CN116833289A - 一种难变形板料仿生辐射加热拉形系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种难变形板料仿生辐射加热拉形系统，包括拉形机构、仿生加热机构、多点模具以及温控系统组成，仿生加热机构由结构相同且呈线性对称设置的加热单元组成，加热单元中的仿手臂支撑体、仿手腕伸缩件、仿掌体依次连接，仿掌体通过液压杆与机架连接，若干组仿手指加热体并排铰接于仿掌体端部，仿手指加热体的各指节依次铰接，并通过驱动连接组件分别与仿掌体内腔中的驱动控制模块连接，各指节内设有加热体，实现仿手指加热体对板料的随形加热。本发明根据板料形状调整加热位置及角度贴近板料，通过辐射式加热源随形加热以及拉形力辅助的作用下，实现板料的流动性可控，使拉形件应力应变分布均匀，显著提高加热效率和成形件质量。

Description

一种难变形板料仿生辐射加热拉形系统

技术领域

本发明属于热加工技术领域，适用于钛合金、镁合金等常温难成形材料的热成形加工，具体涉及一种难变形板料仿生辐射加热拉形系统。

背景技术

钛合金因具有强度高、密度小、机械性好、韧性和抗蚀性能好等优异的综合性能，而被广泛应用于航天和航空工业中，主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次用于制造火箭、导弹和高速飞机的结构件等。带曲率钛合金板带在工业领域有着较大的市场需求，但由于钛合金冷成形塑性低，所需成形力大、易开裂、回弹严重和成形困难，导致成形件的弯曲精度难以保证。为解决其常温成形性能差，可采用加热成形的方法，在一定的高温状态下，钛合金的塑性可以得到明显的改善，成形质量和材料利用率显著提高，但随之也带来了设备和工艺上的特殊困难。

在实际加工过程中，加热零件成形法是加热成形中最简单、最方便的方法，包括辐射加热法、电阻加热法、火焰加热法、感应加热法和炉内加热法。对于电阻加热法，其加热过程中耗电量大，使用寿命短且维修量大；火焰加热法有严重的氧化和污染问题且受热不均；由于感应加热法的设备限制，其只适用于小型的旋转体零件；炉内加热法仅适用于冲压和落压成形。

故，在现有技术中，对于钛合金等难变形板料的加热成形加工工艺仍具有较大局限性，加工精度及加工效率均难以得到有效保证。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种难变形板料仿生辐射加热拉形系统，根据板料形状调整加热位置及角度贴近板料，通过辐射式加热源随形加热以及拉形力辅助的作用下，实现板料的流动性可控，使拉形件应力应变分布均匀，显著提高加热效率和成形件质量。

结合说明书附图，本发明的技术方案如下：

一种难变形板料仿生辐射加热拉形系统，包括拉形机构、加热机构、多点模具以及温控系统组成，其特征在于：

所述加热机构采用仿生加热机构，由结构相同且呈线性对称设置的加热单元组成，所述加热单元中，仿手臂支撑体、仿手腕伸缩件、仿掌体依次连接，仿掌体通过液压杆与机架连接，若干组仿手指加热体并排铰接于仿掌体端部，仿手指加热体的各指节依次铰接，并通过驱动连接组件分别与仿掌体内腔中的驱动控制模块连接，各指节内设有加热体，实现仿手指加热体对板料的随形加热。

进一步地，仿手指加热体包括若干指节和指端，所述指节依次铰接，指节固定在尾部指节的末端；

所述指节均设有开口朝向板料的指节空腔，指节空腔内安装的加热体为石英灯管，各石英灯管之间采用并联电连接，各石英灯管之间独立通断控制，石英灯管通电产生的红外线实现对其下方的板料进行辐射加热。

更进一步地，所述指节空腔内的石英灯管的数量和密度根据对应位置的板料加热需求进行调整。

更进一步地，所述指节空腔内表面根据对应位置的板料加热需求镀有一层反射薄膜，以用来反射石英灯管通电发出的红外线至板料加热需求大的部位。

更进一步地，所述指端的内腔中设有温度检测模块，用于实时检测坯料的温度，并反馈至温控系统，进而控制连接石英灯管的电源电流，实现对板料的加热温度控制。

进一步地，所述驱动控制模块包括电机驱动器和控制电路，所述控制电路与电机驱动器信号连接，所述电机驱动器的输出端分别通过驱动连接组件与各组仿手指加热体机械连接，控制各组仿手指加热体相互独立运动。

