CN110314960A - 一种金属型材三维电热拉弯成形工艺及装备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属型材三维电热拉弯成形工艺及装备，属于金属型材塑性拉弯成形技术领域。可以广泛用于轨道车辆、航空航天、汽车制造和建筑行业的各种型材弯曲扭转结构制件的生产。本发明主要由拉弯机械臂、保温箱、三维热拉弯模具、主工作台以及控制柜组成。工作时首先开启加热保温箱预热，并对金属型材进行自阻加热；当保温箱温度和型材温度达到成形工艺要求时，通过夹钳带动型材分别在水平面和垂直平面上弯曲成形；待弯曲成形后，通过绝缘夹钳的旋转运动使型材扭转变形，实现型材与三维热拉弯模具的完全贴合；最后，还可通过水平拉伸油缸施加补拉力，进一步减小成形件的回弹变形。本发明设计了一种金属型材三维热拉弯成形装置及工艺方法，实现了难加工材料结构件的高效和低成本的三维热拉弯成形，解决了现有技术的不足，具有广阔的应用前景和潜在的市场价值。
Description
技术领域
本发明属于金属型材塑性拉弯成形技术领域，特别涉及一种金属型材三维电热拉弯成形设备及工艺方法，可用于钛合金、高强钢、高强铝合金、镁合金等难成形加工金属型材的三维热拉弯成形。
背景技术
金属型材三维拉弯结构件具有自重轻、用料省、结构强度高、空气动力学性能好、几何造型流畅等结构特点，是轨道客车、航空航天、汽车等高端制造业领域长寿命、整体性要求下迫切需求的先进轻量化结构，可有效提高安全性、操控性和燃油经济性，应用前景广阔。然而，由于钛合金等难加工材料常温下变形抗力大、塑性差、加工窗口窄，以及大型整体三维弯曲的复杂结构特征，对这类难变形材料型材结构件的三维拉弯成形十分困难。
金属型材的三维拉弯是指型材沿其轴线方向拉伸变形，并在与其轴向截面相正交垂直的两个平面上有弯曲变形的型材成形工艺过程。热拉弯工艺即指在拉弯过程中对型材进行加热。针对此类难变形材料的加工，以钛合金为例，一般采用自阻加热等方式加热后再进行塑性成形加工，然而，热拉弯成形涉及高温条件下的多场耦合作用，存在如下问题：一是目前成形装备及方法主要集中在二维弯曲结构件的拉弯成形，对于复杂三维拉弯成形的热拉弯成形方法的研究相对较少，还未开发出可产业化的工艺装备；二是随着弯曲维度的增加，以及热力场的耦合作用，使塑性行为汇总产生剧烈的不均匀变形，当变形体中弹性变形卸载后，会产生较大的回弹变形等缺陷。
为解决上述钛合金等难变形材料的三维热拉弯成形问题，有必要设计一种金属型材三维热拉弯成形装置及工艺方法，实现金属型材的高效和低成本的三维拉弯成形，解决了现有技术的不足，具有广阔的应用前景和潜在的市场价值。
发明内容
一、目的：本发明的目的是针对现有型材拉弯工艺技术的不足，提供一种型材三维电热拉弯成形装备及其工艺流程，可实现金属型材的三维热拉弯成形，且通过热电偶测温可以对成形过程中的温度进行控制。
二、技术方案：一种金属型材三维电热拉弯成形装备，它包括主工作台4、副工作台2、三维热拉弯机械臂5、机械臂底座3、水平弯曲油缸1、控制柜7，保温箱6；它们的位置连接关系如下：三维热拉弯机械臂5安装在机械臂底座3上，两机械臂底座3与主工作台4铰接，并水平对称布置在主工作台4两侧，保温箱6通过安装柱9安装于主工作台4上，副工作台2与主工作台4固定连接，水平弯曲油缸1分别铰接副工作台2和机械臂底座3，控制柜7安装于主工作台4前方。
保温箱6结构为：三维热拉弯模具10材料为高温模具钢，并与安装柱9连接；型材8与三维热拉弯模具10的最前端相接触，箱体前盖20待型材8安装完成后关闭；保温丝支撑板19支撑保温丝18使其始终在三维热拉弯模具10上方，保温丝外接线头14通过保温丝连接电缆23与控制柜7连接；保温箱6两侧留有保证型材8运动空间的开口，采用保温帘17进行封闭，保温帘17材料采用石棉布，通过弹性装置16与支撑座15连接，支撑座15固定在保温箱6上，型材8的三维拉弯过程中，保温帘17始终与型材8紧密贴合，以减少整个拉弯过程中热量的散失；热电偶12安装在热电偶安装柱11上，通过在保温箱箱体13的顶部、两侧以及后侧的八个开孔a、b、c、d、e、f、g、h，将热电偶安装柱11安装在保温箱6上，热电偶12可实时监测保温箱6内部各个区域的温度，热电偶12通过热电偶连接电缆22与控制柜7连接，实现整个箱体的恒温控制。
