施压。

所述的运动驱动单元包括三组由伺服电机、驱动器和丝杠滑块组成的驱动组件，所述的伺服电机、驱动器、丝杠滑块依次连接，所述的丝杠滑块与成形单元连接，所述的三组驱动组件三轴正交设置。

所述的板料装夹总成系统包括板料夹持支架、压板、二维旋转平台和伺服电机，所述的板料夹持支架设在二维旋转平台上，所述的二维旋转平台与伺服电机连接，所述的板料通过压板固定在板料夹持支架上；伺服电机对二维旋转平台进行控制，驱动板料夹持支架旋转，实现板料在竖直方向和水平方向的转动。

一种板料双点渐进成形方法，包括以下步骤：

1)根据所需加工零件几何特征及三维曲面模型，判断压头在加工不同特征时的功能状态，并生成对应的成形压头轨迹和支撑压头轨迹；

2)开启初始成形压头一侧的气缸，将输出压力设定为最大额定压力，成形压头处于固定施压状态；并根据所需加工零件的形状及材料，调节减压阀为初始支撑压头提供所需要的背压，支撑压头处于柔性施压状态；成形压头与支撑压头皆处于加载状态；

3)安装板料于板料装夹总成，校准初始成形压头和支撑压头的“零位”；

4)开启运动控制系统，控制成形压头和支撑压头沿着设定的工具轨迹运动，成形过程中，根据压头运动轨迹判断成形/支撑压头的转换过渡区域，利用减压阀调整压头固定与柔性施压状态，从功能上实现成形/支撑压头的互换；

5)根据所需加工零件几何特征，通过伺服电机控制二维转台，转动板料夹持支架，在相应位置加工垂直于曲面法线方向的子特征；

6)加工完成，两侧压头与板料分离，板料装夹总成回到初始位置，从板料装夹总成上取下板料。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、通过柔性控制一对压头同时处于加载状态，能够保证连续动态可调的背压，解决双点对压板料渐进成形过程中，压头与板料分离或发生过挤压的问题，改善了工艺的可靠性；

2、通过气缸施加恒定的背压，可以进一步提高的板料的成形性和成形精度；

3、通过动态调整压头的固定与柔性施压状态，从功能上实现成形/支撑压头的互换，筒单实用，充分发双点对压渐进成形的优势。

4、通过旋转板料夹持支架，并和运动驱动单元的配合使用，在进一步提高可加工零件复杂性的基础上，从而保证成形中两压头中心轴之间的相对偏移量较小，减低成形中压头所承受的侧向力，避免偏载造成的压头失效和成形精度的降低。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明成形单元俯视示意图；

图3为本发明成形单元的剖面示意图；

图4为本发明板料夹持支架沿X轴旋转示意图；

图5为本发明板料夹持支架沿Y轴旋转示意图。

图中标号名称：1(1’)压头，2(2’)成形单元，3(3’)气缸，4(4’)运动驱动单元，5板料夹持支架，6压板，7板料，8二维旋转平台，9运动控制系统，10减压阀及压力表，11工具夹头，12夹头紧固件，13工具筒夹，14支撑法兰，15前盖板，16轴承座，17限位块，18轴承，19滚针推力轴承，20口字形截面框架，21后盖板，22顶杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，一种板料双点渐进成形装置，包括压头1(1’)、成形单元2(2’)、运动驱动单元4(4’)、运动控制系统9、成形单元调压系统和板料装夹总成系统，所述的压头1和压头1’设置在板料7两侧，板料7通过板料装夹总成系统固定；成形单元2(2’)分别与压头对应连接，用于实现背压控制；运动驱动单元4(4，)分别与成形单元2(2’)对应连接，带动成形单元2(2’)在水平面内两个方向及竖直方向进行正交三轴运动；运动控制系统9连接运动驱动单元4(4’)，控制运动驱动单元4(4’)运动；成形单元调压系统分别与成形单元2(2’)对应连接，控制成形单元2(2’)对压头1(1’)施加的压力，使压头1(1’)处于不同的功能状态：当对压头进行完成固定时，压头成为成形压头，当对压头进行柔性施压时，压头成为支撑压头，通过变换施压状态，压头可以从功能上实现成形/支撑压头互换的目的；板料装夹总成系统可实现板料在竖直方向和水平方向的转动。