进一步地，所述驱动连接组件由若干与仿手指加热体的指节相匹配的连杆组成，各连杆一端与电机驱动器的对应输出端驱动连接，且连杆一端还与仿掌体摆动连接，连杆另一端与对应指节的壳体外侧连接：

在电机驱动器的驱动下，各连杆带动对应的直接运动，实现仿手指加热体的伸直或弯曲。

进一步地，所述加热单元包含五组仿手指加热体；

所述仿手指加热体包含三个指节。

进一步地，所述拉形机构采用双缸式柔性拉形机构；

两排双缸加载拉伸单元对称分布，并分别设置在机架的内侧，每一排双缸加载拉伸单元均由若干结构相同的双缸加载拉伸单元呈线性排布组成，所述双缸加载拉伸单元用于夹持在对应位置的板料上；

所述双缸加载拉伸单元包括：水平液压缸、垂直液压缸以及夹钳，水平液压缸和垂直液压缸的加载端均铰接于夹钳上。

进一步地，所述多点模具为下凸模式多点模具，由呈矩阵式分布且高度可独立调节的模具单元体组成，通过调节各模具单元体的高度形成与拉伸成形的目标曲面零件形状相匹配的下凸模面。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供的一种难变形板料仿生辐射加热拉形系统，利用红外线石英灯加热板料，能在很短时间内将钛板加热到600～800℃；此外，本发明所述系统将仿生概念应用于热加机构，受人体上肢生物特征启发，设计带有手臂支撑体、手腕伸缩件、掌体以及手指结构的仿生加热机构，并模仿人体手指具有3个可弯曲关节的特点，接近手指的运动形式，发挥与手指相同的灵动性变形；采用辐射加热方法并结合仿生加热系统的成形工艺，与其他热成形工艺相比，具有升温迅速、节能环保、成形效率高等明显的优势，通过设置加载顺序、加热角度，允许加热设备根据板料形状调整位置以贴近板料，有效提高钛合金等难变形材料的成形极限、降低回弹，控制材料流动，避免开裂和褶皱，使板料在高温下均匀流动贴附于模具成形面，成形精准度提高，减少回弹量，控制减薄量，提高成形件质量。

附图说明

图1为本发明所述仿生辐射加热拉形系统整体三维结构示意图；

图2为本发明所述仿生辐射加热拉形系统主视图；

图3为本发明所述仿生辐射加热拉形系统俯视图；

图4为本发明所述仿生辐射加热拉形系统中，仿生加热机构俯视图；

图5为本发明所述仿生辐射加热拉形系统中，仿生加热机构仰视图；

图6为本发明所述仿生辐射加热拉形系统中，仿手指单元主视图；

图7为本发明所述仿生辐射加热拉形系统中，仿手指单元右视图；

图8为本发明所述仿生辐射加热拉形系统，预热示意图；

图9为本发明所述仿生辐射加热拉形系统，加热单曲率板料示意图；

图10为本发明所述仿生辐射加热拉形系统，加热双曲率板料示意图；

图11为本发明所述仿生辐射加热拉形系统，加热双曲率板料端面示意图；

图中：

1-拉形机构， 2-仿生加热机构， 3-多点模具，4-板料； 5-左肢加热单元， 6-右肢加热单元，7-仿手臂支撑体， 8-仿手腕伸缩件， 9-仿掌体，10-仿手指加热体， 11-机架，12-液压杆，13-球头关节轴承， 14-第一万向节联轴， 15-第二万向节联轴，16-第一连杆，17-第二连杆， 18-第三连杆，19-指节空腔， 20-石英灯管， 21-夹钳，101-第一指节， 102-第二指节， 103-第三指节104-指端。

具体实施方式

为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

本具体实施方式公开了一种难变形板料仿生辐射加热拉形系统，如图1所示，主要由拉形机构1、仿生加热机构2、多点模具3以及温控系统组成，其中，多点模具3设置安装在拉形机构1内侧拉形区域中间位置上，仿生加热机构2对称安装在待加热拉形的板料4上方，所述仿生加热机构2配有温控系统，用于实时监控拉形过程中板料的温度情况，进而准确控制仿生加热机构2随形加热工作。通过拉形机构1与仿生加热机构2一体化设计，形成仿生辐射加热拉形系统，在二者的共同作用，使板料4与多点模具3的形面相贴合，实现板料4高效、高精度加热拉形。该仿生辐射加热拉形系统适用于钛合金、镁合金等常温难成形材料的热成形，将温度升高到500℃以上时其塑性会有较明显的改善，变形抗力明显降低，板材成形极限升高，零件成形后回弹量小，显著提高加热效率和成形件质量。

