CN110861314B - 一种改善高分子板料渐进成形质量的方法及辅助装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高分子板料成形技术领域的一种改善高分子板料渐进成形质量的方法及辅助装置，旨在解决现有技术中在高分子渐进成形过程中冷却液持续大量喷射，没有考虑成形过程中存在的温度差异，造成浪费的技术问题，中心控制器与渐进成形机床数控系统连接，中心控制器包括冷却液控制单元和流量控制单元；渐进成形机床数控系统向中心控制器实时传输加工成形角以及加工位置的数据信息，冷却液控制单元和流量控制单元根据中心控制器的指令，将冷却液通过冷却液管道输送至成形工具头。本发明还可以对工具头进行润滑，避免了加工过程中所生成的细小磨粒对制件表面产生的磨粒磨损，提高了渐进成形制件的表面质量。节省冷却液，减少浪费，对环境污染小。

Description

一种改善高分子板料渐进成形质量的方法及辅助装置

技术领域

本发明属于高分子板料成形技术领域，具体涉及一种改善高分子板料渐进成形质量的方法及辅助装置。

背景技术

板料渐进成形技术是一种快速无模柔性制造技术，该技术引入快速原型制造技术的分层制造的思想，将复杂的三维模型沿高度方向离散成若干层，并生成各等高线层上的加工轨迹，成形工具头沿等高线在二维层面上进行塑性加工，最终将板料成形出所需的制件。传统渐进成形技术主要应用于金属板材的加工，近年来这种技术逐渐开始运用于高分子板料的成形，有效拓展了高分子板材的无模柔性加工。

由于渐进成形其特殊的加工方式，成形工具头与板料的接触方式为点接触，成形工具头在成形力的作用下对板料进行变薄拉延，成形区域的材料在工具头的作用下沿着工件轴向作剪切流动，板料厚度会减薄，因此板料在加工过程中与成形工具头会产生剧烈的滑动摩擦，摩擦及变形产生的热量会引起对热敏性很强的高分子板料过早发生变形，导致加工件产生起皱并直接影响到表面质量。通过喷射冷却液，可以有效改善高分子板材在渐进成形中的受热、润滑及提高零件成形质量。传统加工的冷却液是采用无流量差别的持续喷射，这种方式没有考虑到高分子渐进成形零件由于不同部位的变形幅度差异所产生的温度差，且持续大量喷射也会造成大量浪费，所以对高分子板材渐进成形冷却液喷涂进行实时控制显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改善高分子板料渐进成形质量的辅助装置与方法，以解决现有技术中在高分子渐进成形过程中冷却液持续大量喷射，没有考虑成形过程中存在的温度差异，造成浪费的技术问题，其核心是根据加工制件的成形角度与变形量来确定加工件的表面温度变化，通过控制冷却液喷射时机和流量达到调节加工件温度的目的，实现改善高分子板材渐进成形制件的成形质量。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种改善高分子板料渐进成形质量的方法，包括：对零件进行三维造型设置工艺参数，并生成加工文件；在渐进成形机床上装夹好待加工的高分子板料；安装成形工具头以及中心控制器，并将冷却液管道接入冷却液存储箱；将所述加工文件输入渐进成形机床数控系统；将夹具上的中心控制器与渐进成形机床数控系统相连，实现渐进成形机床数控系统向中心控制器实时传输加工成形角以及加工位置信息，将待加工的高分子板料的固有属性参数输入渐进成形机床数控系统，中心控制器将渐进成形机床数控系统传输的数据转换为对冷却液控制单元和流量控制单元的控制信号，从而控制冷却液的释放和流量；执行加工文件，加工过程中中心控制器实时接收数控系统信息并向冷却液控制单元和流量控制单元输出控制信号，控制冷却液的开闭与冷却液的流量大小，最终完成制件的加工。

所述加工成形角与高分子板料温升的关系是：

式中，ΔT为在某成形角的高分子板料温度升高值，K为高分子板料的热膨胀系数，C为该高分子板料的比热容，t₀为板料原始厚度，μ为刀具头与该高分子板料的滑动摩擦系数，θ表示加工成形角，r表示加工工具头半径，h表示板料瞬时变形时厚度为dx的单元体沿轴向滑移的距离，σ_s为板料的平均应力，ε为板料的平均应变。

所述冷却液控制单元在获得角度信息时，自动判断出该角度的升温，并设置提前量喷涂冷却液，喷射温度为：

T＝T_S-M (2)

式中，T_S为该高分子板料的起皱温度，M为根据材料热敏性确定的提前量，T为喷射温度，当高分子板料的温度达到T时，冷却液开始喷射。

所述的中心控制器将所述渐进成形机床数控系统传输的数据转换为对冷却液控制单元的控制信号，其控制方程如下：

式中，T₀为加工时的室温，F是冷却液控制单元的工作状态，F＝0是冷却液关闭，F＝1时冷却液打开。

所述的流量控制单元根据所述渐进成形机床数控系统向所述中心控制器实时传输的加工成形角来设定冷却液的喷射流量，流量控制单元根据加工成形角给出的喷射流量的控制方程如下：

