CN108672554B - 一种渐进成形变压力机床夹具及其压边力控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种渐进成形变压力机床夹具，包括若干导柱(2)，全部所述导柱(2)的上下两端分别设置上压板(5)和支撑底板(1)，下压板(3)活动设置在所述支撑底板(1)与上压板(5)之间，杯盖型浮顶块(6)与所述下压板(3)下表面相连接，所述杯盖型浮顶块(6)的中心开设有第一螺纹孔，所述第一螺纹孔内固定连接有丝杠(7)上的丝母，所述丝杠(7)穿过所述丝母，所述丝杠(7)的底端与传动系统相连。本发明还公开了一种渐进成形变压力机床夹具的压边力控制方法。本发明实现了下压板的上下浮动以及夹具装夹板料的自动化，同时加工时便于补料，防止加工过程中板料的破裂，可以明显提升板料的成形极限。

Description

一种渐进成形变压力机床夹具及其压边力控制方法
技术领域
本发明涉及一种渐进成形变压力机床夹具及其压边力控制方法，属于板料渐进成形加工技术领域。
背景技术
20世纪90年代，日本学者松原茂夫提出了一种成形金属板料的新工艺，即渐进成形技术。它是基于快速原型制造技术中“分层制造”的思想，将复杂的三维形状按等高线分解成多个二维层，工具头在二维平面中按照一定的轨迹走等高线进行逐层塑性加工，最终成形出零件。该技术属于柔性制造技术，对板料局部进行碾压变形，变形连续累积而达到整体成形，成形性能好，成形极限高，特别适用于小批量定制生产以及多品种、形状复杂的板料零件成形。
板材在渐进成形过程中厚度会发生减薄，减薄规律遵循余弦定理δ＝δ0cosθ，其中的δ0为板材的原始厚度，当成形角θ超过成形极限角时，板材会发生破裂。目前，渐进成形加工过程中的压边力通常是固定不变的，导致在渐进成形过程中无法实现补料，在一定程度上限制了渐进成形技术的推广使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，本发明提供一种基于伺服电机的渐进成形变压力机床夹具及其压边力动态调整的控制方法，可实现渐进成形中的工艺补料。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种渐进成形变压力机床夹具，包括若干导柱，全部所述导柱的上下两端分别设置上压板和支撑底板，下压板活动设置在所述支撑底板与上压板之间，杯盖型浮顶块与所述下压板下表面相连接，所述杯盖型浮顶块的中心开设有第一螺纹孔，所述第一螺纹孔内固定连接有丝杠上的丝母，所述丝杠穿过所述丝母，所述丝杠的底端与传动系统相连。
所述传动系统包括十字换向器，所述丝杠的底端与所述十字换向器的竖直方向相连接，所述十字换向器的水平方向通过联轴器与伺服电机相连接，所述伺服电机通过电机支架与所述支撑底板连接。
所述下压板通过导套与所述导柱滑动连接。
所述上压板和下压板的中间均预留有用于加工板料的孔洞，所述杯盖型浮顶块的上表面内部开设有圆台形凹槽，所述圆台形凹槽的底部中心开设有所述第一螺纹孔。
所述圆台形凹槽上宽下窄，所述圆台形凹槽坡度为75°～85°，所述圆台形凹槽的高度为50～70mm。
所述丝杠的顶部设置有法兰。
所述下压板与杯盖型浮顶块的接触面上攻有若干个不贯穿的第二螺纹孔，所述杯盖型浮顶块与下压板的接触面上攻有若干个贯穿的第三螺纹孔，内六角螺钉依次穿过所述第三螺纹孔和第二螺纹孔后固定。
所述下压板和上压板均为圆形，所述孔洞为圆形，所述孔洞的内径≥所述圆台形凹槽的顶端开口内径。
