CN112355142A - 一种超材料结构单元加工装置、设备及方法 - Google Patents

一种超材料结构单元加工装置、设备及方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种超材料结构单元加工装置、设备及方法，涉及负泊松比材料工装，包括相对设置的压板和底板，压板上布置有至少两个导向孔，每个导向孔内均对应滑动连接凸模，底板对应凸模沿导向孔滑动的移动路径上设有凹模，压板与底板之间形成送料通道，每个凸模配合对应凹模形成用于加工送料通道内物料的一组模具，依据三维超材料细胞单元结构思路，将超材料结构分为多个结构单元，通过设计模具对原材料进行挤压、剪切成形，得到满足超材料结构的结构单元的目的，解决了传统加工方式存在的精度低、效率低的问题。

Description

一种超材料结构单元加工装置、设备及方法
技术领域
本公开涉及负泊松比材料工装，特别涉及一种超材料结构单元加工装置、设备及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
超材料是指材料或者结构具有负泊松比，即当超材料进行拉伸时横向上膨胀或压缩时横向上收缩。超材料的负泊松比效应，能够增加材料的剪切模量、断裂韧性、吸收能量、抗压阻力等性能。这些优异的性能使得超材料被应用到许多领域，如航空航天、防护、生物医学、传感器等方面。
发明人发现，目前针对存在负泊松比效应的超材料进行加工时，多采用3D打印、线切割等方式实现，通过3D打印增材制造打印，得到具有负泊松比效应的超材料元件；通过线切割方式对板材进行切割加工得到结构单元然后进行组合得到具有负泊松比效应的元件；但是以上加工方式生产效率低下，且对物料存在限制，比如3D打印需要处于液态的物料，而线切割需要采用导体板件，对于一般的板件材料并不能实现有效的加工，并且受限于3D打印的精度和线切割精度，所制作的超材料元件存在结构缺陷的问题。
发明内容
本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种超材料结构单元加工装置、设备及方法，依据三维超材料细胞单元结构思路，将超材料结构分为多个结构单元，通过设计模具对原材料进行挤压、剪切成形，得到满足超材料结构的结构单元的目的，解决了传统加工方式存在的精度低、效率低的问题。
本公开的第一目的是提供一种超材料结构单元加工装置，采用以下技术方案：
包括相对设置的压板和底板，压板上布置有至少两个导向孔，每个导向孔内均对应滑动连接凸模，底板对应凸模沿导向孔滑动的移动路径上设有凹模，压板与底板之间形成送料通道，每个凸模配合对应凹模形成用于加工送料通道内物料的一组模具。
进一步地，所述导向孔沿物料进给方向依次间隔分布，对应的多个凸模一一配合导向孔，且沿物料进给方向依次间隔分布。
进一步地，所述凸模一端朝向凹模，另一端均连接在安装板上，安装板接受外力作用同步驱动所有凸模沿对应导向孔往复滑动。
进一步地，所述凹模配合凸模形成至少两组模具，所有模具沿物料进给方向依次间隔布置，用于对物料进行冲压成形。
进一步地，不同组模具的结构不同，对物料进行不同的特征加工并排料。
进一步地，所述压板与底板之间安装有回位弹性件，压板在外力作用下挤压回位弹性件改变与底板的间距。
本公开的第二目的是提供一种超材料结构单元加工设备，利用如上所述的超材料结构单元加工装置，不同的超材料结构单元加工装置对应加工输出不同特征的单元。
本公开的第三目的是提供一种超材料结构单元加工方法，利用如上所述的超材料结构单元加工装置，包括以下步骤：
送料通道接收物料并沿送料通道移动；
物料到达第一组模具后，凸模沿导向孔朝向凹模移动，对物料第一加工位置进行第一特征加工；
待加工完成后，进给物料，使第二组模具对第一加工位置进行第二特征加工；重复模具对物料的加工和物料进给过程，直至最后一个特征完成；
经过加工的单元从最后一个凹模处排出。
