CN109954782A - 板材局部自阻电生热方式的同步加热成形旋压装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种板材局部自阻电生热方式的同步加热成形旋压装置及方法，将低压大电流直流电源、旋压轮、尾顶、大电流导线、碳刷架总成、板料连接或接触，构成电流回路，通过板材自身电阻生成焦耳热使温度升高；接通电流，板材与旋压轮接触的地方温度较高，温度梯度变化较大，有利于局部旋压变形。该装置不仅可以应用于纯钛和钛合金等难变形材料的旋压成形，还可以用于常温下成形力较大的板材的旋压成形加工，结构简单，成本低，温度升高快，提高了零件的成形精度，安全性高。
Description
技术领域
本发明涉及旋压成形加工领域，具体是一种板材局部自阻电生热方式的同步加热成形旋压装置及方法。
背景技术
随着时代的发展，人们对产品的需求趋向新颖化和个性化，这就要求企业能够快速开发产品来适应市场，传统的模具冲压成形技术具有模具开发周期长、资金消耗较高，已经很难满足企业的多品种、少批量产品的研发生产要求。
钛和钛合金具有良好的机械性能，抗腐蚀性能好，比强度高，密度小，在工业领域占有重要的位置，尤其在航空航天和军工领域应用及其广泛，钛及其合金有着良好的塑性，但在常温下难以形变。
传统的火焰喷射加热旋压成形具有浪费能量、设备复杂、价格昂贵、且与机床本体隔热处理困难缺点限制其发展；
加热炉加热方法加热温度均匀，温度便于控制，但设备设计复杂，不适合旋压成形加工。
整体自阻加热渐进成形方法具有设备成本低、温度分布均匀，但加热时间长，不适合较大尺寸毛坯成形，也不能用于回转体零件的成形加工。
激光加热方法具有加热速度快，但加热点随旋压位置的变化而不断变化，存在控制难度大的问题，而且激光设备成本更高。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种板材局部自阻电生热方式的同步加热成形旋压装置及方法，可以用于常温成形力较大的板材旋压成形加工，结构简单，成本低，温度升高快，提高了零件的成形精度，安全性高。
本发明提供了一种板材局部自阻电生热方式的同步加热成形旋压装置，包括数控旋压机床、旋压轮、低压大电流直流电源、高温绝缘垫片、大电流导线、芯模、尾顶、碳刷架总成及其固定架。
所述数控旋压机床为旋压成形的驱动装置，包括数控系统、驱动旋压轮沿X轴、Z轴方向移动的伺服电机、丝杠、刀具基座及机床主轴，驱动机床主轴沿Y轴转动，主轴前端依次连接有移动顶尖、转动顶尖和尾顶。
所述芯模通过三爪卡盘固定，板材通过芯模和尾顶对心轴向固定，芯模、转动顶尖、板材、尾顶随机床主轴一起转动。
所述旋压轮与刀具基座相连，旋压轮与X轴成45度夹角，在伺服电机的驱动下沿设定的轨迹做X轴和Z轴方向的平移运动，并挤压板材不断的发生塑性形变。
所述低压大电流直流电源一端通过大电流导线与旋压轮上的接线柱相连，另一端通过大电流导线与碳刷架总成上的接线柱相连，将电流传输给板材。所述低压大电流直流电源提供不超过15V的低压电流，输出最大电流不超过1500A。所述大电流导线的线芯截面面积为300mm2。
所述碳刷架总成与尾顶滑动连接，碳刷架总成通过碳刷杆与固定架固定，固定架通过螺钉与移动顶尖固定，碳刷杆与碳刷架总成处于绝缘状态；所述碳刷架总成由若干单个碳刷架并联而成，单个碳刷架最大承受500A电流。
所述旋压轮与刀具基座之间、芯模与三爪卡盘之间、尾顶与转动顶尖之间均安装有高温绝缘垫片，使电流回路与机床之间绝缘，同时确保电流回路产生的热量不传递给机床，高温绝缘垫片为硅橡胶板。