所述伺服电机为交流伺服电机，交流伺服电机通过接受交流伺服电机控制器输出的PWM脉宽数，实现交流伺服电机主轴转速的控制，从而改变交流伺服电机的输出扭矩以实现压边力的控制。
一种渐进成形变压力机床夹具的压边力控制方法，包括以下步骤：
S01，选择待成形板料种类以及确定待成形板料厚度δ；
S02，测量待成形板料表面的摩擦系数μ；
S03，利用由圆弧旋转而成的圆锥台，在40°到90°内测量待成形板料在不同成形角θ下的成形力F，并绘制出成形力F随成形角θ变化的曲线图，其中0＜θ＜π/2；
S04，对待成形板料进行三维造型设置工艺参数，并生成NC加工文件；
S05，将待成形板料放置在下压板上，然后启动伺服电机推动下压板上行，直到压紧待成形板料；
S06，装夹完成后，启动渐进成形机床，移动机床X、Y轴沿着上压板侧边进行对刀操作，移动机床Z轴靠近待成形板料进行Z轴方向对刀操作；
S07，将所述NC加工文件输入渐进成形机床控制系统；
S08，将夹具上的伺服电机控制器与机床控制系统相连，实现机床控制系统向伺服电机控制器实时传输加工成形角以及加工位置的数据信息，在伺服电机控制器中将机床控制系统传输的数据以及成形力F随成形角θ变化的曲线图通过压边力修正公式修正：
其中：δ为待成形板料的厚度，单位为mm；r为成形工具头半径，单位为mm；R为加工表面到成形板料心轴的相对半径，单位为mm；μ为待成形板料与上压板、下压板之间的摩擦系数；θ为待成形板料的成形角；F为成形力，单位为KN；κ为经验系数，取值在1.1-1.5之间；
通过上述公式得到压边力Γ随成形角θ变化的曲线图，并利用此曲线图来控制伺服电机，对待成形板料加工时的压边力进行实时动态调整；
S09，执行NC加工文件程序，完成待成形板料的加工，加工完成后，撤离刀具，下压板下行，将成形板料取下，然后装夹下一个待成形板料，重复操作。
本发明具有如下有益效果：本发明通过使用伺服电机，利用十字换向器和丝杠与丝母的传动关系来实现下压板的上下浮动以及夹具装夹板料的自动化，此外，利用伺服电机的输入输出特性来精确控制渐进成形过程中板料的压边力的变化，加工时便于补料，防止加工过程中板料的破裂，可以明显提升板料的成形极限。与传统的渐进成形夹具相比较，本发明可以控制渐进成形过程中板料的压边力随着成形角度的大小而动态变化，可以实现加工时便于材料流动和补料工艺效果，可明显提升板料成形性能，进一步拓展了渐进成形应用范围；与现有技术相比，本发明的优点在于采用了伺服电机作为驱动，实现了渐进成形板料加工的装夹自动化，提高了生产效率，为以后的生产自动化奠定了基础。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的剖视图；
图3为图1的主视图；
图4为变曲面加工渐进成形试验模型；
图中：1.支撑底板，2.导柱，3.下压板，4.导套，5.上压板，6.杯盖型浮顶块，7.丝杠，8.内六角螺钉，9.十字换向器，10.联轴器，11.电机支架，12.伺服电机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1～图3所示，一种渐进成形变压力机床夹具，包括：支撑底板1、圆形的上压板5、圆形的下压板3、内六角螺钉8、导柱2、导套4、杯盖型浮顶块6、丝杠7、伺服电机12、联轴器10、电机支架11以及十字换向器9，四个导柱2两端分别冷压入支撑底板1和上压板5内，下压板3设置在支撑底板1与圆形上压板5之间，并通过导套4与导柱2进行装配，杯盖型浮顶块6通过内六角螺钉8与下压板3相连接，杯盖型浮顶块6中间处开设第一螺纹孔与丝杠7相连接，丝杠7的末端再与十字换向器9的竖直方向相连接，十字换向器9的水平方向通过联轴器10与伺服电机12相连接，伺服电机12则通过电机支架11与支撑底板1保持固定关系。
