CN109807243B - 用于渐进成形的负压吸附式滚动成形工具、装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于渐进成形的负压吸附式滚动成形工具、装置及方法，它解决了现有技术中成形工具与板材加工摩擦阻力大，较大倾斜角度实现装置使用范围受限的问题，具有操作方便，并在加工过程中对板材进行有效润滑的有益效果，其方案如下：用于渐进成形的负压吸附式滚动成形工具，包括具有设定长度的滚珠座，滚珠座空心设置，滚珠座内部用于暂时存放润滑油；成形滚珠，部分成形滚珠能嵌套于滚珠座端部，成形滚珠与滚珠座之间形成间隙，通过滚珠座带动成形滚珠对待加工工件进行成形，润滑油通过成形滚珠与滚珠座之间的间隙对待加工工件进行润滑。

Description

用于渐进成形的负压吸附式滚动成形工具、装置及方法

技术领域

本发明涉及渐进成形技术领域，特别是涉及用于渐进成形的负压吸附式滚动成形工具、装置及方法。

背景技术

金属板料渐进成形工艺是将复杂的三维模型，按照一系列的等高线进行分解，由计算机控制成形工具逐层在二维平面上进行加工。从原理上讲渐进成形可以加工任意复杂的工件，并且不需要模具。对于制造小批量、个性化新产品具有巨大优势。相比于冲压工艺，渐进成形工艺为局部塑性变形，充分利用板材的变形能力，因此能够成形传统冲压工艺不能成形的复杂形状，在各个领域中有着广泛的应用潜力。

金属塑性成形时除了具有一般滑动摩擦的特征，和传统机械传动摩擦还有很大的区别。首先渐近成形为局部塑性变形，工具头和板材接触面积小导致接触面上的压强过大，润滑油膜易破裂。金属在塑性变形的过程中会产生一定热量导致温度升高，变形过程中不断出现新的金属表面都会改变原来的摩擦条件。为了减小摩擦力改善接触条件，一般在渐进成形过程中采用润滑剂，从而有效改善了成形工具和板材之间的接触，提高了成形件的表面质量。

发明人发现现有的渐进成形，存在如下问题：

1)成形工具与板材在成形过程中摩擦阻力大，现有技术中虽然有设计滚轮，减少了成形过程中成形工具和板料之间的摩擦，但是对于实际应用中的形状复杂成形件，成形工具和板料之间接触复杂，回转力矩大小方向不确定，很难依靠回转工具体绕成形工具柄轴线自由转动，保证转动轴线与成形工具运动方向始终垂直。

2)无法在较大使用范围内实现板材的大角度渐进成形，现有技术中有将成形工具设计为非中心对称结构，但不适用于主轴高速旋转的场合，而且在对数控渐进成形机床编程时需协调进给速度和主轴转速，带来编程复杂，不易操作等问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了用于渐进成形的负压吸附式滚动成形工具，解决了传统渐进成形工具和板材之间滑动接触摩擦力大，现有成形工具头成形角度有限的问题，实现了大角度成形件的滚动接触。

用于渐进成形的负压吸附式滚动成形工具的具体方案如下：

用于渐进成形的负压吸附式滚动成形工具，包括：

具有设定长度的滚珠座，滚珠座空心设置，滚珠座内部用于暂时存放润滑油；

成形滚珠，部分成形滚珠能嵌套于滚珠座端部，成形滚珠与滚珠座之间形成间隙，通过滚珠座带动成形滚珠对待加工工件进行成形，润滑油通过成形滚珠与滚珠座之间的间隙对待加工工件进行润滑；

吸附机构，与滚珠座的进油口连接，能够在滚珠座内产生负压将成形滚珠被吸附于滚珠座端部。

上述的滚动成形工具，成形滚珠活动设于滚珠座，且能通过吸附机构对成形滚珠进行有效控制，避免意外脱落，成形工具与工件为滚动摩擦，这样成形工具在加工过程中，之前的整体成形工具与工件之间摩擦阻力大的问题，得到有效缓解，而且能通过滚珠座对工件直接润滑，无需人工手动添加，提高了工作效率。

