CN110000270B - 一种大型曲面壳局部特征成形装置及其成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大型曲面壳局部特征成形装置，包括柔性平台、导轨固定座、槽钢焊接柔性框架、升降立柱、模具和电磁成形机构，采用电磁成形与柔性工装配合进行大型曲面壳局部特征成形，大幅度简化了传统大型曲面件局部特征成形的工序、降低了时间周期成本及大幅度降低了模具加工成本。本发明的大型曲面壳局部特征成形装置及成形方法，能提高材料的成形极限，能简化工序，通常一次成形就能实现加工目的；能简化成形工装，不需要用大型压力机，仅需要对应局部特征的单面模具，不需要凸模；成形零件表面质量较好，无划痕，成品率高。

Description

一种大型曲面壳局部特征成形装置及其成形方法

技术领域

本发明涉及金属板材塑性成形制造技术领域，特别是涉及一种大型曲面壳局部特征成形装置及其成形方法。

背景技术

在航天飞行器中，一般都存在大型曲面壳体零部件上的局部胀形、局部翻孔、局部冲孔等成形特征，传统的大型曲面壳局部特征成形方法需要加工出一套具有凸凹模的大型成形工装，对于曲面零件而言，工装更加复杂，造价会更高，同时还需要专门的压力机。从成形结果上来看，当需要成形的局部特征成形难度大，可能一次成形无法达到而需要多次成形，这时就需要多套模具使成形过程更加复杂。同时成形过程中零件会与模具发生接触，对表面质量要求较高的零件难以达到成形要求，致使生产效率低，废品率高，成本高，工人劳动强度大。

发明内容

本发明的目的是提供一种大型曲面壳局部特征成形装置及其成形方法，以解决上述现有技术存在的问题，采用电磁成形与柔性工装配合进行大型曲面壳局部特征成形，大幅度简化了传统大型曲面件局部特征成形的工序、降低了时间周期成本及大幅度降低了模具加工成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种大型曲面壳局部特征成形装置，包括柔性平台、导轨固定座、槽钢焊接柔性框架、升降立柱、模具和电磁成形机构，

所述柔性平台的两侧通过螺栓固定安装有所述导轨固定座，导轨副穿入所述导轨固定座上的导轨中；所述槽钢焊接柔性框架包括两根立柱和一根横梁，两根立柱的两端均焊接固定板，且两根所述立柱的一端分别与两侧的所述导轨副固定连接，另一端与所述横梁固定连接；

悬挂设置在所述横梁上的所述升降立柱包括内外套装的两根槽钢，外部槽钢的顶端与所述横梁相固定，内部槽钢的下端设置有微调螺母及支撑脚，用于调节线圈与待加工曲面的垂直位置，内外部槽钢上开设有若干对称用于放置限位销的孔；

所述模具固定安装在所述柔性平台上并移动所述升降立柱与模具相对应；所述电磁成形机构电联接的线圈吊装在所述升降立柱的底面上。

优选的，所述槽钢焊接柔性框架中的两根立柱上对称的开设有快速锁紧销固定孔。

优选的，所述升降立柱的外部槽钢的顶端焊接有口型框，所述口型框穿设在所述横梁上，且所述口型框的顶部设置有顶丝。

优选的，所述升降立柱的外部槽钢上焊接有导向挡板，所述导向挡板用于限制内部槽钢不脱出。

优选的，所述内部槽钢的下端还设置有微调螺母，所述微调螺母用于使所述线圈型面与待加工曲面壳的型面相贴合。

优选的，该装置还包括有角度器和快速压紧器，通过锁紧销固定在所述柔性平台上的所述角度器用于对曲面壳的曲面角度进行支撑，所述快速压紧器位于曲面壳顶面并与所述角度器配合压紧坯料。

优选的，所述电磁成形机构包括包括间隔导通的充电回路与放电回路，所述充电回路中的电源与充电开关用于对电容器组进行充电，所述放电电路中放电开关闭合时，所述电容器组经所述线圈放电。