所述加热拉形系统各组成机构具体结构阐述如下：

如图1和图2所示，所述拉形机构1采用双缸式柔性拉形机构，其中，两排双缸加载拉伸单元对称分布，并分别设置在拉形机架11的内侧，每一排双缸加载拉伸单元均由若干结构相同的双缸加载拉伸单元呈线性排布组成，所述双缸加载拉伸单元用于夹持在对应位置的板料上，以实现对金属板材施加拉伸力。所述双缸加载拉伸单元包括：水平液压缸、垂直液压缸以及夹钳21，所述水平液压缸水平设置，且水平液压缸的加载端铰接于夹钳21上，水平液压缸的缸体底部铰接在机架11，所述垂直液压缸垂直设置，且垂直液压缸的加载端铰接于夹钳21上，垂直液压缸的缸体底部铰接在拉形机架11，通过协同控制水平液压缸和垂直液压缸输出的液压力，进而控制夹钳21实施的拉形力的大小和方向，控制向板料4施加的拉力或推力，使板料拉伸变形并贴合于多点模具3的上表面。

如图1和图2所示，所述多点模具3为下凸模式多点模具，由呈矩阵式分布且高度可独立调节的模具单元体组成，通过调节各模具单元体的高度形成与拉伸成形的目标曲面零件形状相匹配的下凸模面。

如图1、图2和图3所示，所述仿生加热机构2采用辐射加热方式，其结构受一种人体上肢的生物特征启发而设计，包括：受人体手臂启发的手臂支撑体，受人体手腕启发的手腕伸缩件，受人体手掌启发的掌体以及受人体手指启发的手指加热机构，本实施例中，仿生加热机构模仿人体手指具有三个可弯曲关节的特点，更接近手指的运动形式，发挥与手指相同的灵动性变形。

所述仿生加热机构2由结构相同且呈线性对称设置的左肢加热单元5和右肢加热单元6组成，所述左肢加热单元5和右肢加热单元6均包括：仿手臂支撑体7、仿手腕伸缩件8、仿掌体9和仿手指加热体10。

所述仿手臂支撑体7、仿手腕伸缩件8、仿掌体9和仿手指加热体10依次呈直线形连接，仿手臂支撑体7一端连接在机架11内侧，仿手臂支撑体7另一端与仿手腕伸缩件8一端连接，仿手腕伸缩件8另一端与仿掌体9一端连接，此外，所述仿掌体9上表面通过倾斜设置的液压杆12与仿手臂支撑体7上方位置的机架11内侧连接，在液压杆12的推拉作用下，以及仿手腕伸缩件8的支撑及直线伸缩限位下，仿掌体9相对于仿手臂支撑体7呈直线平移伸缩运动；若干组仿手指加热体10平行设置，并分别通过球头关节轴承13与仿掌体9另一端铰接，所述仿手指加热体10设有五组，以模仿人手的五根手指；所述球头关节轴承13能够实现手指加热机构可相对于仿掌体9向上、向下、向左、向右等多自由度相对运动，模仿人手手指张开、并拢、弯曲等动作。

所述仿掌体9的内腔中设置有驱动控制模块，所述驱动控制模块包括电机驱动器和控制电路，所述控制电路与电机驱动器信号连接，控制电机驱动器动力输出，所述电机驱动器的输出端分别通过驱动连接组件与各组仿手指加热体10机械连接，控制各组仿手指加热体10相互独立运动。

所述仿手指加热体10包括若干指节和指端组成，所述驱动连接组件由若干与仿手指加热体10的指节相匹配的连杆组成，本实施例中，仿手指加热体10有三个指节，如图2所示，分别为第一指节101、第二指节102、第三指节103，故所述驱动连接组件包括三个连杆，如图4、图6和图7所示，分别为第一连杆16、第二连杆17和第三连杆18；其中，第一连杆16的一端与电机驱动器第一输出端驱动连接，且第一连杆16的一端与仿掌体9摆动连接，第一连杆16的另一端与第一指节101壳体外侧连接，第二连杆17的一端与电机驱动器第二输出端连接，且第二连杆17的一端与仿掌体9摆动连接，第二连杆17的另一端与第二指节102壳体外侧连接，第三连杆18的一端与电机驱动器第三输出端连接，且第三连杆18的一端与仿掌体9摆动连接，第三连杆18的另一端与第三指节103壳体外侧连接；所述第一连杆16、第二连杆17和第三连杆18分别带动对应连接的第一指节101、第二指节102和第三指节103相对于仿掌体9相互独立摆动，实现各组仿手指加热体10仿人体手指的弯曲动作。