式中，Q为冷却液控制单元根据接收的加工成形角控制信号控制流出的冷却液的流量；k为经验系数。

所述加工成形角为0°～90°。

一种改善高分子板料渐进成形质量的辅助装置，包括成形工具头，所述成形工具头通过所述工具头夹具夹紧，所述工具头夹具上设置中心控制器，所述中心控制器与渐进成形机床数控系统连接，所述中心控制器包括冷却液控制单元和流量控制单元；所述渐进成形机床数控系统向所述中心控制器实时传输加工成形角以及加工位置的数据信息，所述冷却液控制单元和流量控制单元根据所述中心控制器的指令，将冷却液通过冷却液管道输送至所述成形工具头。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明采用数控机床和流量控制单元进行调控，可以根据零件的成形角度适时且适量的喷射冷却液，从而提升表面质量，与传统渐进成形人工手动喷射的方式相比，流量更加精确，喷射时机更好，并且可以节省冷却液的使用，减少不必要的浪费以及对环境的污染。此外，本发明不仅可以在加工过程中对工具头接触部分进行冷却，还可以对工具头进行润滑，避免了加工过程中所生成的细小磨粒对制件表面产生的磨粒磨损，进一步的提高了渐进成形制件的表面质量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种改善高分子板料渐进成形质量的辅助装置的三维结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种改善高分子板料渐进成形质量的辅助装置的主视图；

图3是图2的左视图；

图4是渐进成形成形角θ示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种改善高分子板料渐进成形质量的方法，包括以下步骤：

(1)对零件进行三维造型设置工艺参数，并生成NC加工文件；

(2)在渐进成形机床上装夹好将待加工的高分子板料；

(3)装夹完成后，安装渐进成形工具头以及中心控制器，并将中心控制器上的冷却液控制单元与流量控制单元接入冷却液存储箱；

(4)启动渐进成形机床，移动机床X、Y轴沿着压板侧边进行对刀操作，移动机床Z轴靠近工件进行Z轴方向对刀操作；

(5)将所述NC加工文件输入渐进成形机床控制系统；

(6)将夹具上的中心控制器与渐进成形机床数控系统相连，实现机床数控系统向中心控制器实时传输加工成形角以及加工位置信息，将加工板料的固有属性参数输入机床数控系统，中心控制器将机床数控系统传输的数据转换为对冷却液控制单元和流量控制单元的控制信号，从而控制冷却液的释放和流量；

冷却液控制单元可以根据渐进成形机床数控系统向中心控制器实时传输的加工成形角θ(0°～90°)来控制冷却液的喷涂时机，研究表明，成形角越大，制件变形及减薄越厉害，表面摩擦也越剧烈，产生的热量也就越大，高分子板材的温度上升就越多，而温度上升量和成形角存在以下关系：

式中，ΔT为在某成形角的高分子板料温度升高值，单位为摄氏度(℃)，K为高分子板料的热膨胀系数，C为该高分子板料的比热容，t₀为板料原始厚度，μ为刀具头与该高分子板料的滑动摩擦系数，θ表示加工成形角，r表示加工工具头半径，h表示板料瞬时变形时厚度为dx的单元体沿轴向滑移的距离，σ_s为板料的平均应力，ε为板料的平均应变；

在高分子板材渐进成形过程中，冷却液控制单元接收到成形角θ信息，依据上述模型自动判断出该角度的升温，并设置提前量喷涂冷却液。喷射温度为：

T＝T_S-M (2)

式中，T_S为该高分子板料的起皱温度，M为根据材料热敏性确定的提前量，T为喷射温度，单位为摄氏度(℃)，当高分子板料的温度达到T时，冷却液开始喷射；

中心控制器将渐进成形机床数控系统传输的数据转换为对冷却液控制单元的控制信号，其控制方程如下：

式中，T₀为加工时的室温，单位为摄氏度(℃)，F是冷却液控制单元的工作状态，F＝0是冷却液关闭，F＝1时冷却液打开；

流量控制单元根据渐进成形机床数控系统向中心控制器实时传输的加工成形角θ(0°～90°)来设定冷却液的喷射流量，由于成形角度越大，制件减薄越严重，表面摩擦越剧烈，因此，加工时制件的成形角度越大冷却液的喷射量也就越多。流量控制器根据角度给出的喷射流量的控制方程如下：