三维热拉弯机械臂5结构为：包括夹紧油缸33、绝缘夹钳32、角度盘30、扭转油缸29、水平拉伸油缸24、垂直抬升油缸26、旋转油缸25、立柱27、滑块28、旋转块35、导轨34、水平销轴37、垂直销轴36构成；其特征在于，夹紧油缸33安装在绝缘夹钳32上，为型材8的夹紧提供动力；绝缘夹钳32安装在扭转油缸29的输出轴上，实现型材弯曲过程中的扭转变形，扭转角度可通过角度盘30读出；扭转油缸29安装在水平拉伸油缸24的活塞杆上，通过活塞杆的位置变化实现型材8的轴向拉伸；水平拉伸油缸24通过垂直销轴36安装在旋转块35上，实现成形过程中绝缘夹钳32的水平面摆动；旋转块35通过水平销轴37安装在滑块28上，滑块28与垂直抬升油缸26连接，通过垂直抬升油缸26的作用，可在立柱27的导轨34上直线运动；旋转油缸25两端分别铰接连接在水平拉伸油缸24和立柱27上，通过活塞杆长度的变化，实现绝缘夹钳32在垂直平面上的旋转；立柱27安装在机械臂底座3上，并可调整其在机械臂底座3上的位置。
控制柜7结构为：控制箱箱体38、自阻加热电缆接口39、热电偶测温回路电缆接口40、保温丝保温回路电缆接口41组成；控制柜7通过自阻加热电缆21与型材8连接，控制型材8自阻加热过程中的通断电；通过热电偶连接电缆22与热电偶安装柱11连接，将热电偶12测得的温度采集至控制柜7，实现对保温箱6内部温度进行反馈调节；通过保温丝连接电缆23与保温丝18连接，控制整个保温箱6的预热保温，使保温箱箱体13内部尽量处于恒温状态使型材的成形效果更好。
在加工工件时，可根据材料控制成形的温度，成形的速率。
本发明的工作流程为：
第一步，将三维热拉弯模具10安装在保温箱6内，然后保温箱6通过安装柱9与主工作台4连接；打开保温箱前盖20，将保温丝支撑板19安装于保温箱6中，然后将保温丝18放置在其上方，保温丝18通过热电偶连接电缆22与控制柜7连接；合上箱体前盖20，安装热电偶12，热电偶12通过热电偶连接电缆22与控制柜7连接；绝缘夹钳32安装在夹紧油缸33上；保温帘17通过弹性装置16安装于保温箱6侧边开口处；
第二步，打开箱体前盖20，将型材8通过侧边开口穿过保温箱6，型材8两端放置于绝缘夹钳32中，通过夹紧油缸33推动夹钳夹块31来夹紧型材8，调整绝缘夹钳32位置使型材8与三维热拉弯模具10的顶点相切；
第三步，关闭箱体前盖20，开始通电对保温箱6内部进行预热，通过控制柜7调节功率使保温箱6内温度迅速达到预定温度，温度可通过热电偶12测得，在控制柜7上读出，实现对温度的闭环控制；
第四步，对型材8进行加热，通过调节控制柜7调节加热的功率使型材8温度迅速达到预定温度，达到预定温度后关闭加热电源，其中温度通过热电偶12测得；
第五步，根据三维弯曲件目标零件的形状，通过调节三维热拉弯机械臂5各个油缸活塞杆位移，使型材8实现三维拉伸弯曲，首先，水平拉伸油缸24带动绝缘夹钳32使型材8拉伸至塑性状态，随后水平弯曲油缸1带动机械臂底座3旋转，使型材8在水平面弯曲成形，当绝缘夹钳32到达预定位置后，垂直抬升油缸26带动绝缘夹钳32，使型材8在垂直平面内弯曲变形；待型材8完成弯曲成形后，扭转油缸29带动绝缘夹钳32旋转，型材8扭转的角度通过角度盘30读出，使型材8与三维热拉弯模具10贴合；最后，还可通过水平拉伸油缸24施加补拉力，进一步减小成形件的回弹变形。整个三维拉弯扭转过程中保温帘17始终与型材8接触，以减少热量的散失；整个三维拉弯扭转过程中保温箱6内的温度通过热电偶12实时监测；