进一步地，所述吸附机构为油气阀，油气阀的进气口与气泵连接，油气阀的进油口与油泵连接，油气阀的油气出口与所述滚珠座的进油口相连。所述油气阀包括阀体和与阀体连接的阀帽，阀体内设置阀芯，阀芯的纵向截面为倒T型，阀芯一端与阀帽之间设有弹性件。

进一步地，所述滚珠座相对于所述成形滚珠的另一端部设置刀柄，刀柄与所述的滚珠座连接，刀柄的设置方便将滚动成形工具安装于机床。

滚珠座端面内部为球面，球面与所述的成形滚珠配合，成形滚珠的直径大于滚珠座与成形滚珠配合端部的宽度，以使成形滚珠与成形工件斜面相切的法线能够与滚珠座端部呈设定角度设置，该角度为0°-15°，这样能实现较大倾斜角度的加工，且成形滚珠与滚珠座采用吸附连接，没有额外的机械连接机构，减少对成形件的干涉从而更容易实现较大倾斜角度工件的加工。

进一步地，所述刀柄与所述的滚珠座内部连通，且刀柄通过旋转油封和管路与吸附机构连接，旋转油封设置刀柄进油口，管路与刀柄进油口连接，旋转油封固定于机床，使得刀柄相对于旋转油封设置，而不会带动管路的旋转，保证油封可以相对主轴旋转且油路畅通，管路与吸附机构连接，管路设置高压油泵，在管路设置电磁阀，用于控制润滑油的输入。

进一步地，所述滚珠座内设有至少一个储油管，储油管端部设有储油腔，储油腔开有至少一圈喷油孔以将润滑油喷射至成形滚珠，管路穿过刀柄与储油管连通；

或者，一些方案中，喷油孔的数量从储油腔的内侧向外侧逐步增大，通过喷油孔向成形滚珠供油。

一种用于渐进成形的装置，包括：

所述的用于渐进成形的滚动成形工具；

用于夹持待加工工件的夹具；

升降机构，升降机构带动夹具的升降动作；

支撑柱，设于夹具的下方以支撑加工过程中的工件。

该装置中，夹具包括上夹板和下夹板，上下两个夹板通过螺栓连接，支撑柱的端部通过底板支撑，升降机构可设于下夹板和底板之间，且穿过夹具设置导向柱，夹具沿着导向柱做升降运动。

进一步地，装置还包括围绕所述夹具周侧的集油壳，集油壳用于收集滚动成形工具喷出的润滑油。

进一步地，所述集油壳包括设于所述夹具周侧的侧板，侧板可打开设置，且侧板的顶侧活动设置盖板；侧板底侧与所述夹具固定，侧板设置回油孔，回油孔通过回油孔管路与储油箱连接，且回油孔管路设置润滑油过滤器。

在一些方案中，盖板包括伸缩盖，伸缩盖具有一定的高度，伸缩盖的周侧设置撑板，撑板与所述的侧板可拆卸连接，所述的滚动成形工具穿过所述伸缩盖设置，伸缩盖可选用橡胶材料，这样伸缩盖可实现高度和水平方向的移动，从而不会影响到滚动成形工具的加工路径。

一种用于渐进成形的装置的使用方法，包括如下内容：

1)通过夹具夹持待加工工件；

2)滚动成形工具安装于机床，并设定滚动成形工具的加工轨迹；

3)对待加工工件进行加工，通过成形滚珠与滚珠座之间的间隙对待加工工件进行润滑；

4)随着滚动成形工具的逐层下降，夹具带动待加工工件逐步下降，不断重复，直至加工完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明通过滚珠座与成形滚珠之间间隙的设置，成形滚珠相对于待加工工件为滚动摩擦，起到初步降低摩擦的作用，另外使得成形滚珠与滚珠座之间形成稳定的油膜，减少成形滚珠和滚珠座之间的摩擦力，保证成形滚珠能够在滚珠座中自由滚动。

