CN108380885B - 能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置及方法，它解决了现有技术中渐进成形角度较大时减薄率过大以及壁厚不均匀的问题，具有方便对零件进行表面涂覆、提高加工精度的有益效果，其方案如下：能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置，包括熔池，熔池内装有熔融金属，熔池出口端设置与熔池连通的工具头，工具头工作端与待加工材料表面相适配，熔池与三维移动机构或旋转机构连接，在三维移动机构或旋转机构的带动下，工具头对待加工材料进行加工，或者，熔融金属从熔池经过工具头流向待加工材料表面。

Description

能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置及方法

技术领域

本发明涉及渐进成形辅助领域，特别是涉及能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置及方法。

背景技术

渐进成形是一种先进的快速柔性无模成形技术，它采用对板料进行分层渐进成形来制造三维形体的工艺，不需要模具或是只需要简单的支撑模具，较小的塑性加工区和逐渐累积成形提高了板料的成形性能，因此很容易加工塑性成形性能较低的材料，在小批量生产以及客户定制化零件生产中具有明显的优越性。但是根据体积不变的原理，在渐进成形中，成形零件的板料厚度与原始板料厚度近似服从余弦定理，故零件的厚度分布与成形角度有关系，且成形角度越大厚度减薄越严重材料越容易发生破裂，对于零件的形状越复杂，通过一般渐进成形方法加工出来的零件的壁厚分布就越不均匀甚至对于某些零件加工时容易发生破裂，难以达到理想中的零件。

若发生破裂后，严重影响零件的成形效果，造成资源的浪费。虽然现有技术可在成形加工后采用激光进行表面熔覆的方法，但所采用的装置结构复杂，成本较高，并不能避免成形过程时的破裂。

因此，需要对能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置进行新的研究设计，预防破裂的发生。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置，能够有效解决渐进成形角度较大减薄率过大壁厚不均匀甚至破损的问题，而且可实现对零件的表面处理。

能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置的具体方案如下：

能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置，包括熔池，熔池内装有熔融金属，熔池出口端设置与熔池连通的工具头，工具头工作端与待加工材料表面相适配，熔池与三维移动机构或旋转机构连接，在三维移动机构或旋转机构的带动下，工具头对待加工材料进行加工，或者，熔融金属从熔池经过工具头流向待加工材料表面。

上述的渐进成形装置，工具头不是普通的工具头，而是与熔池连通，不仅可以实现基本的板材成形，还可以根据实际需求将熔融后的金属补入到待加工材料表面，实现对待加工材料的破裂前的有效修补，结构设置简单，成本得到有效控制。

进一步地，所述工具头工作端设有滚珠，滚珠外设置锥型压帽，滚珠与工具头之间设有用于缝隙，滚珠的存在将工具头和材料之间的滑动摩擦变为了滚动摩擦，使工具头受力更小加工精度更高，而且滚珠的设置使熔融的金属在板料表面的分布更加均匀。

其中，锥型压帽与工具头工作端通过螺纹连接。

进一步地，所述工具头与熔池之间设置开关阀，或者工具头设置开关阀，开关阀为电磁阀，以便控制具体哪些位置需要添加时打开，哪些位置不需要添加时关闭。其中，工具头材质为硬质合金；

或者，所述熔池内设有温度传感器(热电偶)，温度传感器与控制器连接，控制器与加热机构的加热开关、开关阀分别单独连接，在需要修补或者其他表面处理时，当温度传感器检测到熔池内金属的温度达到设定温度时，控制开关阀打开，进行修补或者其他工作，同时，控制加热开关暂停加热，当温度低于设定要求时，控制器为PLC控制器控制加热开关重新加热。

进一步地，所述熔池内设有隔板以将熔池从上到下分为加热区和保温区，隔板开有若干开孔，以便于熔融金属从加热区流向保温区，熔融区用于熔化金属，保温区用于储存熔化后的金属。