优选的，所述模具的底面加工有法兰，所述法兰上设有锁紧销固定孔，使用锁紧销穿过所述锁紧销固定孔使所述模具与所述柔性平台相固定连接。

本发明还提供一种大型曲面壳局部特征成形方法，应用于上述的大型曲面壳局部特征成形装置，包括以下步骤：

通过移动导轨副来对槽钢焊接柔性框架的位置进行调整，确定位置后用锁紧销将槽钢焊接柔性框架与柔性平台相固定；

调节升降立柱的底部上行，取下内部槽钢下端的支撑脚，找准模具位置，将待加工的曲面壳型面放置到模具上，并通过角度器对曲面壳的其他位置进行支撑，并采用快速压紧器与角度器配合压紧坯料；

移动升降立柱到待加工区域上方，找准线圈与待加工区域的相对位置后，调节升降立柱下行使线圈与工件型面贴合，紧固顶丝并将支撑脚就位；

操作电磁成形机构，放电回路导通，电容器组经所述线圈放电，产生作用于待加工区域的脉冲磁场力对工件进行成形；

成形完成后，拔出限位销，升降立柱底面上行，松开快速压紧器，取出工件。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提出了一种大型曲面壳局部特征成形装置及其成形方法。可以解决一些大型曲面壳局部特征成形难度大、成本高的零件的成形制造难题。电磁成形所需要的工装比传统的钢模成形工装简单，并且工装柔性高。电磁成形的成形工序少，大多一道序就可加工出目标特征。传统钢模成形需要加工出一套具有凸凹模的大型成形工装，对于曲面零件而言，工装更加复杂，造价会更高，同时还需要专门的压力机。从成形结果上来看，当需要成形的局部特征成形难度大，可能一次成形无法达到而需要多次成形，这时就需要多套模具使成形过程更加复杂。同时成形过程中零件会与模具发生接触，对表面质量要求较高的零件难以达到成形要求，致使生产效率低，废品率高，成本高，工人劳动强度大。

如当零件的塑性较低时，或在已经发生准静态预变形壳体件再加工局部特征时。这类零件用传统的钢模成形需要多道工序即相邻工序间的退火热处理。同时，本发明提出的方法没有凸模与零件表面的摩擦，其表面质量也可以得到保证。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为大型曲面壳局部特征成形装置的整体结构示意图；

图2为成形装置的主视图；

图3为成形装置的轴侧视图；

其中，1升降立柱；2顶丝；3限位销；4导套；5微调螺母；6支撑脚；7线圈；8模具；9快速压紧器；10角度器；11快速锁紧销固定孔；12导轨副；13导轨；14导轨固定座；15槽钢焊接柔性框架；16气压杆；17柔性平台；18电磁成形机构；19充电开关；20放电开关；21电容器组；22充电电源。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种大型曲面壳局部特征成形装置及其成形方法，以解决上述现有技术存在的问题，采用电磁成形与柔性工装配合进行大型曲面壳局部特征成形，大幅度简化了传统大型曲面件局部特征成形的工序、降低了时间周期成本及大幅度降低了模具加工成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-3，其中，图1为大型曲面壳局部特征成形装置的整体结构示意图；图2为成形装置的主视图；图3为成形装置的轴侧视图。

本发明属于金属板材塑性成形制造领域，涉及各种局部成形难度大、局部成形质量要求较高的大型曲面零件的局部特征成形方法。用本方法对大型曲面板材进行局部胀形、翻孔、冲孔等成形，可以简化工艺工装。解决某些大型曲面壳的局部特征难成形、局部特征成形质量难控制、工艺工装复杂等问题。

本发明提供的大型曲面壳局部特征成形装置及成形方法，设计了一套基于电磁脉冲成形的柔性工装。相比于一般的传统成形，本方法具有如下优点：(1)能提高材料的成形极限，能简化工序，通常一次成形就能实现加工目的；(2)能简化成形工装，不需要用大型压力机，仅需要对应局部特征的单面模具，不需要凸模；(3)成形零件表面质量较好，无划痕，成品率高。