第六步，型材8完全贴模后，按工艺要求保温一段时间后打开箱体前盖20待冷却后松开绝缘夹钳32，卸载型材8；
第七步，将加工后的型材8与目标型材进行比较，若满足精度要求，加工结束，若不满足精度要求，调整绝缘夹钳32运动轨迹，降低弯曲和扭转的速率，或延长成形后的保温时间，直至获得合格成形件；
第八步，对该件进行批量生产。
由上所述，本发明解决的传统拉弯工艺难以解决的问题如下。
（1）实现了钛合金、高强铝合金、镁合金等硬质合金的三维热拉弯。
（2）对成形过程中保温箱内的温度进行控制，实现了恒温状态下的金属型材热拉弯成形。
（3）设置保温帘减少成形过程中的热量散失，减小保温箱内温度的浮动，节约能源。
（4）通过控制成形温度，成形的速率，从而减小回弹，提高型材成形精度和组织稳定性。
附图说明
图1：一种金属型材三维电热拉弯成形装备示意图。
图2：一种金属型材三维电热拉弯成形装备保温箱及内部结构轴侧视图。
图3：热电偶及安装柱轴侧视图。
图4：一种金属型材三维电热拉弯成形装备保温丝及支撑板轴侧视图。
图5：八个热电偶安装孔轴侧视图。
图6：一种金属型材三维电热拉弯成形装备张臂轴侧视图。
图7：一种金属型材三维电热拉弯成形装备控制柜示意图。
图中序号说明如下：1、水平弯曲油缸；2、副工作台；3、机械臂底座；4、主工作台；5、三维热拉弯机械臂；6、保温箱；7、控制柜；8、型材；9、模具安装柱；10、三维热拉弯模具；11、热电偶安装柱；12、热电偶；13、保温箱箱体；14、保温丝外接线头；15、弹性装置支撑座；16弹性装置；17、保温帘；18、保温丝；19、保温丝支撑板；20、箱体前盖；21、自阻加热电缆；22、热电偶连接电缆；23、保温丝连接电缆；24、水平拉伸油缸；25、旋转油缸；26、垂直抬升油缸；27、立柱；28、滑块；29、扭转油缸；30、角度盘；31、夹钳夹块；32、绝缘夹钳；33、夹紧油缸；34、导轨；35、旋转块；36、垂直销轴；37、水平销轴；38、控制柜箱体；39、自阻加热电缆接口；40、热电偶测温回路电缆接口；41、保温丝保温回路电缆接口。
Claims (6)
1.一种金属型材三维电热拉弯成形装备，它包括主工作台4、副工作台2、三维热拉弯机械臂5、机械臂底座3、水平弯曲油缸1、控制柜7，保温箱6；它们的位置连接关系如下：三维热拉弯机械臂5安装在机械臂底座3上，两机械臂底座3与主工作台4铰接，并水平对称布置在主工作台4两侧，保温箱6通过安装柱9安装于主工作台4上，副工作台2与主工作台4固定连接，水平弯曲油缸1分别铰接副工作台2和机械臂底座3，控制柜7安装于主工作台4前方。
2.根据权利要求1所述的一种金属型材三维电热拉弯成形装备，其特征是，保温箱6结构为：三维热拉弯模具10材料为高温模具钢，并与安装柱9连接；型材8与三维热拉弯模具10的最前端相接触，箱体前盖20待型材8安装完成后关闭；保温丝支撑板19支撑保温丝18使其始终在三维热拉弯模具10上方，保温丝外接线头14通过保温丝连接电缆23与控制柜7连接；保温箱6两侧留有保证型材8运动空间的开口，采用保温帘17进行封闭，保温帘17材料采用石棉布，通过弹性装置16与支撑座15连接，支撑座15固定在保温箱6上，型材8的三维拉弯过程中，保温帘17始终与型材8紧密贴合，以减少整个拉弯过程中热量的散失；热电偶12安装在热电偶安装柱11上，通过在保温箱箱体13的顶部、两侧以及后侧的八个开孔a、b、c、d、e、f、g、h，将热电偶安装柱11安装在保温箱6上，热电偶12可实时监测保温箱6内部各个区域的温度，热电偶12通过热电偶连接电缆22与控制柜7连接，实现整个箱体的恒温控制。