进一步地，所述加热机构为感应加热机构或者电加热机构或者其他加热机构，所述熔池的圆周设有感应加热线圈，感应加热线圈围绕所述加热区和保温区分区设置。

感应线圈由外电源通高频直流电，从而产生交变磁场，熔池内的金属产生感应电流利用焦耳效应使温度迅速升高达到熔化金属的目的，热电偶实时反馈保温区的温度，控制器设置温度调控旋钮，通过精准调控液态金属的温度，针对不同温度的金属设置最佳的加工温度。线圈分为上下两个部分，上半部分主要起到加热熔化的作用，下半部分主要起到保温的作用。上下两个线圈共用一个电极，因此在绝缘架上共有三个电极，因此实现了对熔池内温度实现了分区控制。

熔池由耐高温非金属材料构成(例如氧化铝陶瓷)，能够保证感应线圈在对熔池内金属进行加热熔化时熔池本身不被加热，达到节约能源的作用。

进一步地，所述熔池顶部设有上端盖，上端盖开有进气孔和进料口，通过进料口可以向熔池内添加金属粉末或是金属丝、小的金属颗粒等，上端盖与熔池之间设置密封垫，上端盖、密封垫和熔池一起构成一个密闭的空间，进气孔用于通入氮气等稳定气体，使熔池内保持恒压，一方面氮气可以保证金属不被氧化，另一方面熔池内恒压保证了熔融的金属的流出量由电磁阀的通电时间决定，达到精准控制熔液的输出量。

进一步地，所述上端盖与刀柄连接，刀柄与三维移动机构连接；

进一步地，，若需要实现工具头的旋转(自转)，可将刀柄与旋转机构(例如机床主轴)连接，并设置与夹持柄同轴的电刷和气动旋转接头，主轴带动刀柄、熔池和工具头实现旋转。

其中，采用电刷实现装置旋转部分(夹持柄、熔池、工具头等)电器元件与固定部分(绝缘架等)的电能和电信号的传递，来实现控制和驱动热电偶和电磁阀的目的。电刷固定于绝缘架，夹持柄分布有多个接触片，在旋转时电刷依靠电刷和电刷架之间的弹簧弹力来保证和对应的接触片紧密接触。同理气动旋转接头和夹持柄同轴安装，可实现气体介质从固定导气管到上端盖进气口的过渡密封连接。其中，刀柄通过夹持柄与上端盖连接，夹持柄套有绝缘架，电极穿过绝缘架设置。

进一步地，所述工具头与所述的熔池可拆卸设置，工具头设有多个规格可实现替换。

进一步地，通过对工具头结构进行改进，使其中一工具头具有合适的板材挤压角度，从而使该装置可应用到旋压成形工艺中。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种用于对材料渐进成形方法，采用所述的能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置，包括如下步骤：

1)向熔池内加入设定质量的金属；

2)向熔池内通入稳定气体；

3)对熔池内的金属进行加热，金属熔化为液态，并达到设定的温度；

4)三维移动机构或旋转机构工作，带动熔池和工具头运动，从而对工件进行渐进加工；

5)修正工具头的加工轨迹程序，当工具头移动到需要进行修正的位置时，熔融到设定温度的金属流动到工具头，按照成形的减薄率和要求的厚度对材料进行修正。

此外，可以利用上述装置对零件表面进行处理，对零件表面进行熔覆耐磨、耐腐蚀性金属，以达到耐磨、耐腐蚀的目的。

其中，步骤5)中利用仿真软件对预计成形后的零件模型进行仿真，通过仿真结果来修正工具头的加工轨迹程序，控制工具头的移动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明通过将熔融金属直接通过工具头导出，解决了传统渐进成形角度过大时减薄率过大引起的壁厚不均匀甚至破裂的问题，对于原有渐进成形不能加工的复杂零部件成形也能很好解决，同时热源的引入还可以降低成形力，提高精度的同时使得加工也变得更加容易。

2)本发明装置和方法还可用于对成形件进行其他材料表面涂覆以实现耐腐蚀、耐磨或具有生物相容性等目的。

3)本发明结构设置简单，不用改动原有工作平台的结构，原有的自由度没有任何限制，比如旋转运动依然可以实现。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是渐进成形加工示意图。

