CN104607517B - 一种复杂曲面板材柔性加工设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机械加工设备领域，具体为一种复杂曲面板材柔性加工设备，包括一种上下调动的支撑柱，其特征在于：上下两层的底座，液压缸固定在底座下层，液压缸上部穿过底座上层与推杆相连，推杆顶端固定万向球关节座，万向球关节置于万向球关节座上，电磁吸盘固定在万向球关节上部，还包括一种弯板压头，其特征在于：固定架下固定侧柱，侧柱下端固定平行轨，移动块置于平行轨上，移动块下部固定冲压工具头，以及包括安装在机床上的上述支撑柱和弯板压头组成的一种复杂曲面板材柔性加工设备，所能达到的有益效果是：可以制备复杂曲面的大型板材工件。本发明通过板材渐进弯曲的工艺方法，整个加工过程中不用模具，加工柔性度高，特别适用于小批量、双曲率的板材工件。

Description

一种复杂曲面板材柔性加工设备
技术领域
本发明涉及机械加工设备领域，具体为一种复杂曲面板材柔性加工设备。
背景技术
大型复杂曲面板材的加工制造是制造业领域，诸如船舶制造、飞机外壳加工等的关键环节之一。尤其是外表面形状复杂、不可展的空间曲面板材工件，这种板材工件从外观看是流线型的，加工制造困难，目前主要有机械冲压法、辊弯加工法和水火弯板法等几种工艺，但这些工艺对大型复杂曲面板材的加工还存在各种各样的缺点。
目前，大型船舶钢板以及飞机蒙皮的高端装备研发和制造方面，仍然存在着严重的欠缺。特别是大型板材高端装备新产品研究开发能力、快速制造能力、企业的柔性应对能力、生产效率和成本控制等方面技术还不够成熟，严重制约着大型板材复杂曲面工件的加工制造。通过本发明所设计的装备，可以实现大型复杂板材工件的柔性加工，特别适用于船舶钢板以及飞机蒙皮这类小批量、形状复杂的板材工件的加工制备。
目前，专利《一种板材多点成形装置》（申请号：201010604400.5）提出了一种板材多点成形装置，同样可以加工复杂曲率板材工件。该发明提出一种多点冲压的方式，通过安装在莫加上平板的若干上压头加压单元，以及安装在模架下平板的若干个丫头支撑单元，来模拟类似模具冲压的效果与本发明的渐进弯曲成形有实质性的区别。
现有技术主要有机械冲压法、辊弯加工法、水火弯板法以及板材多点成形等几种加工工艺。
机械冲压法是最传统的加工方法，冲压机床通常是大形液压机床，其工作原理与冲压的弯曲工艺相同。这种方法的优点是较准确、效率高。缺点是受到冲头形状及板材厚度的限制，无法制作大曲率的双向弯板；而且能耗较大。此外，目前机械冲压法主要靠经验完成。
辊弯加工法通常只能加工单曲率弯板，这种方法加工工艺简单，效率较高。但受加工工艺的制约，只能加工简单的单曲率板材工件，对于双曲率板的加工无能为力。
水火弯板法是船厂加工双曲率板材工件的常用方法，这一技术是利用金属板材局部受高温冷却后产生塑性收缩变形的原理，形成所需要的曲面。水火弯板加工过程中，热源(如气体火焰或激光)在金属板表面沿加热线移动对金属板材局部加热，使在金属板表面和板厚方向产生一定的温度分布，加热区间的局部金属受热膨胀；受到四周冷金属的阻碍，产生塑性变形。热源后面一定距离处为水跟踪冷却；受热膨胀的金属冷却后开始收缩受拉，便产生了金属板的变形。但这种加工工艺效率低下，主要依靠有经验的工人师傅手工完成，不能实现自动化生产，且加工环境恶劣，劳动强度大。
板材多点成形的加工方法可以实现复杂曲率板材工件的成形加工，这种技术也是近几年才受到重视，该技术目前还主要在实验研究阶段，实际应用比较少。但该工艺所需装备复杂，工具头和底部支撑需要模拟出传统的模具上下模的形状，工艺复杂，装备成本高。而且该种工艺目前只能实现小型板材工件的加工，对于大型板材工件加工能力不足，适用性差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是设计一种大型复杂曲面板材加工设备。利用板材渐进弯曲的工艺方法，加工各种不同形状的板材工件，既可以加工普通的单曲率板材，又可以加工复杂的双曲率工件。可用于船体外壳板、飞机蒙皮以及大型压力容器板材的加工制备。
