CN110405042A - 一种移动式加热的蒙皮拉形设备及拉形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动式加热的蒙皮拉形设备及拉形方法。该设备至少包括拉形模具、拉形夹钳、移动式加热单元和拉力即时调控单元，所述拉形模具固定在模具安装座上，所述拉形夹钳通过升降式夹钳安装座设在所述拉形模具的两侧，所述移动式加热单元设在所述拉形模具的外周，所述移动式加热单元包括三维移动机构以及安装在其上的加热元件和测温仪，所述三维移动机构可带动所述加热元件和测温仪在所述拉形模具上部及其周边移动，用于在蒙皮拉形时进行加热和温度采集，所述加热元件和所述测温仪连接并与所述拉力即时调控单元进行数据信息传输，所述拉力即时调控单元连接并控制所述升降式夹钳安装座升降运动。

Description

一种移动式加热的蒙皮拉形设备及拉形方法

技术领域

本发明涉及板材热成形技术领域，特别是涉及一种移动式加热的蒙皮拉形设备及拉形方法。

背景技术

蒙皮拉形技术是钣金成形领域一项重要技术。拉形工艺的主要原理如图1所示。拉形模具固定于可上下移动的压力平台上，分布于两侧的夹钳夹持住板料，通过上移模具来实现板料成形。也有另外一种形式，拉形模具不动，液压缸分布在两侧的夹持端，工作时夹持端下移，板料成形。为了提高拉形精度，减少缺陷，国内外近些年对于拉形加载轨迹及加载参数进行了一系列研究。目前蒙皮拉形技术主要应用于飞机蒙皮等大尺寸、变曲率的覆盖件，针对的材料主要是铝合金、不锈钢等一些屈服强度较低、σ_0.2/E较小的材料。

近年来钛合金等屈强比高的蒙皮类零件在航空航天领域应用的越来越多，这些零件多采用偶合模具热成形的工艺制造，但限于热成形机的平台尺寸，液压结构等原因，无法满足大尺寸的钛合金钣金零件的制造。采用蒙皮拉形的方法成形钛合金材料的覆盖件，突出的问题就是拉形后的零件回弹严重。尤其是对于近年来高铝含量的高强度钛合金，常温下几乎不能成形。

因此，针对钛合金等高强度板材无法在常温环境下有效拉形的难题，发明人设计了一种移动式加热的蒙皮拉形设备及拉形方法，提高该类材料的蒙皮拉形精度。

发明内容

本发明实施例提供了一种移动式加热的蒙皮拉形设备及拉形方法，解决了钛合金等高强度板材无法在常温环境下拉形的难题，提高了该类材料的蒙皮拉形精度。

第一方面，本发明的实施例提出了一种移动式加热的蒙皮拉形设备，该设备包括拉形模具、拉形夹钳、移动式加热单元和拉力即时调控单元，所述拉形模具固定在模具安装座上，所述拉形夹钳通过升降式夹钳安装座设在所述拉形模具的两侧，所述移动式加热单元设在所述拉形模具的外周，所述移动式加热单元包括三维移动机构以及安装在其上的加热元件和测温仪，所述三维移动机构可带动所述加热元件和测温仪在所述拉形模具上部及其周边移动，用于在蒙皮拉形时进行加热和温度采集，所述加热元件和所述测温仪连接并与所述拉力即时调控单元进行数据信息传输，所述拉力即时调控单元连接并控制所述升降式夹钳安装座升降运动。

进一步地，所述三维移动机构包括X轴移动滑块、Y轴移动滑块和Z轴移动滑块，2个所述Z轴移动滑块安装在Z向升降导柱上，能同步沿Z向升降运动，且2个所述Z轴移动滑块之间通过Y向滑轨连接，所述Y轴移动滑块可移动地设在所述Y向滑轨上，所述X轴移动滑块通过X向滑轨设在所述Y轴移动滑块上，所述加热元件和测温仪均设在所述X轴移动滑块上。