2)本发明通过吸附结构的设置，不仅便于在加工过程中断开成形滚珠和滚珠座，而且能在成形工具移动过程中，有效防止成形滚珠的意外脱落。

3)本发明通过滚珠座空心设置，不仅便于对待加工工件的润滑，而且润滑油能对成形后的板材进行冲刷，起到清洁板材表面的作用，防止先前加工板材时脱落的微粒在接下来的加工过程中充当磨粒，损坏加工表面。

4)本发明通过集油壳的设置，不仅能实现对润滑油的回收利用，而且保证加工环境的安全，避免外界的环境对加工过程造成影响，也避免加工过程中的油液、废屑的四处飞溅。

附图说明

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

图1为本发明实施例中装置的立体结构示意图。

图2为本发明实施例中渐进成形工具立体框架图。

图3(a)为本发明实施例中渐进成形工具主视图；

图3(b)为本发明实施例中图3(a)中A-A剖面示意图。

图4为本发明实施例中集油壳侧板和夹具安装仰视图。

图5为本发明实施例中集油壳侧板和夹具安装正视图。

图6为本发明实施例中集油壳安装示意图。

图7为本发明实施例中伸缩盖和刀柄安装示意图。

图8为本发明实施例中成形滚珠与滚珠座成形角度示意图。

图9为本发明实施例中装置的剖视图；

图10为本发明实施例中油气阀立体结构图。

图11为本发明实施例中油气阀剖面图。

图12为本发明实施例中阀芯立体结构图。

图13为本发明实施例中阀芯运动示意图。

图中1刀柄；2刀柄进油口；3旋转油封；4轴承；5滚珠座；6板材；7成形滚珠；8集油壳；9导向柱；10上夹板；11下夹板；12回油孔；13支撑柱；14底板；15储油箱进油孔；16储油箱注油孔；17储油箱；18储油箱出油孔；19高压油泵进油孔；20高压泵动力输入轴；21高压油泵；22调压阀；23伸缩盖；24油气阀；25轴承滚珠；26储油腔；27喷油孔；28高压油泵出油孔；29润滑油过滤器；30电磁阀；31螺栓；32紧定螺栓；33铰链；34卡扣；35气泵接口；36进气口；37油气出口；38进油口；39安装螺栓；40阀帽；41弹簧；42阀体；43弹簧座；44阀芯；45气孔；46油孔；47阀座；48密封垫圈；49侧板；50撑板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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，本发明提出了用于渐进成形的负压吸附式滚动成形工具。

本发明的一种典型的实施方式中，如图2所示，用于渐进成形的负压吸附式滚动成形工具，包括具有设定长度的滚珠座5，滚珠座5空心设置，滚珠座5内部用于暂时存放润滑油；成形滚珠7，部分成形滚珠7能嵌套于滚珠座5端部，成形滚珠7与滚珠座5之间形成间隙，通过滚珠座5带动成形滚珠7对待加工工件进行成形，润滑油通过成形滚珠7与滚珠座5之间的间隙对待加工工件进行润滑，吸附机构，与滚珠座5的进油口连接，能够在滚珠座5内产生负压将成形滚珠被吸附于滚珠座端部。

上述的滚动成形工具，成形滚珠7活动设于滚珠座5，成形工具与工件为滚动摩擦，这样成形工具在加工过程中，之前的整体成形工具与工件之间摩擦阻力大的问题，得到有效缓解，而且能通过滚珠座5对工件直接润滑，无需人工手动添加，提高了工作效率。

为了避免在成形工具移动过程中，成形滚珠7的意外脱落，滚珠座5相对于成形滚珠的另一端设置用于对所述成形滚珠产生吸力的吸附机构。吸附机构端部设置刀柄1，刀柄1与所述的滚珠座5连接，刀柄1的设置方便将滚动成形工具安装于机床。

滚珠座5端面内部为球面，球面与所述的成形滚珠7配合，成形滚珠7的直径大于滚珠座5与成形滚珠7配合端部的宽度，以使成形滚珠7与成形工件斜面相切的法线能够与滚珠座5端部呈设定角度设置，该角度为0°-15°，这样能实现较大倾斜角度的加工。