所述上压板5中间开设圆形孔以留出板料加工空间，且四周开设导柱装配孔。
所述下压板3中间开设与上压板5尺寸相同的圆形孔，且四周开设导套装配孔，此外，再在下压板3与杯盖型浮顶块6接触面攻四个不贯穿的第二螺纹孔。
所述杯盖型浮顶块6法兰处开设与下压板3上第二螺纹孔相对应的第三螺纹孔，内六角螺钉8依次穿过第三螺纹孔和第二螺纹孔后固定。并且杯盖型浮顶块6内部开设深60mm坡度80°的圆台形凹槽，圆台形凹槽底部中间攻与丝杠7相配合的第一螺纹孔。
所述丝杠7的顶部做有法兰，用于杯盖型浮顶块6的限位以及板料加工结束后的顶出工件的作用。
所述伺服电机12为交流伺服电机，交流伺服电机通过接受交流伺服电机控制器输出的PWM脉宽数，执行电机主轴转速的控制，从而改变电机的输出扭矩以实现压边力的控制。
传动系统包括伺服电机12、联轴器10、十字换向器9、丝杠7以及杯盖型浮顶块6，通过十字换向器9以及丝杠7和杯盖型浮顶块6上的丝母将交流伺服电机水平方向的转动转变为夹具竖直方向的升降运动，同时提供板料加工时所需的压边力。
一种渐进成形变压力机床夹具的压边力控制方法，包括以下步骤：
(1)选择具有一定厚度δ的金属板材；
(2)测量成形材料表面的摩擦系数μ；
(3)通过利用如图4所示的，由圆弧旋转而成的圆锥台，在40°到90°内测量金属板材在不同成形角θ下的成形力F，并利用计算机绘制出成形力F随成形角θ变化的曲线图，其中2π/9＜θ＜π/2；
(4)在计算机上根据零件具体形状利用三维造型软件进行三维造型，同时设置加工工艺参数，并生成NC加工文件；
(5)将预加工的板料放置在下压板3上，然后启动伺服电机12推动下压板3上行，直到压紧板料；
(6)装夹完成后，启动渐进成形机床，安装φ10mm的圆柱压头，移动机床X、Y轴沿着上压板5侧边进行对刀操作，移动机床Z轴靠近工件进行Z轴方向对刀操作；
(7)将NC加工文件输入渐进成形机床控制系统；
(8)将夹具上的伺服电机的控制器与机床控制系统相连，实现机床控制系统向伺服电机控制器实时传输加工成形角以及加工位置的数据信息，在伺服电机控制器中将机床控制系统传输的数据以及成形力F随成形角θ变化的曲线图通过压边力修正公式修正：
其中：δ为成形材料的厚度，单位为mm；r为成形工具头半径，单位为mm；R为加工表面到成形板料心轴的相对半径，单位为mm；μ为成形材料表面的粗糙度，即成形材料与上压板5、下压板3之间的摩擦系数；θ为成形材料的成形角；F为成形力，单位为KN；κ为经验系数，取值在1.1-1.5之间；
通过上述公式得到压边力Γ随成形角θ变化的曲线图，并利用此曲线图来控制伺服电机12，对成形材料加工时的压边力进行实时动态调整；
(9)对板料加工表面进行润滑，执行NC程序，完成零件的加工，加工完成后，撤离刀具，下压板3下行，将成形零件取下，然后装夹下一个待加工板料，重复操作。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种渐进成形变压力机床夹具，其特征在于：包括若干导柱(2)，全部所述导柱(2)的上下两端分别设置上压板(5)和支撑底板(1)，下压板(3)活动设置在所述支撑底板(1)与上压板(5)之间，杯盖型浮顶块(6)与所述下压板(3)下表面相连接，所述杯盖型浮顶块(6)的中心开设有第一螺纹孔，所述第一螺纹孔内固定连接有丝杠(7)上的丝母，所述丝杠(7)穿过所述丝母，所述丝杠(7)的底端与传动系统相连；