进一步地，所述加热元件设置在所述X轴移动滑块指向所述拉形模具的端部，所述加热元件采用阵列式加热头，即多个加热头呈阵列式均布设置，且加热面朝向成形加热区。

进一步地，所述测温仪设在所述X轴移动滑块的加热端，其安装面与加热元件的安装面不同，所述测温仪采用非接触式红外线测温仪，用于采集成形加热区处的温度数据。

进一步地，所述阵列式加热头通过温控电路与所述拉力即时调控单元连接，所述测温仪通过温度数据传输线与所述拉力即时调控单元连接。

进一步地，所述拉力即时调控单元包括温度-拉力调控系统和拉力-液压调控系统，所述温度-拉力调控系统上预设有成形材料的温度与拉力对应关系曲线的数据集，所述拉力-液压调控系统上预设有拉力与液压调控指令对应关系的数据集，所述拉力即时调控单元基于测温仪采集的温度数据获得蒙皮拉形的拉力，并根据拉力调控驱动所述升降式夹钳安装座升降运动的液压流量。

进一步地，两侧的所述升降式夹钳安装座的底部均设有液压缸，所述拉力-液压调控系统通过主缸数据输出线连接并调控所述液压缸升降运动。

第二方面，提供了一种采用第一方面所述设备的蒙皮拉形方法，该方法包括：

通过拉力即时调控单元调控升降式夹钳安装座的升降高度，使拉形夹钳与模具最高点处于同一高度；

将待拉形的蒙皮板料放在拉形模具的上方，通过两侧的拉形夹钳将蒙皮板料两端夹紧，调整夹紧力，使毛坯在成形过程中不会松脱；

通过拉力即时调控单元调控液压缸下移，使蒙皮板料在拉形夹钳于拉形模具的作用下预成形；

通过控制移动式加热单元的三维移动机构运动，调整加热元件和测温仪相对于蒙皮板料的位置，使加热元件/测温仪与板料的距离在合适的加热范围内，并使加热区处于板料的变形区域；

通过加热元件对蒙皮板料进行加热，同时测温仪对加热区域采集温度数据，并将温度数据传输至拉力即时调控单元；

拉力即时调控单元通过温度-拉力调控系统和拉力-液压调控系统对温度数据进行处理，并将处理结果输出反馈给液压缸升降相应高度，从而带动拉形夹钳对蒙皮板料拉形，拉形完成后，待温度降至常温时，将成形的蒙皮卸下。

进一步地，所述方法还包括：拉力即时调控单元输入蒙皮材料的温度与拉力对应关系曲线的数据集，其中，拉力的计算公式为F=δbS，式中，F为蒙皮拉形的拉力，δb为蒙皮材料的屈服强度，S为蒙皮板料的变形面积，当蒙皮材质为钛合金时，温度数据取100℃—900℃区间，每间隔50℃取一组温度数据。

进一步地，为防止蒙皮板料在高温下过度氧化，在拉形前，在蒙皮板料表面需涂覆防氧化涂料。

综上，本发明的进步点有：

1、基于移动式加热单元采集的成形区域的温度数据，拉力即时调控单元能够自动调节拉形夹钳上拉力大小，减小成形工程中不正确的夹持力造成工件的起皱、减薄或开裂的可能，提高零件的成形精度；

2、该设备的移动式加热单元可在X、Y、Z方向调节位置，能够针对材料变形量的不同调节加热位置及分区加热；

3、相比热电偶等通过测量模具温度来推断材料温度的间接测温拉形工艺，本发明的加热元件能够准确对加热位置进行加热，采用测温仪能即时测温，且更便捷准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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是模具移动式的蒙皮拉形成形原理示意图。

