CN110023001B - 一种用于翻边的两点渐进装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性翻边装置和方法，采用渐进成形工艺，控制成形工具与支撑工具沿着特定轨迹运动，逐渐加工四周固定的板料，从而成形用于提高零件刚度或者为后续组装提供组装配合面的翻边特征。板料两侧各有一通用工具沿着特定轨迹进行运动，因此本翻边方法具有高度工艺柔性。采用一种累积式的两点渐进翻边工艺策略，能够实现一道次渐进翻边，从而节约加工时间。

Description

一种用于翻边的两点渐进装置和方法

本申请要求2017年5月15日提交的美国临时申请62/506,039的优先权和权益，在此引入作为参考。

背景技术

渐进成形是一种快速制造工艺，采用通用工具沿着设计轨迹运动，逐渐加工四周固定的板料成为预定几何形状。与传统冲压相比，渐进成形不需要专用模具与压力机，因此可以缩短工艺时长和降低成本。此外，通过控制笔状成形工具沿着预先设计的三维轨迹运动，渐进成形可以轻易加工出自由曲面。

除了工艺柔性外，渐进成形的成形极限受到破裂成形极限的限制，比传统冲压中的成形极限要高。随着渐进成形的发展，出现了不同的渐进工艺，例如双面渐进成形、两点渐进成形、累积两点渐进成形和复合渐进成形，从而扩展了渐进成形技术的应用。

孔的翻边传统是采用冲压成形，在工业界中多用于提供管道接口面和提高零件刚度。基于上述的优点，渐进成形提供了一种试制翻边的快速方法。Cui和Gao等人首次研究了单点渐进孔翻边工艺[1]。他们采用不同预制孔径的AA 1060铝合金板，通过实验研究了三种单点渐进翻边轨迹策略的影响。Petek等人[2]结合对称孔和非对称孔研究了从下往上渐进翻边的可行性。上述研究证实了渐进成形孔翻边的可行性。Cao等人[3]设计了一种翻边工具，将从上往下的翻边改为从内往外的翻边[3]。除了轴对称的翻边外，Voswinckel等人[4]进一步研究了多道次的拉伸翻边和压缩翻边。上述研究证实了渐进成形对孔的翻边能力。

图6展示了之前研究工作中的渐进翻边方法。在翻边20没有被约束的情况下，采用工具140对其进行成形。成形翻边20可以采用不同的轨迹方案。图7展示了采用之前研究工作中的翻边方法加工出的翻边特征。目标几何形状在零件10中，具有倒角20a和直壁面20b。因为边界区域刚度不足，零件11具有不可控制的弯曲倒角11a和部分成形的直壁面11b。由于无约束的边界材料，零件12具有凸出的倒角12a和部分成形的直壁面12b。这两个零件可能是由不同材料，在不同工具轨迹和不同板料夹持下成形的。

上述实验研究集中于单点渐进成形，需要定制的板料夹持控制翻边精度，而采用定制的板料夹持将降低工艺柔性，增大工艺时长和提高成本。Bambach等人[5]开发了适应性液压板料夹持，可以降低成形边界区域材料的翘曲。但是，这种设计较为复杂，且仅适用于对称性翻边，限制了工艺的通用性。近期，Wen等人[6]设计使用带有斜肩的工具头对开放边界和孔边界进行翻边。通过实验寻找合适的斜肩角度，平衡板料的向下翘曲和向上翘曲。但是，这种方法需要多次实验试错，制约了工具头的通用性。而且，由于缺少合理的板料夹持，无法成形过渡倒角。

目前的设计采用两点渐进翻边装置和方法。两点渐进翻边是两点渐进成形的一种应用。工具为翻边专用设计。上工具头主要用于成形翻边特征和控制潜在的边界区域向上翘曲，下工具头主要用于支撑和减小潜在的边界区域向下翘曲。翻边过程采用累积的两点渐进成形策略。随着两工具头同步由内向外运动，孔边界材料被弯曲和挤压，沿着工具曲率从水平方向向竖直方向流动。从而，加工出竖直的翻边直壁面，翻边倒角的曲率半径在材料流动过程中由工具曲率所控制。