图3(a)是工具头示意图；

图3(b)是工具头的剖视图；。

图4是旋压加工示意图。

图中：1工具头；2电磁阀；3熔池；4感应线圈；5密封圈；6上端盖；7螺栓；8进料口；9进气孔；10夹持柄；11接线柱；12绝缘架；13轴承；14刀柄；15支架；16板料；17隔板；18电磁泄压阀；19电源；20热电偶。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1和图2所示，能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置，包括感应加热容器，内部设有用于盛放金属的熔池3，感应加热容器底部设置与熔池3相通的工具头1，工具头1用于对代加工材料进行加工，其中，支架15用于支撑待加工材料；感应加热容器顶部与三维移动机构或旋转机构其中一个机构连接，以实现工具头对材料的三维加工或者旋压加工，熔池顶部设置电磁泄压阀18。

支架15为框形支架，支架15设置盖板，用于夹持待加工材料，盖板与支架通过螺栓件紧固连接，或者，支架15为弧形支撑件，用于支承弧形待加工材料，弧形支撑件与按压件相互配合实现对材料的压紧。

如图3(a)和图3(b)所示，工具头工作端设有滚珠，滚珠外设置锥型压帽，滚珠与工具头之间设有用于缝隙，滚珠的存在将工具头和材料之间的滑动摩擦变为了滚动摩擦，使工具头受力更小加工精度更高，而且滚珠的设置使熔融的金属在板料表面的分布更加均匀。

铝合金板料16和传统渐进成形一样通过支架15固定到铣床工作平台。传统渐进成形的成形工具头能够由刀柄14直接连接到铣床主轴，在本发明中工具头1是通过电磁阀2连接在熔池3上面，工具头1和电磁阀2以及熔池3和电磁阀2均采用锥形密封和螺纹联结。然后再将整个装置通过夹持柄10和刀柄14配合连接在铣床主轴，夹持柄10上端为圆柱状可直接安装于刀柄14，另一端通过螺纹与上端盖6连接。感应线圈4和熔池3同心安装但是并不直接接触，而是通过绝缘架12和轴承13连接在刀柄14上面，可以保证在必要时装置随主轴一起旋转，接线柱11同时起到将线圈固定在绝缘架12上的作用和连接电缆的作用。整个装置按照待加工的轨迹随刀柄14一起运行。

在加工之前首先在进气孔9连接进气管，调节电磁泄压阀18向熔池3内通入少量的氮气，打开电磁阀2将熔池3内的空气完全排干净，关闭电磁阀2。打开进料口8向熔池3内添加铝粉，添加完成后封闭进料口8再次向熔池3内通氮气，通过调节电磁泄压阀18以及压力表使熔池内压强保持恒定。接通感应线圈4的电源19，对熔池3内的铝粉进行感应加热，温度迅速升高，当温度达到铝的熔点以后熔池3内的铝粉开始熔化，并最终完全熔化为液态，这时熔融的铝在重力以及气体压力的作用下将通过隔板17的开孔流到保温区等待加工，通过热电偶20采集的温度信息实时反馈到控制器，控制器根据设定的最佳加工温度和采集的温度对比，控制器采用PID控制算法实现保温区的温度与设定的温度相同。启动铣床导入程序对铝板进行加工，通过已有的加工经验以及对最终成形的零件形状进行仿真，利用仿真软件对预计成形后的零件厚度进行仿真预测，通过与设定的厚度阈值进行对比，修正工具头的加工轨迹程序，达到对厚度低于设定阈值区域进行修补的目的。利用加工软件对预测的区域进行修补，当工具头1运动到这些区域时电磁阀2适时打开按照成形的减薄率和要求的厚度进行修补，在零件破坏之前向零件加工表面均匀的涂上熔融的铝，熔融的铝能够和基层铝进行冶金结合，在必要条件下可以对板材进行预热以及向加工表面通保护气体来保证熔融的铝和板料之间的结合强度。通过多次运刀即可达到渐进成形的同时对板材进行修整，最终得到想要加工的零件。