本发明还提供了一种板材局部自阻电生热方式的同步加热成形旋压方法，包括以下步骤：
1）安装自阻电生热工装：将芯模安装于三爪卡盘，通过高温绝缘垫片隔温绝缘；尾顶安装于转动顶尖，通过高温绝缘垫片隔温绝缘；芯模、尾顶和板材对心压紧；碳刷架总成连接电源正极，碳刷架通过铜刷与尾顶周向滑动接触导通电流，碳刷架总成与碳刷杆过盈配合，未绝缘处理端碳刷杆与固定架采用螺纹配合固定，固定架固定于移动顶尖；旋压轮与刀座通过高温绝缘垫片隔温绝缘，旋压轮接线柱与电源负极相接，电流回路导通；
2）板料同步加热成形：给板料两侧喷涂高温润滑剂，板料随主轴以给定速度旋转，旋压轮缓慢靠近并接触板料，回路电流接通；旋压轮与板料接触的部位温度迅速上升并达到成形所需温度；随后，在数控系统驱动下，按照数控代码路径，旋压轮同时加热、等壁厚旋压成形，制造与芯模相同的回转零件。所述的主轴的转速为110-120r/min，旋压轮进给量为0.3-0.5mm/r，旋压轮与板材接触处温度为500-700摄氏度，道次压深量为1-1.5mm，电流大小为500A。旋压轮与板材接触的部位温度较高，其他部位温度较低，属于局部自阻电生热，板材同一圆周上的温度相同。
本发明有益效果在于：
1、该装置结构简单，成本低，温度升高快。
2、芯模、尾顶设计制造周期短，便于产品的快速开发。
3、回路电流值较高，加热升温快，有利于钛材的塑性形变。
4、采用低压直流电源，不会对操作人员产生威胁。
5、解决了板材常温下难以旋压成形的难题。
6、降低了材料的残余应力，降低了回弹量，提高了零件的成形精度。
7、提高了材料的塑性形变，加大了材料的旋压成形角度。
附图说明
图1是板材局部自阻电加热数控旋压成形装置示意图。
图2碳刷架总成示意图。
图3固定架示意图。
1三爪卡盘，2芯模，3板材，4尾顶，5碳刷架总成，6内六角螺钉，7高温绝缘垫片，8转动顶尖，9固定架，10移动顶尖，11螺钉，12绝缘碳刷杆，13大电流导线，14低压大电流直流电源，15接线柱，16旋压轮，17铜刷。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明提供了一种板材局部自阻电生热方式的同步加热成形旋压装置，结构如图1所示，包括数控旋压机床、旋压轮16、低压大电流直流电源14、高温绝缘垫片7、大电流导线13、芯模2、尾顶4、碳刷架总成5及其固定架9。
所述数控旋压机床为旋压成形的驱动装置，包括数控系统、驱动旋压轮沿X轴、Z轴方向移动的伺服电机、丝杠、刀具基座及机床主轴，驱动机床主轴沿Y轴转动，主轴前端依次连接有移动顶尖10、转动顶尖8和尾顶4，转动顶尖8通过内六角螺钉6和尾顶4固定。
所述芯模2通过三爪卡盘1固定，板材通过芯模2和尾顶4对心轴向固定，芯模2、转动顶尖8、板材3、尾顶4随机床主轴一起转动。
所述旋压轮16与刀具基座相连，旋压轮与X轴成45度夹角，在伺服电机的驱动下沿设定的轨迹做X轴和Z轴方向的平移运动，并挤压板材3不断的发生塑性形变。
所述低压大电流直流电源一端通过大电流导线13与旋压轮16上的接线柱15相连，另一端通过大电流导线13与碳刷架总成5上的接线柱15相连，将电流传输给板材3。所述低压大电流直流电源14提供不超过15V的低压电流，输出最大电流不超过1500A。所述大电流导线13的线芯截面面积为300mm2。