所述传动系统包括十字换向器(9)，所述丝杠(7)的底端与所述十字换向器(9)的竖直方向相连接，所述十字换向器(9)的水平方向通过联轴器(10)与伺服电机(12)相连接，所述伺服电机(12)通过电机支架(11)与所述支撑底板(1)连接；
所述渐进成形变压力机床夹具的压边力控制方法，包括以下步骤：
S01，选择待成形板料种类以及确定待成形板料厚度δ；
S02，测量待成形板料表面的摩擦系数μ；
S03，利用由圆弧旋转而成的圆锥台，在40°到90°内测量待成形板料在不同成形角θ下的成形力F，并绘制出成形力F随成形角θ变化的曲线图，其中0＜θ＜π/2；
S04，对待成形板料进行三维造型设置工艺参数，并生成NC加工文件；
S05，将待成形板料放置在下压板(3)上，然后启动伺服电机(12)推动下压板(3)上行，直到压紧待成形板料；
S06，装夹完成后，启动渐进成形机床，移动机床X、Y轴沿着上压板(5)侧边进行对刀操作，移动机床Z轴靠近待成形板料进行Z轴方向对刀操作；
S07，将所述NC加工文件输入渐进成形机床控制系统；
S08，将夹具上的伺服电机控制器与机床控制系统相连，实现机床控制系统向伺服电机控制器实时传输加工成形角以及加工位置的数据信息，在伺服电机控制器中将机床控制系统传输的数据以及成形力F随成形角θ变化的曲线图通过压边力修正公式修正：
其中：δ为待成形板料的厚度，单位为mm；r为成形工具头半径，单位为mm；R为加工表面到成形板料心轴的相对半径，单位为mm；μ为待成形板料与上压板(5)、下压板(3)之间的摩擦系数；θ为待成形板料的成形角；F为成形力，单位为KN；κ为经验系数，取值在1.1-1.5之间；
通过上述公式得到压边力Γ随成形角θ变化的曲线图，并利用此曲线图来控制伺服电机(12)对待成形板料加工时的压边力进行实时动态调整；
S09，执行NC加工文件程序，完成待成形板料的加工，加工完成后，撤离刀具，下压板(3)下行，将成形板料取下，然后装夹下一个待成形板料，重复操作。
2.根据权利要求1所述的一种渐进成形变压力机床夹具，其特征在于：所述下压板(3)通过导套(4)与所述导柱(2)滑动连接。
3.根据权利要求1所述的一种渐进成形变压力机床夹具，其特征在于：所述上压板(5)和下压板(3)的中间均预留有用于加工板料的孔洞，所述杯盖型浮顶块(6)的上表面内部开设有圆台形凹槽，所述圆台形凹槽的底部中心开设有所述第一螺纹孔。
4.根据权利要求3所述的一种渐进成形变压力机床夹具，其特征在于：所述圆台形凹槽上宽下窄，所述圆台形凹槽坡度为75°～85°，所述圆台形凹槽的高度为50～70mm。
5.根据权利要求1所述的一种渐进成形变压力机床夹具，其特征在于：所述丝杠(7)的顶部设置有法兰。
6.根据权利要求1所述的一种渐进成形变压力机床夹具，其特征在于：所述下压板(3)与杯盖型浮顶块(6)的接触面上攻有若干个不贯穿的第二螺纹孔，所述杯盖型浮顶块(6)与下压板(3)的接触面上攻有若干个贯穿的第三螺纹孔，内六角螺钉(8)依次穿过所述第三螺纹孔和第二螺纹孔后固定。
7.根据权利要求4所述的一种渐进成形变压力机床夹具，其特征在于：所述下压板(3)和上压板(5)均为圆形，所述孔洞为圆形，所述孔洞的内径≥所述圆台形凹槽的顶端开口内径。
8.根据权利要求1所述的一种渐进成形变压力机床夹具，其特征在于：所述伺服电机(12)为交流伺服电机，交流伺服电机通过接受交流伺服电机控制器输出的PWM脉宽数，实现交流伺服电机主轴转速的控制，从而改变交流伺服电机的输出扭矩以实现压边力的控制。
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