利用本发明所设计的设备，可以加工复杂曲面形状板材工件，尤其是船体外板等中厚板工件。板材工件形状可任意多样，既可以是单曲率，也可以是双曲率工件。
本发明是这样解决技术问题的：一种上下调动的支撑柱，包括上下两层的底座，其特征在于：液压缸固定在底座下层，液压缸上部穿过底座上层与推杆相连，推杆顶端固定万向球关节座，万向球关节置于万向球关节座上，电磁吸盘固定在万向球关节上部。
本发明还可以这样解决技术问题：液压缸上部穿越底座上层的位置置有无油衬套。
一种弯板压头，包括固定架，其特征在于：固定架下固定侧柱，侧柱下端固定平行轨，移动块置于平行轨上，移动块下部固定冲压工具头。
冲压工具头为3个。
一种复杂曲面板材加工设备，包括机床、弯板压头和支撑柱，其特征在于：机床底部为机床导轨，机床导轨上上安放有移动板，移动板上有倒“T”形内置轨道，支撑柱的底座下部设有外凸倒“T”形轨，支撑柱的底座下层下部的外凸倒“T”形轨与移动板上的倒“T”形内置轨道相对应，液压缸固定在底座下层，液压缸上部穿过底座上层与推杆相连，推杆顶端固定万向球关节座，万向球关节置于万向球关节座上，电磁吸盘固定在万向球关节上部；机床上部横梁侧边设有水平侧轨，移动控制件置于机床上部的水平侧轨上，移动控制件的下端安装有弯板压头，弯板压头的固定架下固定侧柱，侧柱下端固定平行轨，移动块置于平行轨上，移动块下部固定冲压工具头。
底座上的支撑柱为2个及以上。
板材支撑模块主要负责板材工件在加工过程中的装夹定位。弯板压头模块是整个装备的成形工具头部分，提供板材弯曲的成形力。机床模块为运动执行机构。
本发明可以达到的有益效果是：可以制备复杂曲面的大型板材工件；整个加工过程中不用模具，加工柔性度高，特别适用于小批量、双曲率的板材工件；与传统机械冲压发相比，本发明的装备成本低，并不需要设计专门的模具。并且本发明可以实现板材柔性加工，适应于不同形状的板材工件；与辊弯法相比，本发明的适应性更强。辊弯法只能加工单一曲率板材工件，而本发明所描述的加工工艺可以加工复杂曲率板材，包括单曲率、双曲率、以及其它复杂曲率工件；与水火弯板相比，本发明的加工效率更高，而且本发明比水火弯板环保性更好。水火弯板需要火和水的双重作用，加工环境差，而且极度依赖熟练的技术工人。本发明所描述的加工工艺为普通的冷加工过程，加工环境较好，而且主要由计算机控制，技术工人容易操作；本发明所设计的底部支撑模块，是支撑柱可随意调节的柔性支撑系统，适用于不同形状的板材工件。可以实现多种动作方式，可以固定保持不动，可以按位移控制其位移量，还可以以压力控制其运动。支撑柱顶端设计有球饺和电磁吸盘，可以使支撑柱与板材始终保持面接触，对板材的支撑固定更可靠；本发明的加工工艺为渐进弯曲成形，可通过局部曲率的加工成形而获得完整的板材工件。板材在加工过程中厚度方向几乎不会发生减薄效应，可以加工出复杂形状的板材工件，适应性强。
附图说明
图1本发明一种复杂曲面板材加工设备结构图；
图2本发明一种上下调动的支撑柱结构图；
图3 本发明一种弯板压头结构图；
图4 本发明机床结构图。
具体实施方式
附图中各标号所代表的零部件名称如下：
支撑柱 1（底座1.1、液压缸1.2、推杆1.3、万向球关节座1.4、万向球关节1.5、电磁吸盘1.6、无油衬套1.7）、弯板压头2（、固定架2.1、侧柱2.2、平行轨2.3、移动块2.4、冲压工具头2.5）、机床3（机床导轨3.1、移动板3.2、移动控制件3.3）。
下面结合附图对发明进行进一步说明：
本发明的一种复杂曲面板材加工装备，整体结构如图1所示。该装备采用分模块的设计方案，不同模块可根据实际需要进行单独设计并更换。该装备主要有三大模块：板材支撑柱1、弯板压头2以及机床3。
本发明的板材支撑柱如图2所示，可实现板材的柔性支撑功能。该模块主要包含以下几个机构：底板1.1、液压缸1.2、推杆1.3、万向球关节座1.4、 万向球关节1.5、电磁吸盘1.6、无油衬套1.7。