图2是本发明实施例的一种移动式加热的蒙皮拉形设备示意图。

图中：1-测温仪；2-X轴移动滑块； 3-Y轴移动滑块；4-Z轴移动滑块；5-温度数据传输线；6-拉力即时调控单元；7-主缸数据输出线；8-液压缸Ⅰ；9-液压缸Ⅱ；10-拉形模具；11-模具安装座；12-拉形夹钳；13-升降式夹钳安装座；14-加热元件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示的一种移动式加热的蒙皮拉形设备，该设备至少包括了拉形模具10、拉形夹钳12、移动式加热单元和拉力即时调控单元6。所述拉形模具10固定在模具安装座11上，所述拉形夹钳12通过升降式夹钳安装座13设在所述拉形模具10的两侧，所述移动式加热单元设在所述拉形模具10的外周，所述移动式加热单元包括三维移动机构以及安装在其上的加热元件14和测温仪1，所述三维移动机构可带动所述加热元件14和测温仪1在所述拉形模具10上部及其周边移动，用于在蒙皮拉形时进行加热和温度采集，所述加热元件14和所述测温仪1连接并与所述拉力即时调控单元6进行数据信息传输，所述拉力即时调控单元6连接并控制所述升降式夹钳安装座13升降运动。

作为一种优选实施例，所述三维移动机构包括可横向移动的X轴移动滑块2、可纵向移动的Y轴移动滑块3和可沿竖直轴移动的Z轴移动滑块4，其中有2个所述Z轴移动滑块4安装在Z向升降导柱上，能同步沿Z向升降运动，且2个所述Z轴移动滑块4之间通过Y向滑轨连接，所述Y轴移动滑块3可移动地设在所述Y向滑轨上，所述X轴移动滑块2通过X向滑轨设在所述Y轴移动滑块3上，所述加热元件14和测温仪1均设在所述X轴移动滑块2上。通过设置三维移动机构，通过灵活的控制其在三维方向移动，实现了对移动式加热单元的位置控制，使加热元件和测温仪处于蒙皮拉形区域中，便于进行加热和温度采集。

进一步地，所述加热元件14设置在所述X轴移动滑块2指向所述拉形模具10的端部，所述加热元件14采用阵列式加热头，即多个加热头呈阵列式均布设置，且加热面朝向成形加热区。

进一步地，所述测温仪1设在所述X轴移动滑块2的加热端，其安装面与加热元件14的安装面不同，本实施例中，在加热头的两侧均设有一个红外线测温仪，采用非接触式测温，用于采集成形加热区处的温度数据。

需要说明的是，所述阵列式加热头通过温控电路与所述拉力即时调控单元6连接，所述测温仪1通过温度数据传输线5与所述拉力即时调控单元6连接。

作为另一种优选实施例，所述拉力即时调控单元6包括温度-拉力调控系统和拉力-液压调控系统（图中未示出），所述温度-拉力调控系统上预设有成形材料的温度与拉力对应关系曲线的数据集，所述拉力-液压调控系统上预设有拉力与液压调控指令对应关系的数据集，所述拉力即时调控单元6基于测温仪采集的温度数据获得蒙皮拉形的拉力，并根据拉力调控用于驱动所述升降式夹钳安装座13升降运动的液压流量。温度拉力曲线作为输入数据为拉力调节提供了拉力大小的指令，拉伸过程中因为温度的变化自动更新输入数据，形成了温度—拉力持续的闭环控制。

两侧的所述升降式夹钳安装座13的底部均设有液压缸（参见图2所示的液压缸Ⅰ8和液压缸Ⅱ9），所述拉力-液压调控系统通过主缸数据输出线7连接并调控所述液压缸升降运动，从而实现对拉形夹钳升降高度的调控，即实现对蒙皮拉形时拉力的调控。

