CN1411928A

CN1411928A - 金属板料旋压快速成型方法及其专用工具

Info

Publication number: CN1411928A
Application number: CN 02147759
Authority: CN
Inventors: 张春
Original assignee: Hubei University of Automotive Technology
Current assignee: Hubei University of Automotive Technology
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2003-04-23

Abstract

本发明属于金属板料无模快速成型技术，涉及金属板料旋压快速成型方法及其专用工具。该方法是在数控加工中心或专用成型机的旋转主轴上安装专用成型工具，用夹具使板材固定，所述专用成型工具在数控系统驱动下相对所述板材运动，利用所述工具上的滚动体对所述板材实行碾压，使所述板材逐渐成型。该方法的专用成型工具，其特征在于所述工具主要由回转工具体、滚动体和滚动体保持器三部分构成；所述滚动体安装在滚动体保持器上，所述滚动体保持器安装在所述回转工具体上。该快速成型方法，能够充分发挥板材的成型性能，使板材成型为高精度、低回弹、具有良好的表面质量、复杂曲面轮廓的钣金件；可以进行曲面成型加工、翻边、翻孔等成型工艺。

Description

金属板料旋压快速成型方法及其专用工具

技术领域：本发明属于金属板料无模快速成形技术，涉及金属板料旋压快速成型方法及其专用工具。

背景技术：目前，钣金壳体类零件(尤其以汽车覆盖件为典型代表的零件)的成形生产都是在拉深压力机压延成形的。这种方法能够成形的工件的复杂程度是有限的，一般需要多套模具才能生产出来。随着人们对于汽车等工业产品的要求不但提高，消费者对汽车的外观要求多样化、个性化、美观化，而价格要求更低廉。一个新车型的开发，使用传统制作样车车身覆盖件的方法，生产成本高，质量不能很好的保证，周期也很长。因此传统的车型开发方法周期很长，成本比较高，已经不能满足变化万千的市场要求了。板材无模成形可以比较好的解决这一生产与需求之间的矛盾。

板材无模成形的方法有：旋压成形法、爆炸成形法、多点成形法和单点渐进成形方法。

旋压成形法是将金属坯料装在旋转芯模的顶部，旋轮通过轴向运动和径向运动，使旋转坯料在旋轮碾压作用下产生局部连续塑性变形，最终获得所要求的薄壁回转体零件。但是，旋压只能生产回转体类零件，不能加工更具有普遍意义的非回转体零件。并且也需要一定形状的靠模，或者采用两侧双旋轮来实现无模成形。

爆炸成形法是利用炸药爆炸燃烧产生的能量驱动板材成形的。只能用于球形或球面壳的无模爆炸成形，其它形状的工件需要一定的模具才能保证成形的形状和精度。

多点成形法是利用计算机控制高度可调节基本体群形成上、下成形面，进行金属板材三维曲面成形的先进制造技术。其本质就是将整体模具离散化，并结合现代控制技术实现柔性成形。但是由于多点成形方法其成形面是离散的，板料与压模面之间是点接触，从而造成板料成形后表面光顺性不好，板料在点接触的地方比其它未接触的地方有着明显凸起或凹下。未接触区域的成形处于自由状态，不能很好的控制其变形，造成板料成形精度不高。

单点渐进成形方法是日本的松原茂夫首先提出来的。其工作原理是：将被加工板材架在一个模芯上，在板材四周用压板加紧材料，该压板可沿导柱上下滑动。加工时，将该装置固定在加工机床上，用事先编制的加工程序控制一个工具头走等高线的方式，将板材逐步压靠在模芯上，最终成为一个零件。但是这种加工方法，对于金属成形来说并没有使金属的成形性能得到充分的发挥，由于板材的材质、板厚等不同情况，还会在成形的侧壁上发生龟裂，或者发生局部变形的问题，使成形后的板材表面质量下降或者强度降低。最初使用的是固定的球头棒，虽然后来工具头采用了能够自由转动的球体，并且具有能向球体供应润滑剂的加油孔的工具棒，在一定程度上减小了球体与板材之间的摩擦，但是，球体与工具棒之间还是滑动摩擦，球体并不能很好的在板材表面滚动。为了降低成形工具与板料之间的摩擦，不得不使用润滑剂，这样加工完毕后就必须对工件进行清洗，因此增加了工序并造成环境污染。而且加工生产必须使用专用的成形设备，投资大，一般企业承受不起。