上述的装置也可以用于对材料进行表面处理。

如图4所示，通过对其中部分工具头结构进行改进，使工具具有合适的板材挤压角度，将装置安装到旋压机刀架上即可应用到旋压成形工艺，在该工艺成形过程中，选择合理的旋压工艺参数，使旋压工具与芯模相对连续的进给，依次对工件的极小部分施加变形压力，使被加工材料产生连续逐点变形为与芯模一致的形状，示例中芯模为圆弧形回转体，通过挤压板材的外表面进行旋压成形。

如图2所示，为采用上述装置的辅助渐进成形过程：

1)板料尺寸为160mm×160mm，厚度为1mm的1050铝板；

2)使用三维软件SolidWorks对产品进行数字建模，目标形状为截椎体，并用UG生成加工轨迹，利用仿真软件对成形后的零件模型进行仿真，通过仿真结果修正加工轨迹程序，预判需要材料修补区域，以协同电磁阀工作的时序；

3)接通感应线圈电源，对熔池内的铝粉进行感应加热，使材料熔化为液态，并设定合适温度进行保温；

4)渐进成形用工具头为硬质合金，直径为5mm；

5)将1050铝板固定到支架；

6)启动机床，机床回零，移动铣床工作平台，找到加工原点；

7)运行程序，开始加工；

8)取下成形后的铝板，加工完成。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置，其特征在于，包括熔池，熔池内装有熔融金属，熔池出口端设置与熔池连通的工具头，工具头工作端与待加工材料表面相适配，熔池与三维移动机构或旋转机构连接，在三维移动机构或旋转机构的带动下，工具头对待加工材料进行加工，或者，熔融金属从熔池经过工具头流向待加工材料表面；

所述工具头工作端设有滚珠，滚珠外设置锥型压帽，滚珠与工具头之间设有缝隙；

所述熔池内设有隔板以将熔池从上到下分为加热区和保温区，隔板开有若干开孔，以便于熔融金属从加热区流向保温区。

2.根据权利要求1所述的能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置，其特征在于，所述工具头与熔池之间设置开关阀，或者工具头设置开关阀。

3.根据权利要求1所述的能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置，其特征在于，所述熔池外侧设置加热机构以对熔池进行加热。

4.根据权利要求1所述的能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置，其特征在于，所述熔池内设有温度传感器，温度传感器与控制器连接，控制器与加热机构的加热开关、开关阀分别单独连接。

5.根据权利要求3所述的能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置，其特征在于，所述加热机构为感应加热机构，其中，熔池的圆周设有感应加热线圈，感应加热线圈围绕所述加热区和保温区分区设置。

6.根据权利要求1所述的能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置，其特征在于，所述熔池的顶部设有上端盖，上端盖开有进气孔和进料口。

7.根据权利要求6所述的能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置，其特征在于，所述上端盖与刀柄连接，刀柄与所述的三维移动机构连接。

8.根据权利要求6所述的能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置，其特征在于，刀柄与旋转机构连接，旋转机构带动刀柄、熔池和工具头的旋转。

9.根据权利要求1所述的能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置，其特征在于，所述工具头与所述的熔池可拆卸设置，工具头设有多个。

10.一种用于对材料渐进成形方法，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项所述的能实现感应加热修补的辅助渐进成形装置，包括如下步骤：

1)向熔池内加入设定质量的金属；

2)向熔池内通入稳定气体；

3)对熔池内的金属进行加热，金属熔化为液态，并达到设定的温度；

4)三维移动机构或旋转机构工作，带动熔池和工具头运动，从而对工件进行渐进加工；

5)修正工具头的加工轨迹程序，当工具头移动到需要进行修补的位置时，熔融到设定温度的金属流动到工具头，按照成形的减薄率和要求的厚度对材料进行修补。

11.根据权利要求10所述的一种用于对材料渐进成形方法，其特征在于，所述步骤5)中利用仿真软件对预计成形后的零件厚度进行仿真预测，通过与设定的厚度阈值进行对比，修正工具头的加工轨迹程序，达到对厚度低于设定阈值区域进行修补的目的。