具体地，以图1中的轴对称曲面壳体件为例，说明本发明提出的装置构成和大型曲面壳局部特征成形方法的操作过程。

装置构成如下：

导轨固定座14通过螺栓固连在柔性平台17的立壁上。导轨副12穿入导轨13，导轨13通过螺栓固连在导轨固定座14上。槽钢焊接柔性框架15由三根槽钢组成，分为两根立柱和一根横梁，立柱的两端分别焊接固定板，一端可通过螺栓与导轨副12固连，另一端可通过螺栓与横梁固连。槽钢焊接柔性框架15的两根立柱分别通过螺栓固连在导轨副12上，升降立柱1穿到槽钢焊接柔性框架15的横梁上，槽钢焊接柔性框架15的横梁通过螺栓固连在槽钢焊接柔性框架15的两根立柱上。其中升降立柱1是由两根槽钢套装在一起，外部槽钢顶端焊接有“口”形框，可以穿到槽钢焊接柔性框架的横梁上，“口”形框的顶部设置有顶丝2，紧固后可保证升降立柱1与槽钢焊接柔性框架15的相对位置固定不动，升降立柱1外部槽钢上焊接导向挡板，可保证内部槽钢在外部槽钢腔内运动而不脱出，内部槽钢内焊接有导套4，内部槽钢下端设置有微调螺母5和支撑脚6，升降立柱1内外槽钢的相对位置由气压杆16和限位销6配合限制。模具8底面加工有法兰，法兰上设有锁紧销固定孔，使用锁紧销实现模具与柔性平台固连。用于电磁成形的线圈7通过螺栓固连在升降立柱1底面上。

工艺操作步骤如下：

1.移动槽钢焊接柔性框架15位置，用锁紧销通过快速锁紧销固定孔11与柔性平台17紧固。

2.拔出升降立柱1上的两根限位销3，调节升降立柱1底部上行，松开升降立柱1上的5个顶丝2，取下4个支撑脚6。

3.线圈7用螺栓吊装在升降立柱1底面上。

4.找准模具8与工件的相对位置，保证工件型面尽量与模具8型面吻合，在柔性平台17上的合适位置放置角度器10，角度器10与快速压紧器9配合压紧坯料，角度器10由锁紧销固定在柔性平台17上。

5.移动升降立柱1到待加工区域上方，找准线圈7与待加工区域的相对位置后，按压升降立柱1底面使线圈7下行。插入限位销3，紧固顶丝2。调整微调螺母5使线圈7型面与工件型面贴合，并紧固微调螺母5。将支撑脚6就位，调节支撑脚6高度，用于减弱线圈7后坐力对微调螺母5的冲击。

6.操作电磁成形机构18进行加工。通过电磁成形设备使线圈7进行放电，在线圈7中通过高压脉冲大电流。电磁成形机构18中包括用于储存电能的高压脉冲的电容器组21和处于常开状态的充电开关19。当高压脉冲电容器组C被充电电源22充电到预置电压时，断开充电回路，闭合放电开关20，则放电回路导通，电容器组21经线圈7放电，产生衰减震荡脉冲大电流I和与之对应的瞬态变化磁场。根据电磁感应原理，上述放电过程会在曲面零件(成形零件)变形区产生与线圈电流I相对应的感应电流。变形区的感应电流也会产生感应磁场。线圈电流磁场和耦合电流磁场在线圈与曲面零件变形区之间增强，通过与耦合电流作用，产生作用于曲面零件变形区的法向脉冲磁场力。线圈7固定不动，而翻孔变形区在这个法向力作用下发生向下变形和运动，直至贴模。实际成形过程中，待加工区域力的作用时间非常短，一般为几十至几百微秒，主要依靠惯性成形和贴模。

7.拔出限位销3，升降立柱1底面上行，松开快速压紧器9，取出工件。

实施例一

材料：LD10铝合金，厚度5mm；形状尺寸：近球形壳体，幅面投影直径1500mm，要求局部成形三处孔翻边特征，一处φ70法向孔翻边特征，两处φ82轴向孔翻边特征(倾角20度)，要求翻起垂直高度皆不低于18mm、壁厚不小于4.0mm。该零件在用钢模成形局部特征时工装复杂、工序繁琐、需大型压力机、模具复杂，而且翻孔口部容易开裂，尺寸精度不高，难以满足使用要求，同时表面质量也不高。

采用上述大型曲面壳局部特征成形方法进行孔翻边成形，磁脉冲成形设备额定电压和放电能量分别为18kV和50kJ。在放电电压10kV时进行法向孔翻边成形，放电电压13kV时进行轴向孔翻边成形。