发明内容

本发明是一种简化的两点渐进翻边方法。如上所述，两点渐进成形是渐进成形的一种变形工艺，在板料的两侧各有一个工具头。在两点渐进翻边中，装置为特别设计。装置包括上工具头和下工具头。上工具头主要充当成形工具头和控制潜在的向上翘曲，下工具头主要充当支撑工具头和控制潜在的向下翘曲。上工具头和下工具头具有互补的设计形状，并且与翻边特征形状一致。成形过程中，上工具头和下工具头与零件均为线接触。

翻边加工轨迹类似累积两点渐进成形轨迹，由内向外进行翻边。但是，翻边过程中的瞬时成形区域与累积两点渐进成形不同。累积两点渐进成形中，瞬时成形区域是工具与零件之间的接触点，而在两点渐进翻边中，瞬时成形区域是工具与零件之间的接触线。

因此，两点渐进翻边轨迹在平面内增量步大小并不取决于目标几何形状的壁面角度。平面内增量步大小的选择主要是为了控制翻边时面内的成形力。翻边过程中逐渐减小增量步值，可以降低面内成形力的增速。工具轨迹可以是同心形的也可以是螺旋形的。在工具头组同步由内向外运动的过程中，板料被弯曲和挤压，在截面上表现为沿着工具形状曲线从水平方向往竖直方向流动。从而，成形出竖直的翻边直壁面，与此同时，翻边倒角曲率被工具形状曲线所控制。此外，翻边中的变形包括周向拉伸或截面弯曲，取决于目标翻边的几何形状以及零件的成形性。

首先，对目标零件进行翻边成形的双点翻边工具在零件表面定义了X-Y平面，翻边特征第一部分位于零件表面的X-Y平面内，第二部分位于X-Y平面外。装置包括成形工具和支撑工具，分别安装在对应工具刀架上。成形工具包含翻边特征成形面和平行于X-Y平面的成形面，支撑工具也包含翻边成形面，同时与成形工具的形状互补。

其次，待翻边特征的第二部分沿着垂直于零件表面的Z方向，在第一部分和第二部分之间有圆角半径过渡。因此，成形工具一共包含三部分成形面，第二部分成形面垂直于零件表面，位于Z方向，第三部分成形面位于第一部分和第二部分之间，其圆角半径等于翻边倒角的半径。支撑工具也包含三部分成形面，第一部分成形面垂直于零件表面，位于Z方向，第二部分成形面的曲率半径与翻边倒角一致。同时，成形工具的第二部分成形面与支撑工具的第一部分成形面在Z方向的长度应该大于或者等于翻边零件特征的长度。

此外，提供了一种在零件定义的X-Y平面外成形翻边特征的方法，零件具有连续的内部边界，且翻边特征的第一部分在X-Y平面内，第二部分在零件平面之外。本翻边方法提供了一种装夹零件、成形工具和支撑工具的方法。如上所述，成形工具与支撑工具之间保持固定的相对距离，起始位置零件边界与成形工具相接触。在保持工具组相对距离的同时，两工具同时在X-Y平面内运动，从而保持工具组与零件的接触，对零件边界进行加工，成形翻边特征。

工具组在X-Y平面内的由内向外运动，可以是同心轨迹，也可以是螺旋轨迹，其中，轨迹层之间的间距逐渐减小。

附图说明

图1为本发明中两点渐进装置的简化示意图；

图2为图1装置下，两点渐进翻边工艺的简化截面示意图；

图3为本发明渐进翻边装置和方法中，装置的侧面视示意图；

图4为本发明渐进翻边装置和方法中，带有圆孔边界的原始零件俯视示意图；

图5为本发明渐进翻边装置和方法中，目标几何形状的示意图；

图6为之前的渐进翻边工艺的侧视示意图；

图7为之前的渐进翻边工艺下的三种成形件侧视示意图；

图8为本发明渐进翻边成形完全对称零件照片；

图9为本发明渐进翻边成形非完全对称零件照片；

图10(a)-(f)是采用本装置和方法潜在可成形的翻边形状举例；

图11展示了本方法中两种可选用的工具轨迹，同心轨迹和螺旋轨迹。

具体实施方式

在本方法中，采用一道次的孔翻边策略，其中成形工具与支撑工具同步运动，从初始的与零件孔边界接触向外运动，直到到达目标翻边边界，在运动过程中，具有互补形状的成形工具与支撑工具保持相对间距为板料厚度。工具轨迹仅在零件所在平面内(X-Y平面，在图示中)，加工区域为线接触区域，成形工具与支撑工具之间的相对位置固定。