发明内容：本发明的目的是提供一种综合逐点渐进成形和旋压成形优点的新一代板材快速成形方法，能够充分发挥板材的成形性能，使板材成形为高精度、低回弹、具有良好的表面质量、复杂曲面轮廓的钣金件。

本发明的金属板料旋压快速成形方法，是在数控加工中心或专用成形机的旋转主轴上安装专用成形工具，用夹具使板材固定，所述专用成形工具在数控系统驱动下相对所述板材运动，利用所述工具上的滚动体对所述板材实行碾压，使所述板材逐渐成形。该方法的专用成形工具的特征在于：所述工具在数控系统的驱动下，自身作旋转运动的同时沿着一定的加工轨迹作空间曲线的移动。

由于成形工具上有滚动体，金属板材与滚动体之间是滚动摩擦，滚动体与成形工具头之间也是滚动摩擦，这样，加工过程中能量的利用率很高，其塑性变形机理也发生了重大的改变。这种塑性变形是在钢球与工件的滚动摩擦条件下实现的，金属板料与每个滚动体接触面积小，并且交变循环接触应力频率高，每个滚动体承受的变形力很小，工件可变形的幅度很大。成形时的能量主要由机床主轴提供，对机床床身的刚度和进给驱动力没有特殊的要求，因此普通的数控加工中心即可用于成形生产。本加工方法可以用在汽车覆盖件或航空器等需要较大尺寸的钣金样件的生产成形，或者其他需要曲面金属钣金件成形的地方。

附图说明：图1是本发明局部加工区域塑性变形机理图；

图2是本发明成形工具实施例一结构示意图；

图3是本发明成形工具实施例二结构示意图。

具体实施方式：应用本发明方法将金属板料使用框形夹具装夹在普通的数控加工中心或专用的成形机床工作台上，使用专用工具，将刀具的轨迹按针对金属板材变形特点作优化的轨迹进行编程，设置好合适的主轴转速、进给速率等工艺参数，专用成形工具在数控系统驱动下相对板材运动，利用工具上的滚动体对板材实行碾压，使板材逐渐成形。

其成形原理为：如图1所示，小的滚动体3在金属板料2的表面滚动，同时对板料2施加压力，金属板料2就在压力作用下表面积增大而逐步成形；成形工具1在数控系统的驱动下，自身作旋转运动的同时沿着一定的加工轨迹作空间曲线的移动；在数控系统的控制下可以自动更换成不同的形状和尺寸的工具。板材2在滚动体3的高频碾压下，其受脉动循环交变应力，每个滚动体3所引起的变形量很小，但是，由于成形工具1作高速转动，滚动体3循环的速度比较高，在单位时间内板材2同一点受滚动体3多次的反复碾压，这样累加起来金属板材2在单位时间内的变形量就很大，同时板材2受到高频应力，变形充分，回弹很小。高硬度、高的表面光洁度的滚动体3和工具头6之间是滚动摩擦，同样，滚动体3和板材2表面之间也是滚动摩擦。这样，不仅不会对板材2的表面造成划伤还会提高板材的表面粗糙度，避免了一般冲压生产和其他单点渐进成形后板材表面的桔皮痕或其它缺陷。依据所编制的加工程序，数控加工中心控制在不同的加工区域工具以不同的旋转速度、进给速度和加工轨迹，同时在不同的加工区域更换不同形状的工具，满足平坦区域高速加工，复杂区域精密慢速加工的变工艺参数成形。数控系统是多轴联动机床，则该方法几乎可实现任意形状的空间三维曲面加工。