刀柄1与所述的滚珠座5内部连通，刀柄1通过旋转油封3和管路与吸附机构连接，吸附机构为油气阀24，旋转油封设置刀柄进油口2，刀柄外侧设置轴承4，轴承4内设置轴承滚珠25，轴承4侧部设置旋转油封3，刀柄进油孔2设于旋转油封3处，油气阀24通过管路与储油箱17连接，管路设置高压油泵21，管路与高压油泵21的高压油泵出油孔28连接，在管路设置电磁阀30，用于控制润滑油的输入，储油箱17设置储油箱注油孔16，储油箱出油孔18与高压油泵进油孔19连接，且在储油箱与高压油泵连接的管路同样设有润滑油过滤器，高压油泵设置调压阀22，高压油泵通过高压泵动力输入轴20与电机连接。

滚珠座5内设有至少一个储油管，储油管的材料为高速钢，储油管与刀柄进油口2连通，如图3(a)所示，储油管端部设有储油腔26，储油腔26开有至少一圈喷油孔27以将润滑油喷射至成形滚珠7，管路通过设置于刀柄1上的旋转油封3与滚珠座5内储油管连通；

部分实施例中，喷油孔27的数量从储油腔26的内侧向外侧逐步增大，通过喷油孔向成形滚珠供油，如图3(b)所示，三层共15个喷油孔均匀的分布在圆柱形成形滚珠座和成形滚珠的接触面上，保证成形滚珠一侧集中受力时仍能够获得足够的润滑油形成油膜，从而保证成形滚珠和圆柱形成形滚珠座之间形成稳定油膜。

一种用于渐进成形的装置，包括：所述的用于渐进成形的滚动成形工具；用于夹持待加工工件的夹具；升降机构，升降机构带动夹具的升降动作；支撑柱13，设于夹具的下方以支撑加工过程中的工件。

该装置中，夹具包括上夹板10和下夹板11，上下两个夹板通过螺栓31连接，支撑柱13的端部通过底板14支撑，升降机构可设于下夹板11和底板14之间，且穿过夹具设置导向柱9，夹具沿着导向柱9做升降运动。

装置还包括围绕夹具周侧的集油壳8，集油壳8用于收集滚动成形工具喷出的润滑油。

如图4-图6所示，集油壳8包括设于夹具周侧的四块侧板49，侧板49底侧向内弯折设置，这样侧板与夹具之间形成油槽，侧板底侧具有设定的倾角，便于润滑油的回收利用，部分相邻的侧板紧固连接，其中一侧板与相邻的侧板通过铰链33连接，该侧板通过可拆卸的卡扣与另一侧板连接，其中两块侧板49可打开设置，且侧板的顶侧活动设置盖板，盖板同样与侧板通过可拆卸的卡扣连接；另外两块侧板49底侧与夹具固定，侧板设置回油孔12，回油孔12通过回油孔管路与储油箱17连接，且回油孔管路设置润滑油过滤器29，回油孔管路与储油箱17的储油箱进油孔15连接。

一些实施例中，盖板包括伸缩盖23，伸缩盖23具有一定的高度，伸缩盖23的设置防止成形工具喷射出来的高压油四处溅射同时也防止了高压油的过度损耗，伸缩盖23采用透明软橡胶制成方便成形时观察板材，并且为波浪形结构能够保证其上端有一定的移动范围。伸缩盖23的周侧设置撑板，撑板50与所述的侧板49可拆卸连接，所述的滚动成形工具穿过所述伸缩盖23中心预留孔设置，撑板50和侧板49均为有机玻璃材料，便于观察加工过程中的情况。