如图2所示，所述仿手指加热体10除包括前述的第一指节101、第二指节102和第三指节103外，还包括指端104；如图3所示，所述第一指节101、第二指节102、第三指节103依次呈线排布连接组成，其中，第一指节101和第二指节102之间通过第一万向节联轴14连接，第二指节102和第三指节103之间通过第二万向节联轴15连接，所述指端104固定安装在第三指节103末端；如图5所示，所述第一指节101、第二指节102和第三指节103均设有开口朝向板料4的指节空腔19，各指节空腔19内均安装有石英灯管20，各石英灯管20之间采用并联电连接，实现各石英灯管20之间独立通断控制，所述石英灯管20通电产生的红外线实现对其下方的板料4进行辐射加热，此外，为了满足板料4边缘较易散热或变形程度大的区域的更大强度的加热需求，可有针对性地增加板料4对应位置的指节空腔19内的石英灯管20的密度或在板料4对应位置的指节空腔19的内表面镀一层反射薄膜来进行补偿，反射薄膜用来反射红外线，石英灯管20发出的红外线经反射薄膜反射面的反射后朝向板料4所需的加热部位，使得对板料4加热需求较大位置的加热更节能高效。

所述指端104的内腔中设有温度检测模块，用于实时检测坯料4的温度，并反馈至温控系统，进而控制连接石英灯管20的电源电流，实现对板料4的加热温度控制，在板料4的整个成型周期内，温控系统通过自动编程控制，控制板料的温度为600℃-800℃；所述温度检测模块采用热电偶组件。

在板料4的成型过程中，随着板料4拉伸形状变化，所述仿手指加热体10在中控系统的控制下，随着板料4的形状变化进行张开、并拢或弯曲等动作以最大程度贴近板料4，实现对板料4的随形加热，有效提高钛合金等难变形材料的成形极限、降低回弹，控制材料流动，避免开裂和褶皱，使坯料在高温下均匀流动贴附于模具成形面。下面结合预热板料、加热单曲率板料以及加热双曲率板料三种工况描述仿生加热机构2的加热工作过程：

如图8所示，所述仿生加热机构2对板料4进行预加热时，各仿手指加热体10呈并拢状，且每组仿手指加热体10的各指节呈水平直线状，以贴近呈水平状待拉伸的板料4的上表面，呈仿人手手指水平并拢状的仿生加热机构2，对板料4进行预加热至预热目标温度，板料4保持在预热目标温度条件下，其内部产生应力松弛，使板料4软化，以利于板料进一步拉伸贴模成形。

如图9所示，所述仿生加热机构2对待成形为单曲率零件的板料进行加热时，各仿手指加热体10呈并拢状，且每组仿手指加热体10的各指节呈同角度倾斜弯曲状，以贴近呈单曲率弯曲状的板料4的上表面，呈仿人手手指并拢式弯曲状的仿生加热机构2，始终保持贴近板料4进行加热，通过每组仿手指加热体10的指端104内处安装的温度检测模块实时测量板料4的温度，使板料4加热到拉伸目标温度，同时拉形机构1以预定速度进行预拉伸，直至预定应变范围，直至完全贴合多点模具3。

如图10和图11所示，所述仿生加热机构2对待成形为双曲率零件的板料进行加热时，各仿手指加热体10呈并拢状，且每组仿手指加热体10的各指节呈变角度弯曲，以贴近呈单双率弯曲状的板料4的上表面，呈仿人手手指灵动性弯曲状的仿生加热机构2，始终保持贴近板料4进行加热，通过每组仿手指加热体10的指端104内处安装的温度检测模块实时测量板料4的温度，使板料4加热到拉伸目标温度，同时拉形机构1以预定速度进行预拉伸，直至预定应变范围，直至完全贴合多点模具3。

结合上述拉形机构1、仿生加热机构2、多点模具3以及温控系统的具体结构，阐述本实施例所述仿生辐射加热拉形系统的整体工作过程如下：

首先，根据待成形零件的尺寸确定拉形机构的夹钳位置，由夹钳夹紧钛合金材质的板料两端。

然后，按预定程序调整仿生加热机构的仿手指加热体，使其贴近板料至预定位置，随后打开加热电源，通过仿手指加热体的指端内的温度检测模块实时测量板料温度，使板料加热到预热目标温度；

接着，多点模具上升至一定的高度层，将钛合金板料顶弯拉形，直至预定应变范围，与此同时，仿手指加热体在驱动连接组件的带动下，按照既定程序改变各指节的位置及角度，使仿手指加热体始终保持随形贴近板料进行加热；实现板料拉形和加热同步进行，直至板料与多点模具的成形模面完全贴合；