进一步地，当物料第一加工位置进行第二特征加工时，第二加工位置处于第一组模具处进行第一特征加工，每个模具对物料的所有加工位置依次进行特征加工。
进一步地，物料间歇进给，在凸模不接触物料时，沿进给方向移动设定距离，调整其加工位置。
与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：
(1)依据三维超材料细胞单元结构思路，将超材料结构分为多个结构单元，通过设计模具对原材料进行挤压、剪切成形，得到满足超材料结构的结构单元的目的，解决了传统加工方式存在的精度低、效率低的问题；
(2)采用连续冲压的方式进行结构单元的生产加工，压板弹簧采用回位弹性件布置，在凸模下压时能够减小压板与底板的间距从而对物料进行压紧，增大零件生产时的压紧力，并在回程过程中自动回位，方便物料的进给，压紧、回位和进给过程相互协调，提高生产效率；
(3)多个特征凸模依次布置，分别对应的凹模形成多组特征模具，对进给的模具依次进行特征加工，同步工作的多个模具配合逐步进给的物料，能够实现连续冲压和单元的连续输出。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1、2、3中单元加工装置的整体结构示意图；
图2为本公开实施例1、2、3中物料与加工装置配合工作的示意图；
图3为本公开实施例1、2、3中第一凸模的结构示意图；
图4是本公开实施例1、2、3中第二凸模的结构示意图；
图5是本公开实施例1、2、3中底板及第一凹模的结构示意图；
图6是本公开实施例1、2、3中压板和底板配合的结构示意图；
图7是本公开实施例1、2、3中第一凸模、第二凸模配合安装板的示意图；
图8是本公开实施例1、2、3中第三凸模的结构示意图；
图9是本公开实施例1、2、3中第四凸模的结构示意图；
图10是本公开实施例1、2、3中底板及第二凹模的结构示意图；
图11是本公开实施例1、2、3中第三凸模、第四凸模配合安装板的示意图；
图12是本公开实施例1、2、3中成品第一结构单元的结构示意图；
图13是本公开实施例1、2、3中成品第二结构单元的结构示意图。
图中，1、压板，2、底板，3、送料通道，4、第一凸模，5、第二凸模，6、安装板，7、弹簧，8、支脚，9、导向杆，10、导向孔，11、结构单元，12、第一凹模，13、第三凸模，14、第四凸模，15、第二凹模。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
正如背景技术中所介绍的，现有技术中加工方式生产效率低下，且对物料存在限制，比如3D打印需要处于液态的物料，而线切割需要采用导体板件，对于一般的板件材料并不能实现有效的加工；针对上述问题，本公开提出了一种超材料结构单元加工装置、设备及方法。
实施例1
本公开的一种典型的实施方式中，如图1-图13所示，提出了一种超材料结构单元加工装置。
主要包括模具、压板1和底板2，模具包括凸模和凹模，凸模和凹模配合，凸模相对于凹模运动对板件物料进行加工，通过冲压剪切成形的方式对板件进行相应特征的加工；
多组模具分别对应加工不同的特征，并在最后一组模具的作用下，将结构单元11从板件上取下，得到满足需求的结构单元。
对于压板和底板，二者相对设置，其中间留有间隙，形成送料通道3，压板上设有配合凸模的导向孔10，凸模与导向孔一一对应滑动配合，凸模能够在外力作用下沿导向孔轴向滑动，从而改变与底板的相对位置，进入并穿过送料通道或从送料道位置抽出；
在凸模进入送料通道的过程中，若送料通道内具有板件，则在压力作用下凸模对板件的加工位置进行冲压成形；
底板上设有凹模，凹模布置在底板上，且位于凸模沿导向孔滑动的移动路径上，从而使得凸模与凹模能够相互配合。
具体的，压板上布置有至少两个导向孔，每个导向孔内均对应滑动连接凸模，底板对应凸模沿导向孔滑动的移动路径上设有凹模，压板与底板之间形成送料通道，每个凸模配合对应凹模形成用于加工送料通道内物料的一组模具；