本实施例中，压头1(1’)端部半球直径均为10mm，板料7为厚度1mm的铝合金AA2024。

如图2-图3所示，成形单元2(2’)位于板料两侧，用于装夹成形压头/支撑压头，并与运动驱动单元和成形单元调压系统相连，其主要包括前盖板15、后盖板21、工具筒夹13、支撑法兰14、轴承座16、轴承18、滚针推力轴承19和口字形截面框架20，所述的口字形截面框架20为中空结构，两端分别连接前盖板15和后盖板21，所述的工具筒夹13一端为开口端，一端为封闭端，所述的开口端通过工具夹头11与压头1(1’)紧固连接，没有相对位移，所述的封闭端穿过前盖板15插入口字形截面框架20内，并通过螺钉与滚针推力轴承19连接，滚针推力轴承19能够保证工具筒夹13在背压作用下，仍能在轴向自由转动。所述的工具筒夹13通过轴承18与口字形截面框架20侧壁连接，轴承18与口字形截面框架20间设有轴承座16，所述的支撑法兰14设在工具筒夹13与前盖板15的相交处。所述的工具筒夹13与压头1的连接处套设有夹头紧固件12。所述的轴承18与工具筒夹13间隙配合连接，在外力作用下可在水平方向相对于口字形截面框架20发生滑动。所述的工具筒夹13上设有环形键槽，该环形键槽通过限位块17与口字形截面框架20侧壁连接，所述的限位块17的宽度小于环形键槽的宽度，工具筒夹13在水平方向相对于口字形截面框架20允许滑动的范围由环形键槽宽度和限位块17宽度共同决定。本实施例中，工具筒夹13侧壁的环形键槽宽度为15mm，限位块17宽度为5mm，因此工具筒夹13允许滑动的范围为10mm。

成形单元调压系统包括气缸3(3’)、减压阀及压力表10，所述的气缸设有一对，气缸3(3’)通过螺栓与后盖板21紧固连接，气缸的顶杆穿过后盖板21与滚针推力轴承19连接，所述的减压阀分别连接一对气缸，所述的压力表与减压阀连接；顶杆将气缸的输出压力传递给滚针推力轴承19，通过调节减压阀调节气缸的输出压力，控制压头1(1’)的完全固定或柔性施压。在气缸选取时，应注意气缸的最大额定输出压力需大于成形力。本实施例中，气缸采用可调压铝合金标准缸，其缸径为45，调压范围为0.2-1MPa。

运动驱动单元4(4’)包括三组由伺服电机、驱动器和丝杠滑块组成的驱动组件，所述的伺服电机、驱动器、丝杠滑块依次连接，所述的丝杠滑块与成形单元2(2’)连接，所述的三组驱动组件三轴正交设置。

运动控制系统9是一套能够实现六轴联动的NC系统，用于同时控制两套运动驱动单元。

板料装夹总成系统包括板料夹持支架5、压板6、二维旋转平台8和步进电机，所述的板料夹持支架设在二维旋转平台8上，所述的二维旋转平台8与步进电机连接，所述的板料7通过压板6固定在板料夹持支架5上；步进电机对二维旋转平台8进行控制，驱动板料夹持支架5旋转，实现板料7在竖直方向和水平方向的转动。