式中，Q为冷却液控制单元根据接收的加工成形角控制信号控制流出的冷却液的流量，单位为毫升/秒(mL/s)；k为经验系数，取值在0.66～1之间；

(7)执行NC加工文件，加工过程中中心控制器实时接收数控系统信息并向冷却液控制单元和流量控制单元输出控制信号，控制冷却液的开闭与冷却液的流量大小，最终完成制件的加工。本发明采用数控机床和流量控制单元进行调控，可以根据零件的成形角度适时且适量的喷射冷却液，从而提升表面质量，与传统渐进成形人工手动喷射的方式相比，流量更加精确，喷射时机更好，并且可以节省冷却液的使用，减少不必要的浪费以及对环境的污染。此外，本发明不仅可以在加工过程中对工具头接触部分进行冷却，还可以对工具头进行润滑，避免了加工过程中所生成的细小磨粒对制件表面产生的磨粒磨损，进一步的提高了渐进成形制件的表面质量。

如图1～图4所示，基于上述方法，本发明提供一种改善高分子板料渐进成形质量的辅助装置，包括成形工具头1、工具头夹具2、中心控制器3、冷却液控制单元4、流量控制单元5以及冷却液管道6，成形工具头1通过工具头夹具2夹紧，工具头夹具2上设置中心控制器3，中心控制器3与渐进成形机床数控系统连接，中心控制器3上设有冷却液控制单元和流量控制单元；渐进成形机床数控系统向中心控制器3实时传输加工成形角θ以及加工位置的数据信息，冷却液控制单元4和流量控制单元5根据中心控制器3的指令，将冷却液通过冷却液管道6输送至成形工具头1。冷却液管道6上部与冷却液存储箱相连，中间部分依次经过冷却液控制单元和流量控制单元，利用重力输送冷却液，其下部出口处贴近成形工具头，使得冷却液可以滴定在工具头上。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种改善高分子板料渐进成形质量的方法，其特征是，包括：

对零件进行三维造型设置工艺参数，并生成加工文件；

在渐进成形机床上装夹好待加工的高分子板料；

安装成形工具头以及中心控制器，并将冷却液管道接入冷却液存储箱；

将所述加工文件输入渐进成形机床数控系统；

将夹具上的中心控制器与渐进成形机床数控系统相连，实现渐进成形机床数控系统向中心控制器实时传输加工成形角以及加工位置信息，将待加工的高分子板料的固有属性参数输入渐进成形机床数控系统，中心控制器将渐进成形机床数控系统传输的数据转换为对冷却液控制单元和流量控制单元的控制信号，从而控制冷却液的释放和流量；

执行加工文件，加工过程中中心控制器实时接收数控系统信息并向冷却液控制单元和流量控制单元输出控制信号，控制冷却液的开闭与冷却液的流量大小，最终完成制件的加工；

所述加工成形角与高分子板料温升的关系是：

式中，ΔT为在某成形角的高分子板料温度升高值，K为高分子板料的热膨胀系数，C为该高分子板料的比热容，t₀为板料原始厚度，μ为刀具头与该高分子板料的滑动摩擦系数，θ表示加工成形角，r表示加工工具头半径，h表示板料瞬时变形时厚度为dx的单元体沿轴向滑移的距离，σ_s为板料的平均应力，ε为板料的平均应变。

2.根据权利要求1所述的改善高分子板料渐进成形质量的方法，其特征是，所述冷却液控制单元在获得角度信息时，自动判断出该角度的升温，并设置提前量喷涂冷却液，喷射温度为：

T＝T_S-M (2)

式中，T_S为该高分子板料的起皱温度，M为根据材料热敏性确定的提前量，T为喷射温度，当高分子板料的温度达到T时，冷却液开始喷射。

3.根据权利要求1所述的改善高分子板料渐进成形质量的方法，其特征是，所述的中心控制器将所述渐进成形机床数控系统传输的数据转换为对冷却液控制单元的控制信号，其控制方程如下：

式中，T₀为加工时的室温，F是冷却液控制单元的工作状态，F＝0是冷却液关闭，F＝1时冷却液打开，T为喷射温度。

4.根据权利要求1所述的改善高分子板料渐进成形质量的方法，其特征是，所述的流量控制单元根据所述渐进成形机床数控系统向所述中心控制器实时传输的加工成形角来设定冷却液的喷射流量，流量控制单元根据加工成形角给出的喷射流量的控制方程如下：

式中，Q为冷却液控制单元根据接收的加工成形角控制信号控制流出的冷却液的流量；k为经验系数，取值在0.66～1之间。

5.根据权利要求1所述的改善高分子板料渐进成形质量的方法，其特征是，所述加工成形角为0°～90°。

6.一种改善高分子板料渐进成形质量的辅助装置，其特征是，采用权利要求1～5任一项所述的改善高分子板料渐进成形质量的方法，包括成形工具头，所述成形工具头通过所述工具头夹具夹紧，所述工具头夹具上设置中心控制器，所述中心控制器与渐进成形机床数控系统连接，所述中心控制器包括冷却液控制单元和流量控制单元；所述渐进成形机床数控系统向所述中心控制器实时传输加工成形角以及加工位置的数据信息，所述冷却液控制单元和流量控制单元根据所述中心控制器的指令，将冷却液通过冷却液管道输送至所述成形工具头。

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