在本实施例中，以压板上设有两个导向孔为例，导向孔对应配合有第一凸模4和第二凸模5，底板上设有适应凸模的第一凹模12，凸模和凹模共同形成了两组模具，分别对板件进行不同特征的加工，最后进行排料，输出所需的结构单元。
当然，可以理解的是，根据结构单元的特征数目配置相应的加工步骤，并配置相应的加工次序和模具，依次对板件的加工位置进行相应的特征成形；
比如布置四个凸模，对应的在压板上布置四个导向孔，配合四个凹模，形成四组模具，四组模具依次布置，对板件依次进行特征加工后排料。
所述凹模配合凸模形成至少两组模具，所有模具沿物料进给方向依次间隔布置，用于对物料进行冲压成形；
不同组模具的结构不同，对物料进行不同的特征加工并排料。
对于导向孔的配置，导向孔沿物料进给方向依次间隔分布，对应的多个凸模一一配合导向孔，且沿物料进给方向依次间隔分布；
压板作为模具的上半支撑和导向部分，还能够在物料加工时固定物料，防止物料偏移造成生产误差；
同时压板上面带有定位孔，定位孔内配合有导向杆9，能够引导压板向底板靠近的方向，保证压板对物料的均匀夹持。
在压板的工作过程中，为了保证压板对板件的稳定压紧，对于压板和底板之间安装回位弹性件，压板在外力作用下挤压回位弹性件改变与底板的间距；
所述的回位弹性件可以采用弹簧7、簧片、压簧等弹性元件，能够满足适应压板和底板之间的间距改变即可；
压板采用回位弹簧7设计，不仅增大零件生产时的压紧力，并且在回程过程中自动回位方便进料，提高生产效率。
采用连续冲压的方式进行结构单元的生产加工，压板弹簧采用回位弹性件布置，在凸模下压时能够减小压板与底板的间距从而对物料进行压紧，增大零件生产时的压紧力，并在回程过程中自动回位，方便物料的进给，压紧、回位和进给过程相互协调，提高生产效率。
对于凸模，凸模一端朝向凹模，另一端均连接在安装板6上，安装板接受外力作用同步驱动所有凸模沿对应导向孔往复滑动；
安装板配合凸模形成整个加工装置的上半部分，安装板作为多个凸模的连接板，还能够配合外部的冲压机，为凸模的移动提供动力。
凸模和凹模为整个系统的主要工作部分，如图2所示，在本实施例中，先对板件的加工位置进行内孔冲压，保证后续能够连续冲压，然后在进给后由下一组模具进行外形冲压并排料，提高生产效率；
为了方便结构单元的排料，底板两侧配合有支脚8，将底板支起，下方形成排料通道，方便结构单元的输出。
采用高速钢制造，增大凸模和凹模工作位置处的硬度。
现有的增材制造和线切割的方式存在结构缺陷和加工误差的问题，利用冲压成形，实现连续制造加工，可以大大改善上述问题，降低生产成本。
实施例2
本公开的另一典型实施方式中，如图1-图13所示，提出了一种超材料结构单元加工设备。
利用如实施例1中所述的超材料结构单元加工装置，通过布置多组加工装置，分别配合不同的模具，输出不同结构的结构单元，对结构单元进行组合，得到所需的具有负泊松比性能的结构。
在本实施例中，第一组加工装置上安装有第一凸模和第二凸模，配合第一凹模，进行第一种结构单元的加工，通过间歇进给，实现对结构单元的连续输出；
第二组加工装置上安装有第三凸模13和第四凸模14，配合第二凹模15，进行第二种结构单元的加工，通过间歇进给，实现对第二中结构单元的连续输出。
多个特征凸模依次布置，分别对应的凹模形成多组特征模具，对进给的模具依次进行特征加工，同步工作的多个模具配合逐步进给的物料，能够实现连续冲压和单元的连续输出。
实施例3
本公开的再一典型实施方式中，如图1-图13所示，提出一种超材料结构单元加工方法。
在本实施例中，将超材料结构分成结构单元一和结构单元二，通过设计的模具对原材料进行挤压和剪切成型。
包括以下步骤：
送料通道接收物料并沿送料通道移动；
物料到达第一组模具后，凸模沿导向孔朝向凹模移动，对物料第一加工位置进行第一特征加工；
待加工完成后，进给物料，使第二组模具对第一加工位置进行第二特征加工；
