CN109622760B - 一种用于渐进成形的工具头、设计方法和渐进成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于渐进成形的工具头、设计方法和渐进成形方法，整体为中间弯折的圆柱杆，包括依次连接的夹持单元、过渡单元和成形单元，所述的夹持单元竖直安装在三轴机床上，所述的成形单元和夹持单元呈一定夹角，所述的过渡单元圆角弯曲，所述过渡单元的直径大于夹持单元和成形单元的直径。与现有技术相比，本发明通过弯折的工具头，克服了现有渐进成形加工技术无法制造完成带有侧壁凹陷区域零件的问题，能够采用普通三轴机床配合工具头实现零件的加工，方法简单易行，在制造成本上具有巨大优势。
Description
技术领域
本发明涉及机械工程领域，尤其是涉及一种用于渐进成形的工具头、设计方法和渐进成形方法。
背景技术
目前在汽车、航天航空、交通运输等领域中，很多零件都具有普通冲压难以加工的侧壁凹陷特征，比如高铁车窗类薄壁构件以及很多新型汽车车型设计模型。如何以最低的成本来达到最好的侧壁凹陷成形效果是技术设计中的一个难题。
中国专利CN201810428731提出了一种试制汽车侧围的制造方法，通过侧整形模具对侧围件进行侧整形，从而形成带有侧壁凹陷特征的汽车侧围件。中国专利CN201820439905提出了一种便于取件的负角成型机构，采用连杆机构的原理，冲压完成后便可完成零件的负角成型，同时模具自动退回。中国专利CN201810098213提出了一种具有负角翻边的冲压件的成型模具及工艺，能够通过在冲压件原有的冲压方向上进行冲压，同时实现主体造型和负角翻边成型。然而以上的诸多方法虽然能够完成板料负角成型，但是其制造成本相对比较高昂，模具设计复杂。
板料渐进成形是近年来兴起的板料成形技术，具有成形方式灵活、成形性能好以及柔性高等特点，特别适用于单件及小批量的金属板材产品生产加工。渐进成形利用目标构件的三维数字模型，直接制造出样件，大大降低了从设计到生产的周期，在制造板料零件上具有很多的优势。而传统的渐进成形工具和方法无法成形具有侧壁凹陷特征的零件，这极大的限制了渐进成形在工业界中的应用。如果采用五轴机床进行渐进成形加工，可以成形侧壁凹陷特征的型腔件，但五轴加工机床的成本太高。如何采用普通三轴机床通过渐进成形加工侧壁凹陷特征零件将具有非常重大的实用价值。
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用于渐进成形的工具头、设计方法和渐进成形方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于渐进成形的工具头，整体为中间弯折的圆柱杆，包括依次连接的夹持单元、过渡单元和成形单元，所述的夹持单元竖直安装在三轴机床上，所述的成形单元和夹持单元呈一定夹角，所述的过渡单元圆角弯曲，所述过渡单元的直径大于夹持单元和成形单元的直径。
进一步地，所述的成形单元顶部呈半球形结构。
进一步地，所述半球形结构半径为2.5～5mm。
进一步地，所述的工具头采用高温硬质合金材料制造。
进一步地，所述的成形单元、过渡单元和过渡单元互相独立成形，并且通过螺纹方式连接。
一种基于任一上述用于渐进成形的工具头的设计方法，具体步骤包括：
S1、根据所需成形零件的侧壁凹陷区域的内凹深度，确定成形单元长度，成形单元长度为内凹深度的1～1.5倍；
S2、根据所需成形零件的侧壁凹陷区域相对板料顶部的深度，确定夹持单元的长度，夹持单元长度为凹陷区域相对板料顶部的深度的1.5～2倍；
S3、根据所需成形零件的侧壁凹陷区域的侧壁垂直面和倾斜面的夹角，确定单元长度和夹持单元的夹角，所述单元长度和夹持单元的夹角，与侧壁垂直面和倾斜面的夹角互补；
S4、确定工具头的直径，其中过渡单元的直径大于夹持单元和成形单元的直径。
进一步地，成形单元的长度需要保证在加工过程中，成形单元的杆部不触碰到零件的已成形区。
一种基于任一上述用于渐进成形的工具头的渐进成形方法，根据所需成形的局部区域形状，设计工具头及其运动轨迹，控制工具头对板料进行加工，形成相应的具有侧壁凹陷特征的零件。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明通过弯折的工具头，克服了现有渐进成形加工技术无法制造完成带有侧壁凹陷区域零件的问题，能够采用普通三轴机床配合工具头实现零件的加工，方法简单易行，在制造成本上具有巨大优势。
2、工具头的过渡单元直径大于成形单元和夹持单元，并且采用圆角弯曲，能够最大程度的减少工具头在渐进加工过程中的弹性变形和应力集中，提高工具头的安全性和可靠性。