如图1、图2、图3所示，成形工具1主要由回转工具体4、滚动体3和滚动体保持器5三部分构成，滚动体3安装在滚动体保持器5上，并通过滚动体保持器5安装在回转工具体4上。其中回转工具体4的头部6为高精度、高硬度、高表面粗糙度的球头或蘑菇头形，可以保证加工工件的表面质量、加工效率以及工具的使用寿命。滚动体3为高精度、高硬度、高表面粗糙度的钢球滚珠或滚轮。滚动体3随着工具旋转绕着工具体4轴线作行星运动。滚动体保持器5是保持滚动体3不从回转工具体4上脱落下来的零件；当滚动体3是钢球滚珠7时，滚动体保持器5呈带状，环绕在回转工具体4的工具头6上；带状保持器5上面分布有安装滚珠7的径向圆孔8，其绕着回转工具体4的轴线呈螺旋非对称方式布置，这样可以保证在旋转过程中钢球滚珠7碾压覆盖的面积。当滚动体3是滚轮9时，滚动体保持器3为芯轴10，滚轮9采用轴对称排列，通过芯轴10与工具头6联接。滚动体3绕着工具体4的轴线作行星运动，滚动体3在金属板料2和回转工具头6之间，回转工具体4通过摩擦带动滚动体3在板料2表面滚动。滚动体3的滚动是在工具旋转带动下的滚动，滚动体2在金属板料2和成形工具头6之间，回转工具体4通过摩擦带动滚动体3在板料2表面滚动。滚动体3与板料2之间是滚动摩擦，滚动体3与工具体4之间也是滚动摩擦，因此加工过程不需要润滑。成形工具1具有标准的刀柄形状及尺寸，它安装在机床的主轴上旋转，转速由程序控制。成形工具1还安装机床的刀库中，利用机床的自动换刀功能实现工具在加工中途的自动更换。

在数控加工中心或专用成形机床上加工时，各轴运动使工具1相对板材2产生三维运动，成形工具1的工具头6通过滚动体3对金属板料2施压。由于金属板材变形的规律，进给的轨迹和速度有一定的要求。

成形加工所使用的设备及数控系统，是普通的数控加工中心机床或者专用的板材成形机床，要求机床主轴及各运动轴能够提供足够的扭矩和承载力。

本方法除了可以进行曲面成形加工外，还可以完成翻边、翻孔等成形工艺。

Claims

1、一种金属板料旋压快速成型方法，是在数控加工中心或专用成形机的旋转主轴上安装专用成形工具，用夹具使板材固定，所述专用成形工具在数控系统驱动下相对所述板材运动，利用所述工具上的滚动体对所述板材实行碾压，使所述板材逐渐成形。

2、按照权利要求1所述的金属板料旋压快速成型方法，其特征在于：所述工具在数控系统的驱动下，自身作旋转运动的同时沿着一定的加工轨迹作空间曲线的移动。

3、按照权利要求1所述的金属板料旋压快速成型方法，其特征在于：所述工具主要由回转工具体、滚动体和滚动体保持器三部分构成；所述滚动体安装在滚动体保持器上，所述滚动体保持器安装在所述回转工具体上。

4、按照权利要求3所述的金属板料旋压快速成型方法，其特征在于：所述回转工具体的工具头为高精度、高硬度、高表面粗糙度的球头或蘑菇头形。

5、按照权利要求3所述的金属板料旋压快速成型方法，其特征在于：所述回转工具体的尾部是具有适合数控加工中心主轴装夹的标准刀柄。

6、按照权利要求3所述的金属板料旋压快速成型方法，其特征在于：所述滚动体为滚珠；与此相适应，所述滚动体保持器为带状，上面有安装所述滚动体的径向的圆孔，绕着所述回转工具体轴线呈螺旋非对称方式布置。

7、按照权利要求3所述的金属板料旋压快速成型方法，其特征在于：所述滚动体为轴对称排列的滚轮；与此相适应，所述滚动体保持器为联接所述滚轮与工具头的芯轴。