第二方面，本发明还提供了一种采用第一方面所述设备的蒙皮拉形方法，该拉形方法的方案如下：

首先，计算出待拉形蒙皮板料的包覆面积，并将不同温度下成形材料的屈服强度换算成拉形的拉力，具体到钛合金而言，温度数据取100℃—900℃区间，每50℃取一组温度—屈服强度数据（即，T—δ_b数据），通过钛合金标准试样高温试验可获得多组温度及屈服强度数据。实践中可通过实验结果修正温度—拉力数据集，进一步提高成形精度。然后，根据拉力的计算公式为F=δ_bS（式中，F为蒙皮拉形的拉力，δ_b为蒙皮材料的屈服强度，S为蒙皮板料的变形面积），进而获得温度—拉力曲线数据集。将温度—拉力曲线输入设备的拉力即时调控单元6中。成形前，为防止板料在高温下过度氧化，拉形前板料表面需涂覆防氧化涂料。成形时，启动设备的拉形夹钳12夹紧板料两端，液压缸带动升降式夹钳安装座13下移，使蒙皮板料包覆于拉形模具10上，开启并通过三维移动机构带动移动式加热单元在三维方向移动，使其上的加热元件14对准板料的变形区域加热，同时采用红外线测温仪1对加热区域进行测温，并将测量的温度值通过温度数据传输线5实时传输到拉力即时调控单元6，拉力即时调控单元6根据事先输入的温度—拉力曲线通过主缸拉力输出线7输出拉力指令控制液压缸升降，实现对设备的拉形夹钳的拉力调节，拉形夹钳在变化的拉力下实现拉形运动轨迹的变化，直至蒙皮拉形结束。待板料温度降至常温后，卸下蒙皮零件。

以钛合金材质的蒙皮拉形为例说明，拉形方法至少包括以下操作步骤：

步骤S110：通过拉力即时调控单元调控升降式夹钳安装座的升降高度，使拉形夹钳与模具最高点处于同一高度；

步骤S120：将待拉形的蒙皮板料放在拉形模具的上方，通过两侧的拉形夹钳将蒙皮板料两端夹紧，调整夹紧力，使毛坯在成形过程中不会松脱；

步骤S130：通过拉力即时调控单元调控液压缸下移，使蒙皮板料在拉形夹钳于拉形模具的作用下预成形；

步骤S140：通过控制移动式加热单元的三维移动机构运动，调整加热元件和测温仪相对于蒙皮板料的位置，使加热元件/测温仪与板料的距离在合适的加热范围内，并使加热区处于板料的变形区域；

步骤S150：通过加热元件对蒙皮板料进行加热，同时测温仪对加热区域采集温度数据，并将温度数据传输至拉力即时调控单元；

步骤S160：拉力即时调控单元通过温度-拉力调控系统和拉力-液压调控系统对温度数据进行处理，并将处理结果输出反馈给液压缸升降相应高度，从而带动拉形夹钳对蒙皮板料拉形，拉形完成后，待温度降至常温时，将成形的蒙皮卸下。

此外，在步骤S120的拉形方法前还可以包括：预先在拉力即时调控单元输入蒙皮材料的温度与拉力对应关系曲线的数据集，其中，拉力的计算公式为F=δ_bS，式中，F为蒙皮拉形的拉力，δ_b为蒙皮材料的屈服强度，S为蒙皮板料的变形面积，当蒙皮材质为钛合金时，温度数据取100℃—900℃区间，每间隔50℃取一组温度数据。

需要说明的是，为防止蒙皮板料在高温下过度氧化，在拉形前，在蒙皮板料表面需涂覆防氧化涂料。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种移动式加热的蒙皮拉形设备，其特征在于，包括拉形模具、拉形夹钳、移动式加热单元和拉力即时调控单元，所述拉形模具固定在模具安装座上，所述拉形夹钳通过升降式夹钳安装座设在所述拉形模具的两侧，所述移动式加热单元设在所述拉形模具的外周，所述移动式加热单元包括三维移动机构以及安装在其上的加热元件和测温仪，所述三维移动机构可带动所述加热元件和测温仪在所述拉形模具上部及其周边移动，用于在蒙皮拉形时进行加热和温度采集，所述加热元件和所述测温仪连接并与所述拉力即时调控单元进行数据信息传输，所述拉力即时调控单元连接并控制所述升降式夹钳安装座升降运动。