3、工具头采用三个独立单元拼接安装，可以增加工具头使用的灵活性，能够对成形单元、夹持单元的长度以及两者的夹角进行微调，对于相类似的零件加工只需要替换相应的单元，而不需要整个工具头重新设计制造，降低了制造成本，提高工作效率。
附图说明
图1为工具头的结构示意图；
图2为渐进成形过程示意图；
附图标记：1、成形单元，2、夹持单元，3、过渡单元。
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。
如图1所示，本实施例提供了一种用于渐进成形的工具头，整体为中间弯折的圆柱杆，包括夹持单元2、过渡单元3和成形单元1。夹持单元2竖直向下安装在三轴机床上，成形单元1和夹持单元2呈一定夹角。过渡单元3两端分别连接夹持单元2和成形单元1。工具头采用高温硬质合金材料制成，具有足够的刚度。
成形单元1是用以完成局部侧壁凹陷区域渐进成形的核心部分，顶部为普通的半球形工具头，半球形结构半径一般为2.5～5mm，本实施例为2.5mm。成形单元1的杆部具有一定的倾斜角度α和长度，以保证工具头在渐进加工过程中杆部不会碰到零件的已成形区。
夹持单元2被三轴机床夹住，夹持单元2的杆部具有一定的长度，保证工具头的成形区可加工到所需成形的部位，同时杆部长度不能过长，避免工具头的力矩和弹性变形，甚至工具头的折断。
过渡单元3用以连接工具头的成形单元1和夹持单元2，过渡单元3采用圆角弯曲的结构，并且过渡单元3的直径大于夹持单元2和成形单元1的直径，用于减小过渡单元3处的弹性变形和应力集中。
在另一实施例中，成形单元1、过渡单元3和过渡单元3互相独立成形，并且通过螺纹等机械连接方式连接，其余结构和本实施例相同。
如图2所示，所需加工成型的零件左侧具有负角为135°的凹陷区域：
工具头设计的具体步骤包括：
步骤S1、根据所需成形零件的侧壁凹陷区域的内凹深度，确定成形单元1长度，成形单元1长度为内凹深度的1～1.5倍，本实施例中所需成形零件的侧壁凹陷区域的内凹深度为10mm，确定成形单元1长度为15mm；
步骤S2、根据所需成形零件的侧壁凹陷区域相对板料顶部的深度，确定夹持单元2的长度，夹持单元2长度为凹陷区域相对板料顶部的深度的1.5～2倍；本实施例中所需成形零件的侧壁凹陷区域相对板料顶部的深度为40mm，确定夹持单元2的长度为60mm；
步骤S3、根据所需成形零件的侧壁凹陷区域的侧壁垂直面和倾斜面的夹角为135°，由单元长度和夹持单元2的夹角，与侧壁垂直面和倾斜面的夹角互补，可确定单元长度和夹持单元2的夹角为45°。
步骤S4、确定夹持单元2和成形单元1的直径为10mm，过渡单元3的直径为20mm。
在工具头设计制造完成后，设计及其运动轨迹，三轴机床控制工具头对板料进行加工，形成相应的具有侧壁凹陷特征的零件。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种用于渐进成形的工具头的设计方法，所述工具头整体为中间弯折的圆柱杆，包括依次连接的夹持单元、过渡单元和成形单元，所述的夹持单元竖直安装在三轴机床上，所述的成形单元和夹持单元呈一定夹角，所述的过渡单元圆角弯曲，所述过渡单元的直径大于夹持单元和成形单元的直径，其特征在于，该工具头的设计方法具体步骤包括：
S1、根据所需成形零件的侧壁凹陷区域的内凹深度，确定成形单元长度，成形单元长度为内凹深度的1~1.5倍；
S2、根据所需成形零件的侧壁凹陷区域相对板料顶部的深度，确定夹持单元的长度，夹持单元长度为凹陷区域相对板料顶部的深度的1.5~2倍；
S3、根据所需成形零件的侧壁凹陷区域的侧壁垂直面和倾斜面的夹角，确定成形单元和夹持单元的夹角，所述成形单元和夹持单元的夹角，与侧壁垂直面和倾斜面的夹角互补；
S4、确定工具头的直径，其中过渡单元的直径大于夹持单元和成形单元的直径。
2.根据权利要求1所述的用于渐进成形的工具头的设计方法，其特征在于，所述的成形单元顶部呈半球形结构。
3.根据权利要求2所述的用于渐进成形的工具头的设计方法，其特征在于，所述半球形结构半径为2.5~5mm。
4.根据权利要求1所述的用于渐进成形的工具头的设计方法，其特征在于，所述的工具头采用高温硬质合金材料制造。
5.根据权利要求1所述的用于渐进成形的工具头的设计方法，其特征在于，成形单元的长度需要保证在加工过程中，成形单元的杆部不触碰到零件的已成形区。
6.根据权利要求1~5任一所述的用于渐进成形的工具头的设计方法，其特征在于，根据所需成形的局部区域形状，设计工具头及其运动轨迹，控制工具头对板料进行加工，形成相应的具有侧壁凹陷特征的零件。
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