3.根据权利要求1所述的一种金属型材三维电热拉弯成形装备，其特征是，三维热拉弯机械臂5包括：夹紧油缸33、绝缘夹钳32、角度盘30、扭转油缸29、水平拉伸油缸24、垂直抬升油缸26、旋转油缸25、立柱27、滑块28、旋转块35、导轨34、水平销轴37、垂直销轴36构成；夹紧油缸33安装在绝缘夹钳32上，为型材8的夹紧提供动力；绝缘夹钳32安装在扭转油缸29的输出轴上，实现型材弯曲过程中的扭转变形，扭转角度可通过角度盘30读出；扭转油缸29安装在水平拉伸油缸24的活塞杆上，通过活塞杆的位置变化实现型材8的轴向拉伸；水平拉伸油缸24通过垂直销轴36安装在旋转块35上，实现成形过程中绝缘夹钳32的水平面摆动；旋转块35通过水平销轴37安装在滑块28上，滑块28与垂直抬升油缸26连接，通过垂直抬升油缸26的作用，可在立柱27的导轨34上直线运动；旋转油缸25两端分别铰接连接在水平拉伸油缸24和立柱27上，通过活塞杆长度的变化，实现绝缘夹钳32在垂直平面上的旋转；立柱27安装在机械臂底座3上，并可调整其在机械臂底座3上的位置。
4.根据权利要求1所述的一种金属型材三维电热拉弯成形装备，其特征是，控制柜7结构为：控制箱箱体38、自阻加热电缆接口39、热电偶测温回路电缆接口40、保温丝保温回路电缆接口41组成；控制柜7通过自阻加热电缆21与型材8连接，控制型材8自阻加热过程中的通断电；通过热电偶连接电缆22与热电偶安装柱11连接，将热电偶12测得的温度采集至控制柜7，实现对保温箱6内部温度进行反馈调节；通过保温丝连接电缆23与保温丝18连接，控制整个保温箱6的预热保温，使保温箱箱体13内部尽量处于恒温状态使型材的成形效果更好。
5.根据权利要求1所述的一种金属型材三维电热拉弯成形装备，其特征是，在加工工件时，可根据材料控制成形的温度，成形的速率。
6.一种金属型材三维电热拉弯成形工艺，其特征是，
第一步，将三维热拉弯模具10安装在保温箱6内，然后保温箱6通过安装柱9与主工作台4连接；打开保温箱前盖20，将保温丝支撑板19安装于保温箱6中，然后将保温丝18放置在其上方，保温丝18通过热电偶连接电缆22与控制柜7连接；合上箱体前盖20，安装热电偶12，热电偶12通过热电偶连接电缆22与控制柜7连接；绝缘夹钳32安装在夹紧油缸33上；保温帘17通过弹性装置16安装于保温箱6侧边开口处；
第二步，打开箱体前盖20，将型材8通过侧边开口穿过保温箱6，型材8两端放置于绝缘夹钳32中，通过夹紧油缸33推动夹钳夹块31来夹紧型材8，调整绝缘夹钳32位置使型材8与三维热拉弯模具10的顶点相切；
第三步，关闭箱体前盖20，开始通电对保温箱6内部进行预热，通过控制柜7调节功率使保温箱6内温度迅速达到预定温度，温度可通过热电偶12测得，在控制柜7上读出，实现对温度的闭环控制；
第四步，对型材8进行自阻加热，通过调节控制柜7调节加热的功率使型材8温度迅速达到预定温度，达到预定温度后关闭加热电源，其中温度通过热电偶12测得；
第五步，根据三维弯曲件目标零件的形状，通过调节三维热拉弯机械臂5各个油缸活塞杆位移，使型材8实现三维拉伸弯曲，首先，水平拉伸油缸24带动绝缘夹钳32使型材8拉伸至塑性状态，随后水平弯曲油缸1带动机械臂底座3旋转，使型材8在水平面弯曲成形，当绝缘夹钳32到达预定位置后，垂直抬升油缸26带动绝缘夹钳32，使型材8在垂直平面内弯曲变形；待型材8完成弯曲成形后，扭转油缸29带动绝缘夹钳32旋转，型材8扭转的角度通过角度盘30读出，使型材8与三维热拉弯模具10贴合；最后，还可通过水平拉伸油缸24施加补拉力，进一步减小成形件的回弹变形；
整个三维拉弯扭转过程中保温帘17始终与型材8接触，以减少热量的散失；整个三维拉弯扭转过程中保温箱6内的温度通过热电偶12实时监测；
第六步，型材8完全贴模后，按工艺要求保温一段时间后打开箱体前盖20待冷却后松开绝缘夹钳32，卸载型材8；
第七步，将加工后的型材8与目标型材进行比较，若满足精度要求，加工结束，若不满足精度要求，调整绝缘夹钳32运动轨迹，降低弯曲和扭转的速率，或延长成形后的保温时间，直至获得合格成形件；
第八步，对该件进行批量生产。
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