2.根据权利要求1所述的移动式加热的蒙皮拉形设备，其特征在于，所述三维移动机构包括X轴移动滑块、Y轴移动滑块和Z轴移动滑块，2个所述Z轴移动滑块安装在Z向升降导柱上，能同步沿Z向升降运动，且2个所述Z轴移动滑块之间通过Y向滑轨连接，所述Y轴移动滑块可移动地设在所述Y向滑轨上，所述X轴移动滑块通过X向滑轨设在所述Y轴移动滑块上，所述加热元件和测温仪均设在所述X轴移动滑块上。

3.根据权利要求2所述的移动式加热的蒙皮拉形设备，其特征在于，所述加热元件设置在所述X轴移动滑块指向所述拉形模具的端部，所述加热元件采用阵列式加热头，即多个加热头呈阵列式均布设置，且加热面朝向成形加热区。

4.根据权利要求3所述的移动式加热的蒙皮拉形设备，其特征在于，所述测温仪设在所述X轴移动滑块的加热端，其安装面与加热元件的安装面不同，所述测温仪采用非接触式红外线测温仪，用于采集成形加热区处的温度数据。

5.根据权利要求3所述的移动式加热的蒙皮拉形设备，其特征在于，所述阵列式加热头通过温控电路与所述拉力即时调控单元连接，所述测温仪通过温度数据传输线与所述拉力即时调控单元连接。

6.根据权利要求1-5任一项所述的移动式加热的蒙皮拉形设备，其特征在于，所述拉力即时调控单元包括温度-拉力调控系统和拉力-液压调控系统，所述温度-拉力调控系统上预设有成形材料的温度与拉力对应关系曲线的数据集，所述拉力-液压调控系统上预设有拉力与液压调控指令对应关系的数据集，所述拉力即时调控单元基于测温仪采集的温度数据获得蒙皮拉形的拉力，并根据拉力调控驱动所述升降式夹钳安装座升降运动的液压流量。

7.根据权利要求6所述的移动式加热的蒙皮拉形设备，其特征在于，两侧的所述升降式夹钳安装座的底部均设有液压缸，所述拉力-液压调控系统通过主缸数据输出线连接并调控所述液压缸升降运动。

8.一种采用权利要求7所述设备的蒙皮拉形方法，其特征在于，所述蒙皮拉形方法包括：

通过拉力即时调控单元调控升降式夹钳安装座的升降高度，使拉形夹钳与模具最高点处于同一高度；

将待拉形的蒙皮板料放在拉形模具的上方，通过两侧的拉形夹钳将蒙皮板料两端夹紧，调整夹紧力，使毛坯在成形过程中不会松脱；

通过拉力即时调控单元调控液压缸下移，使蒙皮板料在拉形夹钳于拉形模具的作用下预成形；

通过控制移动式加热单元的三维移动机构运动，调整加热元件和测温仪相对于蒙皮板料的位置，使加热元件/测温仪与板料的距离在合适的加热范围内，并使加热区处于板料的变形区域；

通过加热元件对蒙皮板料进行加热，同时测温仪对加热区域采集温度数据，并将温度数据传输至拉力即时调控单元；

拉力即时调控单元通过温度-拉力调控系统和拉力-液压调控系统对温度数据进行处理，并将处理结果输出反馈给液压缸升降相应高度，从而带动拉形夹钳对蒙皮板料拉形，拉形完成后，待温度降至常温时，将成形的蒙皮卸下。

9.根据权利要求8所述的蒙皮拉形方法，其特征在于，所述蒙皮拉形方法还包括：预先在拉力即时调控单元输入蒙皮材料的温度与拉力对应关系曲线的数据集，其中，拉力的计算公式为F=δ_bS，式中，F为蒙皮拉形的拉力，δ_b为蒙皮材料的屈服强度，S为蒙皮板料的变形面积，当蒙皮材质为钛合金时，温度数据取100℃—900℃区间，每间隔50℃取一组温度数据。

10.根据权利要求8所述的蒙皮拉形方法，其特征在于，所述蒙皮拉形方法还包括：为防止蒙皮板料在高温下过度氧化，在拉形前，在蒙皮板料表面需涂覆防氧化涂料。