板料7通过压板6与板料夹持支架5固定，压头1(1’)分别固定于两侧的可实现背压控制的成形单元。根据待成形零件的几何特征，通过所设计可实现背压控制的成形单元2(2’)调整固定与柔性施压状态，进而从功能上实现压头1(1’)功能的互换。如图1所示，此时压头1一侧的板料包络面凹入，该侧压头1为成形压头；另一侧板料包络面凸出，该侧压头1’为支撑压头。通过控制减压阀及压力表10，将成形压头1一侧的可调压铝合金标准缸3的输出压力设定为最大额定压力，成形压头1处于固定施压状态。与此同时，为了确保成形过程中支撑压头1’与板料7始终保持接触，通过调节减压阀及压力表10，将所需背压通过顶杆22作用在工具筒夹13封闭端的滚针推力轴承19，工具筒夹13在持续外力的作用下，能够带动支撑压头1’在指向板料的水平方向上有相对于口字形截面框架20发生滑动的趋势，实现支撑压头1’的柔性施压。

压头1和压头1’在运动驱动单元4(4’)和运动控制系统9的作用下沿着设定的工具轨迹运动。根据零件不同位置几何特征的不同，两压头在成形压头与支撑压头间转换。两压头的轨迹均为螺旋形工具轨迹，但两种工具的具体运动轨迹不同且支撑压头的运动轨迹从属于成形压头。

如图1所示，根据零件不同位置几何特征的不同，当压头所指向几何特征的包络面为凹入时，压头为成形压头，则另一侧压头为支撑压头。根据压头运动轨迹判断包络面凹凸性发生变化的过渡区域，通过两侧可调压铝合金标准缸和减压阀及压力表的配合使用，从功能上实现成形/支撑压头的互换。

如图4所示，当所需成形零件的几何特征中包含有垂直于曲面法线方向的子特征时，通过步进电机对二维旋转平台8进行控制，旋转板料夹持支架5，实现板料7在水平方向X轴的转动α度。同理，如图5所示，亦可实现板料7沿竖直方向Y轴转动β度。压头1和压头1’沿Z方向的运动分量与待加工子特征处的曲面法线方向平行。

根据成形件的凸凹几何特征，板料可相对于压头转动，两压头输出的压力动态连续可调，从而保证板料成形时维持稳定的厚向压力，使压头不会与板料脱离接触或对产生过挤压。

采用上述装置实现的板料双点渐进成形方法，包括以下步骤：

第一步：根据所需加工零件几何特征及三维曲面模型，判断压头1(1’)在加工不同特征时的功能状态(成形/支撑)，并生成对应的成形压头轨迹和支撑压头轨迹；

第二步：以图1所示的工具状态为例，开启初始成形压头1一侧的可调压铝合金标准缸3，将输出压力设定为最大额定压力，成形压头1处于固定施压状态；并根据所需加工零件的形状及材料，调节减压阀为初始支撑压头1’提供所需要的背压，支撑压头1’处于柔性施压状态。成形压头1与支撑压头1’皆处于加载状态；

第三步：安装板料7于板料夹持支架5，校准初始成形压头1和支撑压头1’的“零位”；

第四步：开启运动控制系统9，控制成形压头1和支撑压头’沿着设定的工具轨迹运动，成形过程中，根据压头运动轨迹判断成形/支撑压头的转换过渡区域，利用减压阀调整压头固定与柔性施压状态，从功能上实现成形/支撑压头的互换；

第五步：根据所需加工零件几何特征，通过步进电机对二维旋转平台8进行控制，旋转板料夹持支架5，在板料7相应位置加工垂直于曲面法线方向的子特征；

第六步：加工完成，两侧压头1和1’与板料7分离，板料夹持支架5回到初始位置，从板料夹持支架5上取下板料7。

Claims (9)

1.一种板料双点渐进成形装置，其特征在于，包括：

一对压头，设置在板料两侧；

一对成形单元，分别与压头对应连接，用于实现背压控制；

一对运动驱动单元，分别与成形单元对应连接，带动成形单元进行正交三轴运动；

一个运动控制系统，连接一对运动驱动单元，控制运动驱动单元运动；

一个成形单元调压系统，分别与成形单元对应连接，控制成形单元对压头施加的压力，使压头处于不同的功能状态：当对压头进行完成固定时，压头成为成形压头，当对压头进行柔性施压时，压头成为支撑压头；