吸附机构为油气阀，油气阀的进气口36与气泵连接，油气阀的进油口38与油泵21连接，油气阀24的油气出口37与刀柄进油口2相连。油气阀24包括阀体42和与阀体42连接的阀帽40，阀体42与阀座27连接，阀体42内设置阀芯44，阀芯44的纵向截面为倒T型，阀芯44一端与阀帽40之间设有弹性件，弹性件为弹簧41，阀芯44的一端设于阀座27内；油气阀24的进气口36和渐进成形机床的气泵接口35相连，进油口38和高压油泵21的高压油泵出油口28相连，油气出口37和刀柄进油口2相连，刀柄设置刀柄进油口2。弹簧41推动阀芯44将阀芯推到最底端这时如图13中的A，气流将通过刀柄进油口2和油气阀24的油气出口37中气孔47流回机床气泵，此时成形滚珠7将在负压的做用下紧密吸附在滚珠座5上面。在阀芯44上面用螺纹连接弹簧座43，螺纹可以调节弹簧座43和阀芯44之间的相对位置进而调节弹簧43的压缩程度来改变弹簧41作用在阀芯44上面力的大小。一般用气泵最大压强为0.8Mpa，此阀芯44的投影面积约为225mm²,所以产生的最大吸力约为180N，为防止阀芯44在负压的作用下向上运动，取安全系数为2则弹簧最大应能够提供360N的力。

本实施例中采用滚珠座5和成形滚珠7，构成两段式成形工具，其中成形滚珠为标准件，其材料为硬质合金或者轴承钢，批量生产保证了其质量的同时其价格也相对十分便宜，一般成形滚珠失效时，直接进行更换，极大的节约了时间和金钱成本。

如图8所示，成形滚珠7的半径r为10mm，成形滚珠7和滚珠座5的重叠垂直高度h为8.1mm，在此状态下对板材的成形角度进行分析，在此状态下成形角度α为79.03度，对成形滚珠7进行受力分析，成形滚珠7受到板材6作用在切点B并且方向竖直向上的力F_B和板材6作用在切点A并且方向沿AC方向的力F_AC。将这两个力合成可得合力的方向必然在AC方向和竖直向上方向之间的某个方向，所以要想使成形滚珠7稳定，成形滚珠7受到滚珠座5的合力和F_B和F_AC的合力等大反向，故方向应该为CA方向和竖直向下方向之间的某个方向，由图8可知滚珠座5可以提供这样一个力，因此滚珠7为稳定状态。设板材6的屈服强度为σ，板材6和成形滚珠7接触的竖直方向投影面积为S_下，滚珠座5和成形滚珠7接触的竖直方向投影面积为S_上＝π[r²-(r-h)²]，高压油的油压为P_油，喷油孔的投影面积S_喷约为15πmm²，竖直方向上的成形力为F_竖，根据P_油MAX×S_上＝σ×S_下，以1050纯铝板材成形，成形角度α为45度渐进成形为例，其中由拉伸实验得纯铝的屈服强度σ为38.91Mpa。带入P_油MAX×S_上＝σ×S_下可得最后求得的P_油MAX＝14.27Mpa。因为板材6成形时F_竖从零开始增大，因此P_油也从零开始增加。考虑到和合金或其它材料的屈服强度要高于纯铝，因此推荐选择最大压力为25Mpa，排量为25ml/r，额定转速为2000r/min的高压油泵。

有上述计算可知，当阀芯44在高压油的作用下向上运动时最小压强2.4Mpa，超过2.4Mpa，阀芯44将在高压油的作用下向上运动打开油路关闭气路，因此次阀可实现在不通高压油的时候自动保持气路通畅，并且阀芯44在负压的作用下不会运动，在通高压油的同时又能使阀芯44向上运动自动关闭气路，打开油路。

一种用于渐进成形的装置的使用方法，包括如下内容：

1)通过上夹板和下夹板夹持待加工工件，并通过螺栓螺母锁紧，设置集油壳的侧板；

2)滚动成形工具安装于铣床，滚动成形工具安装在刀柄1后裸露在外的长度一般为60mm，并设定滚动成形工具的加工轨迹，具体通过CAD/CAM软件画出成形件的三维模型。打开与油气阀24连接的气泵，在滚珠座5内形成负压，保证成形滚珠稳定在滚珠座5，移动铣床工作平台，找到加工原点；安装伸缩盖，并用喉箍将伸缩盖上端固定在滚珠座5上，并连接润滑油管路；