因此，支撑工具与板料的接触在成形区域边界，而不是在目标几何形状边界。而且，成形工具和支撑工具与板料的接触为线接触。这种成形轨迹采用工具侧壁直接成形翻边直壁面，展示出了较好的几何精度，改变了渐进翻边的厚度分布。此外，翻边特征中的倒角被支撑工具的半径所控制，非成形区域的翘曲基本被消除，且包含拉伸翻边和压缩翻边的复杂边界形状能够被成功翻边。

下面结合附图和具体实施例对本发明的圆孔翻边进行详细说明。圆孔翻边是一种拉伸翻边。但是，本装置和方法也可以用于非对称形状的翻边，包括拉伸翻边和压缩翻边。

图5展示了翻边成形的示例目标几何形状。在这个例子中，翻边20是零件10上的目标特征。它包括倒角20a和直壁面20b(如图7所示)。如图1所示，渐进装置100包括下压板110和上压板120。板料固定在下压板110和上压板120之间。其他具体板料夹持细节可以在专利US 9,168,580中找到，在此处进行引用。

成形工具150和支撑工具160安装在刀架上(未画出)，分别处于板料的两面，且可以实现X、Y和Z方向的运动。参考图2，成形工具150运动到与孔边界10a进行接触(如图4，10a是翻边初始孔，可以通过水切割或者激光切割成形)。然后，两工具在平面内由内向外进行运动。

更加具体的描述，成形工具150的肩部(图3中150c)与板料的表面进行接触，板料的孔边界10a与成形工具150的倒角接触。同时，支撑工具160在板料另一侧运动，与零件10的背面接触，控制成形工具150与支撑工具160之间的距离在水平方向上和Z方向上均为板料厚度。

然后，成形工具150和支撑工具160按照设计轨迹在水平面内逐渐同步向外运动(采用同心形轨迹或者螺旋形轨迹，如图11所示)，运动中保持二者相对距离不变。在两工具运动过程中，板料被折弯，沿着工具曲率从水平方向向竖直方向流动。从而，成形出翻边20(如图5所示)。如图11，从一层工具轨迹到下一层工具轨迹的半径变化，dRn(或者描述为相邻两层轨迹之间的间距)，从切割孔的边界开始由内向外逐渐减小。随着加工过程的进行，两工具与板料之间的接触线，即实际成形线逐渐增长，因此，dRn的逐渐减小是为了控制X-Y平面内成形力的增速。

如图3，成形工具150和支撑工具160的细节特征作为示例。具体的说，两工具被设计用于成形图5中的翻边20。工具肩部150c和工具端部160c一起控制了板料的Z方向位置。曲线150b和曲线160b一起为材料流动导向，且控制了翻边20的倒角。直壁面150a和直壁面160a，约束了成形的翻边。工具肩部150c和工具端部160c可以根据零件在翻边区域外的几何形状进行修改。曲线150b和150c可以根据设计的翻边截面形状进行修改。曲线160b和工具端部160c的设计配合曲线150b和工具肩部150c的设计。工具肩部150c和工具端部160c的水平面内长度可以修改，以避免与零件其他特征潜在的碰撞。

具体的说，成形工具150和支撑工具160的截面形状是可更改的，根据不同的翻边截面设计，可以有很不同的工具截面形状，因此，工具与零件接触线与目标翻边截面曲线是一致的。图10(a)-(f)示例了本方法潜在可以成形的不同翻边截面。

本装置和方法已经被用于实验成形翻边特征。图8是本方法成形的圆孔翻边。图9是本方法成形的非对称翻边零件，具有压缩翻边(翻边孔的曲率是内凹的)和拉伸翻边(翻边孔的曲率是外凸的)。

参考文献：

[1]Z.Cui and L.Gao,Studies on hole-flanging process using multistageincremental forming,CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology 2(2010)124–128.