弯板压头模块如图3所示，该模块通过成形工具头的压力，实现板材的弯曲变形。图3所示的是由三个冲压工具头构成，但此结构并不仅仅局限在图示的三个冲压工具头，也可以设计成单个或者五个等不同数量的冲压工具头模块。每个工具头由液压缸驱动，实现上向运动。压头模块整体可由电机驱动，实现旋转运动，以适应不同角度的板材弯曲变形。
图4为本发明机床结构图，机床可设计成普通机床或龙门机床，根据机床设计规格来定。对于普通机床，其X、Y轴运动由工作台的运动来实现，工具头部分只沿Z轴运动。而对于龙门机床，其三轴运动主要由龙门部分决定，工作台只是起支撑作用。
实施例1：一种上下调动的支撑柱，包括上下两层的底座1.1，其特征在于：液压缸1.2固定在底座1.1下层，液压缸上部穿过底座1.1上层与推杆1.3相连，推杆1.3顶端固定万向球关节座1.4，万向球关节1.5置于万向球关节座1.4上，电磁吸盘1.6固定在万向球关节1.5上部。
实施例2：一种上下调动的支撑柱，包括上下两层的底座1.1，其特征在于：液压缸1.2固定在底座1.1下层，液压缸上部穿过底座1.1上层与推杆1.3相连，推杆1.3顶端固定万向球关节座1.4，万向球关节1.5置于万向球关节座1.4上，电磁吸盘1.6固定在万向球关节1.5上部。
液压缸1.2上部穿越底座1.1上层的位置置有无油衬套1.7。
实施例3：一种弯板压头，包括固定架2.1，其特征在于：固定架2.1下固定侧柱2.2，侧柱2.2下端固定平行轨2.3，移动块2.4置于平行轨2.3上，移动块2.4下部固定冲压工具头2.5。
实施例4：一种弯板压头，包括固定架2.1，其特征在于：固定架2.1下固定侧柱2.2，侧柱2.2下端固定平行轨2.3，移动块2.4置于平行轨2.3上，移动块2.4下部固定冲压工具头2.5。
冲压工具头2.5为3个。
实施例5：一种复杂曲面板材加工设备，包括机床3、弯板压头2和支撑柱1，其特征在于：机床底部为机床导轨3.1，机床导轨上3.1安放有移动板3.2，移动板3.2上有倒“T”形内置轨道，支撑柱1的底座下部设有外凸倒“T”形轨，支撑柱1的底座1.1下层下部的外凸倒“T”形轨与移动板3.2上的倒“T”形内置轨道相对应，液压缸1.2固定在底座1.1下层，液压缸1.2上部穿过底座1.1上层与推杆1.3相连，推杆1.3顶端固定万向球关节座1.4，万向球关节1.5置于万向球关节座1.4上，电磁吸盘1.6固定在万向球关节1.5上部；机床3上部横梁侧边设有水平侧轨，移动控制件3.3置于机床上部的水平侧轨上，移动控制件3.3的下端安装有弯板压头2，弯板压头的固定架2.1下固定侧柱2.2，侧柱2.2下端固定平行轨2.3，移动块2.4置于平行轨2.3上，移动块2.4下部固定冲压工具头2.5。
实施例6：一种复杂曲面板材加工设备，包括机床3、弯板压头2和支撑柱1，其特征在于：机床底部为机床导轨3.1，机床导轨上3.1安放有移动板3.2，移动板3.2上有倒“T”形内置轨道，支撑柱1的底座下部设有外凸倒“T”形轨，支撑柱1的底座1.1下层下部的外凸倒“T”形轨与移动板3.2上的倒“T”形内置轨道相对应，液压缸1.2固定在底座1.1下层，液压缸1.2上部穿过底座1.1上层与推杆1.3相连，推杆1.3顶端固定万向球关节座1.4，万向球关节1.5置于万向球关节座1.4上，电磁吸盘1.6固定在万向球关节1.5上部；机床3上部横梁侧边设有水平侧轨，移动控制件3.3置于机床上部的水平侧轨上，移动控制件3.3的下端安装有弯板压头2，弯板压头的固定架2.1下固定侧柱2.2，侧柱2.2下端固定平行轨2.3，移动块2.4置于平行轨2.3上，移动块2.4下部固定冲压工具头2.5。
底座1.1上的支撑柱1为2个及以上。