最后，切断加热电源，待冷却后取下已成形板料，加工结束。

在上述加热拉形过程中，每组仿手指加热体的每个指节负责某一小块区域的加热，由于所需成形工件的形状各异，需要每个指节内的石英灯管都独立控制并且灯管阵排列尽量密集，这样做的目的是保证对不同形状的板料进行辐射加热时，可以根据待成形工件形状选择性设置不等的石英灯加热功率，仿手指加热体中全部或部分指节空腔内的石英灯管工作时可以实现对板料进行不同面积或程度的加热。

全部指节内的石英灯管均工作时，可对被加工板料进行大面积加热，一次性完成板料表面的加热处理；部分指节内的石英灯管加热时，先对板料需变形程度大的区域进行加热，然后对板料需变形程度小的区域进行加热，此时可以降低对供电电源的要求。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种难变形板料仿生辐射加热拉形系统，包括拉形机构、加热机构、多点模具以及温控系统组成，其特征在于：

所述加热机构采用仿生加热机构，由结构相同且呈线性对称设置的加热单元组成，所述加热单元中，仿手臂支撑体、仿手腕伸缩件、仿掌体依次连接，仿掌体通过液压杆与机架连接，若干组仿手指加热体并排铰接于仿掌体端部，仿手指加热体的各指节依次铰接，并通过驱动连接组件分别与仿掌体内腔中的驱动控制模块连接，各指节内设有加热体，实现仿手指加热体对板料的随形加热。

2.如权利要求1所述一种难变形板料仿生辐射加热拉形系统，其特征在于：

仿手指加热体包括若干指节和指端，所述指节依次铰接，指节固定在尾部指节的末端；

所述指节均设有开口朝向板料的指节空腔，指节空腔内安装的加热体为石英灯管，各石英灯管之间采用并联电连接，各石英灯管之间独立通断控制，石英灯管通电产生的红外线实现对其下方的板料进行辐射加热。

3.如权利要求2所述一种难变形板料仿生辐射加热拉形系统，其特征在于：

所述指节空腔内的石英灯管的数量和密度根据对应位置的板料加热需求进行调整。

4.如权利要求2所述一种难变形板料仿生辐射加热拉形系统，其特征在于：

所述指节空腔内表面根据对应位置的板料加热需求镀有一层反射薄膜，以用来反射石英灯管通电发出的红外线至板料加热需求大的部位。

5.如权利要求2所述一种难变形板料仿生辐射加热拉形系统，其特征在于：

所述指端的内腔中设有温度检测模块，用于实时检测坯料的温度，并反馈至温控系统，进而控制连接石英灯管的电源电流，实现对板料的加热温度控制。

6.如权利要求1所述一种难变形板料仿生辐射加热拉形系统，其特征在于：

所述驱动控制模块包括电机驱动器和控制电路，所述控制电路与电机驱动器信号连接，所述电机驱动器的输出端分别通过驱动连接组件与各组仿手指加热体机械连接，控制各组仿手指加热体相互独立运动。

7.如权利要求1所述一种难变形板料仿生辐射加热拉形系统，其特征在于：

所述驱动连接组件由若干与仿手指加热体的指节相匹配的连杆组成，各连杆一端与电机驱动器的对应输出端驱动连接，且连杆一端还与仿掌体摆动连接，连杆另一端与对应指节的壳体外侧连接：

在电机驱动器的驱动下，各连杆带动对应的直接运动，实现仿手指加热体的伸直或弯曲。

8.如权利要求1所述一种难变形板料仿生辐射加热拉形系统，其特征在于：

所述加热单元包含五组仿手指加热体；

所述仿手指加热体包含三个指节。

9.如权利要求1所述一种难变形板料仿生辐射加热拉形系统，其特征在于：

所述拉形机构采用双缸式柔性拉形机构；

两排双缸加载拉伸单元对称分布，并分别设置在机架的内侧，每一排双缸加载拉伸单元均由若干结构相同的双缸加载拉伸单元呈线性排布组成，所述双缸加载拉伸单元用于夹持在对应位置的板料上；

所述双缸加载拉伸单元包括：水平液压缸、垂直液压缸以及夹钳，水平液压缸和垂直液压缸的加载端均铰接于夹钳上。

10.如权利要求1所述一种难变形板料仿生辐射加热拉形系统，其特征在于：

所述多点模具为下凸模式多点模具，由呈矩阵式分布且高度可独立调节的模具单元体组成，通过调节各模具单元体的高度形成与拉伸成形的目标曲面零件形状相匹配的下凸模面。