成形效果如下：贴模间隙皆介于0.2-0.3mm之间，最小壁厚皆大于4.2mm，满足使用要求，表面质量良好，无微裂纹及毛刺等缺陷，成品率较高，设备资源占用少，操作简单，未发生翻裂的现象。

实施例二

材料：LD10铝合金；厚度：4mm；形状尺寸：近椭球形壳体，幅面投影直径1380mm，要求局部涨形φ98mm的圆环，高度10mm。磁脉冲成形设备额定电压和放电能量分别为18kV和50kJ。在放电电压15kV时得到目标形状。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种大型曲面壳局部特征成形装置，其特征在于：包括柔性平台、导轨固定座、槽钢焊接柔性框架、升降立柱、模具和电磁成形机构，

所述柔性平台的两侧通过螺栓固定安装有所述导轨固定座，导轨副穿入所述导轨固定座上的导轨中；所述槽钢焊接柔性框架包括两根立柱和一根横梁，两根立柱的两端均焊接固定板，且两根所述立柱的一端分别与两侧的所述导轨副固定连接，另一端与所述横梁固定连接；

悬挂设置在所述横梁上的所述升降立柱包括内外套装的两根槽钢，外部槽钢的顶端与所述横梁相固定，内部槽钢的下端设置有微调螺母及支撑脚，用于调节线圈与待加工曲面的垂直位置，内外部槽钢上开设有若干对称用于放置限位销的孔；

所述模具固定安装在所述柔性平台上并移动所述升降立柱与模具相对应；所述与电磁成形机构电联接的线圈吊装在所述升降立柱的底面上；

所述内部槽钢的下端还设置有微调螺母，所述微调螺母用于使所述线圈型面与待加工曲面壳的型面相贴合；该装置还包括有角度器和快速压紧器，通过锁紧销固定在所述柔性平台上的所述角度器用于对曲面壳的曲面角度进行支撑，所述快速压紧器位于曲面壳顶面并与所述角度器配合压紧坯料。

2.根据权利要求1所述的大型曲面壳局部特征成形装置，其特征在于：所述槽钢焊接柔性框架中的两根立柱上对称的开设有快速锁紧销固定孔。

3.根据权利要求1所述的大型曲面壳局部特征成形装置，其特征在于：所述升降立柱的外部槽钢的顶端焊接有口型框，所述口型框穿设在所述横梁上，且所述口型框的顶部设置有顶丝。

4.根据权利要求1所述的大型曲面壳局部特征成形装置，其特征在于：所述升降立柱的外部槽钢上焊接有导向挡板，所述导向挡板用于限制内部槽钢不脱出。

5.根据权利要求1所述的大型曲面壳局部特征成形装置，其特征在于：所述电磁成形机构包括间隔导通的充电回路与放电回路，所述充电回路中的电源与充电开关用于对电容器组进行充电，所述放电电路中放电开关闭合时，所述电容器组经所述线圈放电。

6.根据权利要求1所述的大型曲面壳局部特征成形装置，其特征在于：所述模具的底面加工有法兰，所述法兰上设有锁紧销固定孔，使用锁紧销穿过所述锁紧销固定孔使所述模具与所述柔性平台相固定连接。

7.一种大型曲面壳局部特征成形方法，应用于权利要求1-6中所述的大型曲面壳局部特征成形装置，其特征在于，包括以下步骤：

通过移动导轨副来对槽钢焊接柔性框架的位置进行调整，确定位置后用锁紧销将槽钢焊接柔性框架与柔性平台相固定；

调节升降立柱的底部上行，取下内部槽钢下端的支撑脚，找准模具位置，将待加工的曲面壳型面放置到模具上，并通过角度器对曲面壳的其他位置进行支撑，并采用快速压紧器与角度器配合压紧坯料；

移动升降立柱到待加工区域上方，找准线圈与待加工区域的相对位置后，调节升降立柱下行使线圈与工件型面贴合，将支撑脚就位；

操作电磁成形机构，放电回路导通，电容器组经所述线圈放电，产生作用于待加工区域的脉冲磁场力对工件进行成形；

成形完成后，拔出限位销，升降立柱底面上行，松开快速压紧器，取出工件。

Images