实施例7：一种复杂曲面板材加工设备，包括机床3、弯板压头2和支撑柱1，其特征在于：机床底部为机床导轨3.1，机床导轨上3.1安放有移动板3.2，移动板3.2上有倒“T”形内置轨道，支撑柱1的底座下部设有外凸倒“T”形轨，支撑柱1的底座1.1下层下部的外凸倒“T”形轨与移动板3.2上的倒“T”形内置轨道相对应，液压缸1.2固定在底座1.1下层，液压缸1.2上部穿过底座1.1上层与推杆1.3相连，推杆1.3顶端固定万向球关节座1.4，万向球关节1.5置于万向球关节座1.4上，电磁吸盘1.6固定在万向球关节1.5上部；机床3上部横梁侧边设有水平侧轨，移动控制件3.3置于机床上部的水平侧轨上，移动控制件3.3的下端安装有弯板压头2，弯板压头的固定架2.1下固定侧柱2.2，侧柱2.2下端固定平行轨2.3，移动块2.4置于平行轨2.3上，移动块2.4下部固定冲压工具头2.5。
冲压工具头2.5为3个及以上。
实施例8：一种复杂曲面板材加工设备，包括机床3、弯板压头2和支撑柱1，其特征在于：机床底部为机床导轨3.1，机床导轨上3.1安放有移动板3.2，移动板3.2上有倒“T”形内置轨道，支撑柱1的底座下部设有外凸倒“T”形轨，支撑柱1的底座1.1下层下部的外凸倒“T”形轨与移动板3.2上的倒“T”形内置轨道相对应，液压缸1.2固定在底座1.1下层，液压缸1.2上部穿过底座1.1上层与推杆1.3相连，推杆1.3顶端固定万向球关节座1.4，万向球关节1.5置于万向球关节座1.4上，电磁吸盘1.6固定在万向球关节1.5上部；机床3上部横梁侧边设有水平侧轨，移动控制件3.3置于机床上部的水平侧轨上，移动控制件3.3的下端安装有弯板压头2，弯板压头的固定架2.1下固定侧柱2.2，侧柱2.2下端固定平行轨2.3，移动块2.4置于平行轨2.3上，移动块2.4下部固定冲压工具头2.5。
底座1.1上的支撑柱1为2个及以上。
冲压工具头2.5为3个及以上。
根据实际板材的大小，调整所需支撑柱的数量，以适应不同的加工要求。一般支撑柱以矩形方式排列，每列所包含的支撑柱个数相同。但当板材形状比较复杂，矩形方式排列不足以完全支撑的情况下，可以随意调整支撑住位置与个数，每排可以放置数量不同的支撑柱，且每个支撑柱之间的间距也可不尽相同，以最大限度的满足复杂曲面板材的支撑作用。
每个支撑柱由液压缸1.2控制，可实现上下往复运动，通过分别调整每一个支撑柱的高度，则该支撑系统所形成的表面轮廓线形状可任意变化，实现复杂板材曲面的柔性支撑。
通过液压控制每一个支撑柱的运动，可以实现不同的运动形式：可以设定支撑柱支撑力，即液压系统的保压力，当冲头下压过程中，板材作用到支撑柱上的压力大于该保压力后，则支撑柱可随着板材向下运动，实现支撑系统依附板材变形的不同而隧动的运动方式。可以以位移方式控制支撑柱的运动，设定每一个支撑柱在不同时间段的位移量，实现多个支撑柱的联动操作。可以用单向阀控制锁定支撑柱的位置，当支撑柱运动到指定位置后，通过单向阀封闭液压油流动，使支撑柱在某一位置固定不动。
每一支撑柱顶端设计有可自由旋转的球饺结构，在球饺结构上固定电磁吸盘，可通过电流的通断控制电磁吸盘的开闭状态，由电流的大小控制电磁铁吸附力的大小。通过电磁铁，可以实现两种方式的板材弯曲成形方式：其一是电磁铁始终保持开通状态，在弯曲工具头下压的过程中，电磁铁保持通电状态，在这种动作模式下，板材工件与支撑柱之间不存在相对滑动，在板材弯曲的过程中，球饺随着板材形状的变化而转动不同角度，以使支撑柱顶端始终与板材平面保持九十度垂直支撑，当板材弯曲量较小时，板材发生纯弯曲变形；但当板材弯曲量较大时，在弯曲的过程中，板材伴随着少量的拉深变形，致使板材工件在拉深处存在一定的减薄量；其二是电磁铁在工具头下压弯曲过程中断电，而在工具头离开板材使通电，这种动作模式可以保证板材始终发生弯曲变形，而不存在拉深效应。工具头下压时，电磁吸盘断电，通过工具头的压力使板材紧密接触在支撑柱顶端，由于工具头与支撑柱之间并没有电磁吸附力，此时板材在弯曲的过程中可能沿着支撑柱表面发生少量滑移，以保证板材的纯弯曲变形。当工具头到达下压位置，开始缓慢上升释放压力时，电磁吸盘通电，使成形后的板材紧密吸附在支撑柱上，减小板材的回弹变形，并且保证板材在支撑系统的各个支撑点的相对位置在整个加工过程中不发生变化。