3)对待加工工件进行加工，打开电磁阀30开始向成形滚珠7喷射高压油，调节调压阀22使成形滚珠滚动7为止；

4)随着滚动成形工具的逐层下降，夹具带动待加工工件逐步下降，不断重复，直至加工完成；

5)关闭电磁阀30停止喷油，操作卡扣，打开集油壳，使用扳手松开夹具螺栓，取出成形后的板材，重新更换板材重复上述步骤进行下一组加工或者是拆除所有装置终止加工。

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

Claims (10)

1.用于渐进成形的负压吸附式滚动成形工具，其特征在于，包括：

具有设定长度的滚珠座，滚珠座空心设置，滚珠座内部用于暂时存放润滑油；

成形滚珠，部分成形滚珠能嵌套于滚珠座端部，成形滚珠与滚珠座之间形成间隙，通过滚珠座带动成形滚珠对待加工工件进行成形，润滑油通过成形滚珠与滚珠座之间的间隙对待加工工件进行润滑；

吸附机构，与滚珠座的进油口连接，能够在滚珠座内产生负压将成形滚珠被吸附于滚珠座端部。

2.根据权利要求1所述的用于渐进成形的负压吸附式滚动成形工具，其特征在于，所述吸附机构为油气阀，油气阀的进气口与气泵连接，油气阀的进油口与油泵连接，油气阀的油气出口与所述滚珠座的进油口相连。

3.根据权利要求2所述的用于渐进成形的负压吸附式滚动成形工具，其特征在于，所述油气阀包括阀体和与阀体连接的阀帽，阀体内设置阀芯，阀芯的纵向截面为倒T型，阀芯一端与阀帽之间设有弹性件。

4.根据权利要求1所述的用于渐进成形的负压吸附式滚动成形工具，其特征在于，所述滚珠座相对于所述成形滚珠的另一端部设置刀柄，刀柄与所述的滚珠座连接。

5.根据权利要求1所述的用于渐进成形的负压吸附式滚动成形工具，其特征在于，所述滚珠座端面内部为球面，球面与所述的成形滚珠配合，成形滚珠的直径大于滚珠座与成形滚珠配合端部的宽度，以使成形滚珠与成形工件斜面相切的法线能够与滚珠座端部呈设定角度设置。

6.根据权利要求1所述的用于渐进成形的负压吸附式滚动成形工具，其特征在于，所述滚珠座内设有至少一个储油管，储油管端部设有储油腔，储油腔开有至少一圈喷油孔以将润滑油喷射至成形滚珠；

喷油孔的数量从储油腔的内侧向外侧逐步增大。

7.一种用于渐进成形的装置，其特征在于，包括：

权利要求1-6中任一项所述的用于渐进成形的滚动成形工具；

用于夹持待加工工件的夹具；

升降机构，升降机构带动夹具的升降动作；

支撑柱，设于夹具的下方以支撑加工过程中的工件。

8.根据权利要求7所述的一种用于渐进成形的装置，其特征在于，还包括围绕所述夹具周侧的集油壳，集油壳用于收集滚动成形工具喷出的润滑油。

9.根据权利要求8所述的一种用于渐进成形的装置，其特征在于，所述集油壳包括设于所述夹具周侧的侧板，侧板可打开设置，且侧板的顶侧活动设置盖板；

盖板包括伸缩盖，伸缩盖的周侧设置撑板，撑板与所述的侧板可拆卸连接，所述的滚动成形工具穿过所述伸缩盖设置。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的一种用于渐进成形的装置的使用方法，其特征在于，包括如下内容：

1)通过夹具夹持待加工工件；

2)滚动成形工具安装于机床，并设定滚动成形工具的加工轨迹；

3)对待加工工件进行加工，通过成形滚珠与滚珠座之间的间隙对待加工工件进行润滑；

4)随着滚动成形工具的逐层下降，夹具带动待加工工件逐步下降，不断重复，直至加工完成。