[2]A.Petek,K.Kuzman and R.

Backward drawing of necks usingincremental approach,Key Engineering Materials,Vol.473,pp.105-112(2011).

[3]T.Cao,B.Lu,H.Ou and J.Chen,Investigation on a new hole-flangingapproach by incremental sheet forming through a featured tool,InternationalJournal of Machine Tools&Manufacture 110(2016)1–17.

[4]Holger Voswinckel,Markus Bambach and Gerhard Hirt,Improvinggeometrical accuracy for flanging by incremental sheet metal forming,Int JMater Form(2015)8:391–399.

[5]M.Bambach,H.Voswinckel,G.Hirt,A new process design for performinghole-flanging operations by incremental sheet forming,Procedia Engineering81,2305-2310,(2014).

[6]Tong Wen,Suo Zhang,Jie Zheng,Qian Huang and Qing Liu,Bi-directional dieless incremental flanging of sheet metals using a bar toolwith tapered shoulders,Journal of Materials Processing Technology 229(2016)795–803.

Claims (11)

1.一种用于翻边的两点渐进装置，用于在现有零件上成形翻边特征，定义原始零件表面为X-Y平面，待成形的翻边特征包括两部分：原始的X-Y平面部分和X-Y平面之外的翻边部分，装置包括成形工具与支撑工具，分别安装在对应的工具刀架上；

a.成形工具包括翻边特征成形面及平行于X-Y平面的辅助成形面；

b.支撑工具包括翻边特征成形面及平行于X-Y平面的辅助成形面，并且与成形工具形状互补；

翻边特征成形面位于Z方向上，垂直于X-Y平面，在翻边特征成形面与X-Y平面之间，有一个倒角；成形工具包括三个成形面，第一成形面为X-Y平面内的辅助成形面，第二成形面位于Z方向上且垂直于X-Y平面，第三成形面在第一成形面与第二成形面之间，并且与零件倒角的曲率半径一致；支撑工具包括三个成形面，第一成形面为X-Y平面内的辅助成形面，第二成形面位于Z方向上且垂直于X-Y平面，第三成形面与零件倒角的曲率半径一致。

2.根据权利要求1所述的一种用于翻边的两点渐进装置，其特征在于，成形工具的第二成形面和支撑工具的第一成形面在Z方向的长度不小于翻边特征的高度。

3.一种基于如权利要求1所述的用于翻边的两点渐进装置对定义于X-Y平面上的平面零件进行成形翻边的方法，原始零件内部有边界特征，其特征在于，连续的封闭边界，翻边的第一部分在零件的X-Y平面内，第二部分在零件的原始平面之外，本方法包括：

a)将板料固定在工具中；

b)将成形工具与支撑工具分别安装在刀架上，并且保持固定的相对位置关系；

c)使原始零件的边界特征与成形工具接触；

d)在X-Y平面内整体移动成形工具与支撑工具的刀架，保持两工具之间的相对距离，连续不断地接触边界和加工边界，从而成形翻边特征。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，装置在X-Y平面内从内孔的边界开始，沿着设计的同心轨迹，由内向外增量运动，同心轨迹的向外增量步逐渐减小。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，装置在X-Y平面内从内孔的边界开始，沿着设计的螺旋轨迹，由内向外增量运动，螺旋轨迹的增量步逐渐减小。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，成形工具的第三成形面与原始零件孔的边界相接触，支撑工具在零件的另一面与零件接触。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，成形工具与支撑工具Z方向上的距离保持为原始零件在Z方向上的尺寸。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，成形工具与支撑工具在水平方向之间的距离保持为零件的厚度。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，原始零件内孔形状为圆形。

10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，原始零件内孔形状为非圆形。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，原始零件内孔包括曲率外凸部分和曲率内凹部分，曲率外凸部分为拉伸翻边部分，曲率内凹部分为压缩翻边部分。

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