该弯板渐进成形系统的加工方式是基于板材渐进成形的加工思路，通过板材局部弯曲变形，以达到整体的复杂曲面效果。故板材每一加工步工具头的下压弯曲量并不是很大，而且与传统金属板材单点渐进成形方法不同的是，传统金属板材渐进成形是由板材局部拉深成形而加工出整个零件。而此专利所描述的加工工艺是基于板材渐进弯曲成形加工出整个零件。在加工过程中，对板材进行渐进弯曲加工，每一加工步仅仅加工出板材的某一局部曲率，然后逐步移动加工工具头的位置，折弯板材不同点的曲率。而对于曲率较大的点，可以分多次加工，在前一步的基础上，后一步逐步增加弯曲量，以达到大曲率的板材工件。
本发明可用于复杂曲面板材的渐进弯曲成形；
本发明包括机床部分、柔性支撑模块以及加工成形工具头模块；
本发明是一种柔性支撑系统，可以实现对不同形状复杂板材的柔性支撑作用。
本发明主要用于板材弯曲渐进成形系统，工具头可根据板材形状而定制。
依据本发明所描述的加工工艺与装备，发明人设计了一种试验样机，在该样机上以成功实现板材渐进弯曲这种工艺方法。而且通过有限元模拟仿真，已验证该工艺可行。
本发明的变更设计方案主要在于加工机床可以为各种可实现三轴运动的机床。底部柔性支撑柱可以由不同方案实现，包括液压控制以及电机控制等。
本发明所描述的机床主要用于复杂形状板材工件的加工方面，但也可应用与其它领域。如复杂板材工件的装夹固定，以应用于板材切割、表面处理等其它工艺。本发明所描述的加工工艺可应用于船板、飞机蒙皮、汽车覆盖件等各种复杂工件。

Claims (5)

1.一种复杂曲面板材柔性加工设备，包括机床（3）、弯板压头（2）和支撑柱（1），其特征在于：机床底部为机床导轨（3.1），机床导轨（3.1）上安放有移动板（3.2），移动板（3.2）上有倒“T”形内置轨道，支撑柱（1）的底座下部设有外凸倒“T”形轨，支撑柱（1）的底座（1.1）下层下部的外凸倒“T”形轨与移动板（3.2）上的倒“T”形内置轨道相对应，液压缸（1.2）固定在底座（1.1）下层，液压缸（1.2）上部穿过底座（1.1）上层与推杆（1.3）相连，推杆（1.3）顶端固定万向球关节座（1.4），万向球关节（1.5）置于万向球关节座（1.4）上，电磁吸盘（1.6）固定在万向球关节（1.5）上部；机床（3）上部横梁侧边设有水平侧轨，移动控制件（3.3）置于机床上部的水平侧轨上，移动控制件（3.3）的下端安装有弯板压头（2），弯板压头（2）的固定架（2.1）下固定侧柱（2.2），侧柱（2.2）下端固定平行轨（2.3），移动块（2.4）置于平行轨（2.3）上，移动块（2.4）下部固定冲压工具头（2.5）。
2.根据权利要求1所述的复杂曲面板材柔性加工设备，其特征在于：支撑柱（1）是一种上下调动的支撑柱，包括上下两层的底座（1.1），液压缸（1.2）固定在底座（1.1）下层，液压缸上部穿过底座（1.1）上层与推杆（1.3）相连，推杆（1.3）顶端固定万向球关节座（1.4），万向球关节（1.5）置于万向球关节座（1.4）上，电磁吸盘（1.6）固定在万向球关节（1.5）上部。
3.根据权利要求2所述的复杂曲面板材柔性加工设备，其特征在于：液压缸（1.2）上部穿越底座（1.1）上层的位置置有无油衬套（1.7）。
4.根据权利要求1所述的复杂曲面板材柔性加工设备，其特征在于：弯板压头（2）包括固定架（2.1），固定架（2.1）下固定侧柱（2.2），侧柱（2.2）下端固定平行轨（2.3），移动块（2.4）置于平行轨（2.3）上，移动块（2.4）下部固定冲压工具头（2.5）。
5.根据权利要求1或4所述的复杂曲面板材柔性加工设备，其特征在于：冲压工具头（2.5）为3个以上。
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