当物料第一加工位置进行第二特征加工时，第二加工位置处于第一组模具处进行第一特征加工，每个模具对物料的所有加工位置依次进行特征加工；
重复模具对物料的加工和物料进给过程，物料间歇进给，在凸模不接触物料时，沿进给方向移动设定距离，调整其加工位置，直至最后一个特征完成；
经过加工的单元从最后一个凹模处排出。
依据三维超材料细胞单元结构思路，将超材料结构分为多个结构单元，通过设计模具对原材料进行挤压、剪切成形，得到满足超材料结构的结构单元的目的，解决了传统加工方式存在的精度低、效率低的问题。
具体的，结合实施例1，以两个凸模形成两组模具为例，对其工作过程进行详细描述；
超材料结构单元制造的系统如图2所示，它由冲内孔和冲外形步骤工艺组成。
在第一步中，物料在开始进行冲压之前先打定位孔，然后在模具中通过定位销和定位孔的配合，对物料进行定位，定位完成后，压板向下运动，压紧物料，物料经历冲压剪切变形，物料被内孔凸模冲出结构单元给定的几何形状；
第一步冲压完成后，压板向上运动。在第二步操作中，物料向前进给，通过定位孔和定位销的配合来到指定加工位置，压板向下运动压紧物料，外形凸模对前一步已经冲压完成的坯料进行外形冲压，结构单元从配料中脱落。
在冲压过程中，配合压板和凸模的抬起，进行间歇进给，可以实现对结构单元的连续冲压。
多个特征凸模依次布置，分别对应的凹模形成多组特征模具，对进给的模具依次进行特征加工，同步工作的多个模具配合逐步进给的物料，能够实现连续冲压和单元的连续输出。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超材料结构单元加工装置，其特征在于，包括相对设置的压板和底板，压板上布置有至少两个导向孔，每个导向孔内均对应滑动连接凸模，底板对应凸模沿导向孔滑动的移动路径上设有凹模，压板与底板之间形成送料通道，每个凸模配合对应凹模形成用于加工送料通道内物料的一组模具。
2.如权利要求1所述的超材料结构单元加工装置，其特征在于，所述导向孔沿物料进给方向依次间隔分布，对应的多个凸模一一配合导向孔，且沿物料进给方向依次间隔分布。
3.如权利要求2所述的超材料结构单元加工装置，其特征在于，所述凸模一端朝向凹模，另一端均连接在安装板上，安装板接受外力作用同步驱动所有凸模沿对应导向孔往复滑动。
4.如权利要求1所述的超材料结构单元加工装置，其特征在于，所述凹模配合凸模形成至少两组模具，所有模具沿物料进给方向依次间隔布置，用于对物料进行冲压成形。
5.如权利要求4所述的超材料结构单元加工装置，其特征在于，不同组模具的结构不同，对物料进行不同的特征加工并排料。
6.如权利要求1所述的超材料结构单元加工装置，其特征在于，所述压板与底板之间安装有回位弹性件，压板在外力作用下挤压回位弹性件改变与底板的间距。
7.一种超材料结构单元加工设备，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的超材料结构单元加工装置，不同的超材料结构单元加工装置对应加工输出不同特征的单元。
8.一种超材料结构单元加工方法，利用如权利要求1-6任一项所述的结构单元加工装置，包括以下步骤：
送料通道接收物料并沿送料通道移动；
物料到达第一组模具后，凸模沿导向孔朝向凹模移动，对物料第一加工位置进行第一特征加工；
待加工完成后，进给物料，使第二组模具对第一加工位置进行第二特征加工；重复模具对物料的加工和物料进给过程，直至最后一个特征完成；
经过加工的单元从最后一个凹模处排出。
9.如权利要求8所述的超材料结构单元加工方法，其特征在于，当物料第一加工位置进行第二特征加工时，第二加工位置处于第一组模具处进行第一特征加工，每个模具对物料的所有加工位置依次进行特征加工。
10.如权利要求8所述的超材料结构单元加工方法，其特征在于，物料间歇进给，在凸模不接触物料时，沿进给方向移动设定距离，调整其加工位置。
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