一个板料装夹总成系统，用于固定板料，实现板料在竖直方向和水平方向的转动。

2.根据权利要求1所述的一种板料双点渐进成形装置，其特征在于，所述的成形单元包括前盖板、后盖板、工具筒夹、支撑法兰、轴承座、轴承、滚针推力轴承和口字形截面框架，所述的口字形截面框架为中空结构，两端分别连接前盖板和后盖板，所述的工具筒夹一端为开口端，一端为封闭端，所述的开口端通过工具夹头与压头紧固连接，所述的封闭端穿过前盖板插入口字形截面框架内，并与滚针推力轴承连接，所述的工具筒夹通过轴承与口字形截面框架侧壁连接，所述的轴承与口字形截面框架间设有轴承座，所述的支撑法兰设在工具筒夹与前盖板的相交处。

3.根据权利要求2所述的一种板料双点渐进成形装置，其特征在于，所述的轴承与工具筒夹间隙配合连接。

4.根据权利要求2所述的一种板料双点渐进成形装置，其特征在于，所述的工具筒夹上设有环形键槽，该环形键槽通过限位块与口字形截面框架侧壁连接，所述的限位块的宽度小于环形键槽的宽度。

5.根据权利要求2所述的一种板料双点渐进成形装置，其特征在于，所述的工具筒夹与压头的连接处套设有夹头紧固件。

6.根据权利要求2所述的一种板料双点渐进成形装置，其特征在于，所述的成形单元调压系统包括气缸、减压阀和压力表，所述的气缸设有一对，气缸通过螺栓与后盖板紧固连接，气缸的顶杆穿过后盖板与滚针推力轴承连接，所述的减压阀分别连接一对气缸，所述的压力表与减压阀连接；

顶杆将气缸的输出压力传递给滚针推力轴承，通过调节减压阀调节气缸的输出压力，控制压头的完全固定或柔性施压。

7.根据权利要求1所述的一种板料双点渐进成形装置，其特征在于，所述的运动驱动单元包括三组由伺服电机、驱动器和丝杠滑块组成的驱动组件，所述的伺服电机、驱动器、丝杠滑块依次连接，所述的丝杠滑块与成形单元连接，所述的三组驱动组件三轴正交设置。

8.根据权利要求1所述的一种板料双点渐进成形装置，其特征在于，所述的板料装夹总成系统包括板料夹持支架、压板、二维旋转平台和伺服电机，所述的板料夹持支架设在二维旋转平台上，所述的二维旋转平台与伺服电机连接，所述的板料通过压板固定在板料夹持支架上；伺服电机对二维旋转平台进行控制，驱动板料夹持支架旋转，实现板料在竖直方向和水平方向的转动。

9.一种采用权利要求2～8任一所述装置的板料双点渐进成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据所需加工零件几何特征及三维曲面模型，判断压头在加工不同特征时的功能状态，并生成对应的成形压头轨迹和支撑压头轨迹；

2)开启初始成形压头一侧的气缸，将输出压力设定为最大额定压力，成形压头处于固定施压状态；并根据所需加工零件的形状及材料，调节减压阀为初始支撑压头提供所需要的背压，支撑压头处于柔性施压状态；成形压头与支撑压头皆处于加载状态；

3)安装板料于板料装夹总成，校准初始成形压头和支撑压头的“零位”；

4)开启运动控制系统，控制成形压头和支撑压头沿着设定的工具轨迹运动，成形过程中，根据压头运动轨迹判断成形/支撑压头的转换过渡区域，利用减压阀调整压头固定与柔性施压状态，从功能上实现成形/支撑压头的互换；

5)根据所需加工零件几何特征，通过伺服电机控制二维转台，转动板料夹持支架，在相应位置加工垂直于曲面法线方向的子特征；

6)加工完成，两侧压头与板料分离，板料装夹总成回到初始位置，从板料装夹总成上取下板料。

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