所述碳刷架总成5与尾顶4滑动连接，碳刷架总成5通过碳刷杆12与固定架9固定，固定架9如图3所示，通过螺钉11与移动顶尖10固定，碳刷杆12与碳刷架总成5处于绝缘状态；所述碳刷架总成如图2所示，由若干单个碳刷架并联而成，碳刷架前端固定有铜刷17，单个碳刷架最大承受500A电流。
所述旋压轮16与刀具基座之间、芯模2与三爪卡盘1之间、尾顶4与转动顶尖8之间均安装有高温绝缘垫片7，使电流回路与机床之间绝缘，同时确保电流回路产生的热量不传递给机床，高温绝缘垫片7为硅橡胶板。
本发明还提供了一种板材局部自阻电生热方式的同步加热成形旋压方法，包括以下步骤：
1）安装自阻电生热工装：将芯模安装于三爪卡盘，通过高温绝缘垫片隔温绝缘；尾顶安装于转动顶尖，通过高温绝缘垫片隔温绝缘；芯模、尾顶和板材对心压紧；碳刷架总成连接电源正极，碳刷架通过铜刷与尾顶周向滑动接触导通电流，碳刷架总成与碳刷杆过盈配合，未绝缘处理端碳刷杆与固定架采用螺纹配合固定，固定架固定于移动顶尖；旋压轮与刀座通过高温绝缘垫片隔温绝缘，旋压轮接线柱与电源负极相接，电流回路导通；
2）板料同步加热成形：给板料两侧喷涂高温润滑剂，板料随主轴以给定速度旋转，旋压轮缓慢靠近并接触板料，回路电流接通；旋压轮与板料接触的部位温度迅速上升并达到成形所需温度；随后，在数控系统驱动下，按照数控代码路径，旋压轮同时加热、等壁厚旋压成形，制造与芯模相同的回转零件。所述的主轴的转速为110-120r/min，旋压轮进给量为0.3-0.5mm/r，旋压轮与板材接触处温度为500-700摄氏度，道次压深量为1-1.5mm，电流大小为500A。旋压轮与板材接触的部位温度较高，其他部位温度较低，属于局部自阻电生热，板材同一圆周上的温度相同。
本发明一种具体实施方式如下：按图1所示安装板材局部自阻电生热方式的同步加热成形旋压装置，机床主轴带动芯模、钛材和尾顶一起转动；旋压轮在刀具基座电机的驱动下向两个方向做运动，并不断的对钛材产生挤压使其发生塑性形变。碳刷架总成类型为人字形,碳刷杆与碳刷架总成配合的一端是绝缘的，碳刷架总成上的铜刷圆弧半径为40mm,与尾顶圆弧面相切；尾顶与碳刷架总成配合的圆柱面半径为40mm；旋压轮一边通电加热一边旋压，加热与旋压同步进行，旋压轮材质为高温合金，圆角半径为6mm。
用CAD软件绘制零件二维模型，画出其旋压刀路轨迹；将其导入到Mastercam9.1软件中编写数控代码，再用CIMCOEdit模拟软件模拟其刀路轨迹无误后导入数控机床。
将芯模一端固定于三爪卡盘之上，中间通过高温绝缘垫片绝缘隔热；尾顶通过内六角螺钉固定在机床顶尖上，3个碳刷架由碳刷杆并通过固定架固定在移动顶尖上，碳刷可以在尾顶上周向滑动导通电流，尾顶和机床顶尖之间用高温绝缘垫片绝缘；芯模和尾顶在轴向方向上固定钛材，三者可以随机床主轴一起转动；旋压轮和刀具基座也用高温绝缘垫片和胶带绝缘。
用大电流导线将旋压轮、碳刷架总成和电源连接起来；旋压轮与钛材接触，开启电源，用测温仪测量接触点处的温度，通过调节输出电流使其温度上升到600摄氏度左右，记录其输出电流并关闭低压电源。
裁剪出合适尺寸的板材并安装到数控旋压机床上，启动数控机床进行对刀，然后将旋压轮退到安全位置点。
先启动机床使旋压轮与板材接触，开启低压电源通电使旋压轮与板材接触的点温度上升至600摄氏度，旋压轮沿程序控制的轨迹进行挤压板材，旋压过程中需加少量二硫化钼，防止摩擦和粘着。
旋压完成以后，将旋压轮退到安全距离，先关闭低压电源再关停机床，待旋压件冷却到室温下并出去。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种板材局部自阻电生热方式的同步加热成形旋压装置，其特征在于：包括数控旋压机床、旋压轮（16）、低压大电流直流电源（14）、高温绝缘垫片（7）、大电流导线（13）、芯模（2）、尾顶（4）、碳刷架总成（5）及其固定架（9）；
所述数控旋压机床为旋压成形的驱动装置，包括数控系统、驱动旋压轮沿X轴、Z轴方向移动的伺服电机、丝杠、刀具基座及机床主轴，驱动机床主轴沿Y轴转动，芯模通过三爪卡盘固定在机床主轴上；
所述芯模（2）通过三爪卡盘（1）固定，板材通过芯模（2）和尾顶（4）对心轴向固定，芯模（2）、转动顶尖（8）、板材（3）、尾顶（4）随机床主轴一起转动；
所述旋压轮（16）与刀具基座相连，旋压轮与X轴成45度夹角，在伺服电机的驱动下沿设定的轨迹做X轴和Z轴方向的平移运动，并挤压板材（3）不断的发生塑性形变；
所述低压大电流直流电源一端通过大电流导线（13）与旋压轮（16）上的接线柱（15）相连，另一端通过大电流导线（13）与碳刷架总成（5）上的接线柱（15）相连，将电流传输给板材（3）；所述碳刷架总成（5）与尾顶（4）滑动连接，碳刷架总成（5）通过碳刷杆（12）与固定架（9）固定，固定架（9）通过螺钉（11）与移动顶尖（10）固定，碳刷杆（12）与碳刷架总成（5）处于绝缘状态。
2.根据权利要求1所述的板材局部自阻电生热方式的同步加热成形旋压装置，其特征在于：所述低压大电流直流电源（14）提供不超过15V的低压电流，输出最大电流不超过1500A。
3.根据权利要求1所述的板材局部自阻电生热方式的同步加热成形旋压装置，其特征在于：所述的大电流导线（13）的线芯截面面积为300mm2。
4.根据权利要求1所述的板材局部自阻电生热方式的同步加热成形旋压装置，其特征在于：所述旋压轮（16）与刀具基座之间、芯模（2）与三爪卡盘（1）之间、尾顶（4）与转动顶尖（8）之间均安装有高温绝缘垫片（7），高温绝缘垫片（7）为硅橡胶板。
5.根据权利要求1所述的板材局部自阻电生热方式的同步加热成形旋压装置，其特征在于：所述碳刷架总成（5）由若干单个碳刷架并联而成，单个碳刷架最大承受500A电流。
6.一种板材局部自阻电生热方式的同步加热成形旋压方法，其特征在于包括以下步骤：
1）安装自阻电生热工装：将芯模安装于三爪卡盘，通过高温绝缘垫片隔温绝缘；尾顶安装于转动顶尖，通过高温绝缘垫片隔温绝缘；芯模、尾顶和板材对心压紧；碳刷架总成连接电源正极，碳刷架通过铜刷与尾顶周向滑动接触导通电流，碳刷架总成与碳刷杆过盈配合，未绝缘处理端碳刷杆与固定架采用螺纹配合固定，固定架固定于移动顶尖；旋压轮与刀座通过高温绝缘垫片隔温绝缘，旋压轮接线柱与电源负极相接，电流回路导通；
2）板料同步加热成形：给板料两侧喷涂高温润滑剂，板料随主轴以给定速度旋转，旋压轮缓慢靠近并接触板料，回路电流接通；旋压轮与板料接触的部位温度迅速上升并达到成形所需温度；随后，在数控系统驱动下，按照数控代码路径，旋压轮同时加热、等壁厚旋压成形，制造与芯模相同的回转零件。
7.根据权利要求1所述的板材局部自阻电生热方式的同步加热成形旋压方法，其特征在于：步骤2）所述的主轴的转速为110-120r/min，旋压轮进给量为0.3-0.5mm/r，旋压轮与板材接触处温度为500-700摄氏度，道次压深量为1-1.5mm，电流大小为500A。
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