CN102303072A

CN102303072A - 板料渐进冲击成形的工艺方法

Info

Publication number: CN102303072A
Application number: CN201110128839A
Authority: CN
Inventors: 宋爱平; 张礼峰; 黄建
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2011-05-18
Filing date: 2011-05-18
Publication date: 2012-01-04

Abstract

本发明公开了一种板料渐进冲击成形的工艺方法，属于板料塑性成形技术领域。本发明工艺将冲击杆装夹在数控设备的Z向移动平台上，利用冲击杆对板料产生高频的冲击运动，由于冲击压力大于板料的动态屈服强度，从而使板料发生塑性变形；通过数控程序控制冲击杆与板料的相对位置，依次分层冲击和逐点冲击，实现板料的渐进成形。本发明具有低成本、高效率、高柔性的特点，能适用于一般模具无法成形的板料结构，拓展了冷冲压成形的零件范围。

Description

板料渐进冲击成形的工艺方法

技术领域

本发明公开了一种板料渐进冲击成形工艺和装置，属于板料塑性成形技术领域。

背景技术

金属板料成形在汽车、航空航天、轮船舰艇等行业有着十分广泛的应用，传统的塑性成形方法是采用模具进行冲压成形，存在模具费用高、生产准备周期长、加工柔性差等不足，这已经严重制约了新产品的研制和生产，严重影响产品更新换代的速度。目前，在市场需求不段变化的驱动下，制造业的生产规模沿着“小批量-少品种大批量-多品种变批量”的方向发展。作为广泛应用于制造业的板料成形技术，我们需要不断探索其新方法和新工艺，缩短新产品的开发周期，实现板料的高效、快速、柔性成形。

为此，国内外学者对板料成形技术进行了大量研究，如激光冲压成形技术，其基本原理是利用高功率密度、短脉冲的强激光作用于覆盖在金属板料表面上的能量转换体，使其汽化电离形成等离子体，产生向金属内部传播的强冲击波。由于冲击波压力达到GPa数量级，远远大于材料的动态屈服强度，从而使材料产生屈服和冷塑性变形。申请号为CN200610096474.6的专利文件公开了一种板材成形方法和装置。一种板材成形方法：二氧化碳激光器发出二氧化碳激光辐照在工件表面的能量吸收层上，使工件待冲击的区域加热，加热区域发出红外线传到红外测温反馈装置上，当到达指定的温度时，红外测温反馈装置将信息反馈给中央控制处理器，使二氧化碳激光器停止工作，钕激光激光器发出脉冲激光辐照在工件表面的能量吸收层上，能量吸收层吸收能量后汽化、电离、形成等离子体，等离子体继续吸收激光的能量***，产生高辐冲击波，使材料发生塑性变形。该方法用二氧化碳激光作为板材预加热，红外测温仪测控板材加热温度，钕玻璃激光器提供诱导冲击波产生的短脉冲的强激光，激光冲击作为板材的成形力源。一种板材成形装置包括激光加热***、激光冲击***、控制***、工件夹具***、测量反馈***。申请号为CN200910026013.5的专利文件公开了一种基于激光冲击多点复合成形的方法和装置。一种基于激光冲击多点复合成形的方法，是将激光诱导的冲击波压力作为板料成形力源，采用离散的多点模作为凹模或凸模；改变激光脉宽、重复频率、能量、光斑直径来调整冲击波压力的大小；数控***控制器控制工作台和激光冲击头相对位置，激光冲击是光斑对应基本***置冲击，通过控制冲击位置和各点冲击力的大小，获得工件轮廓。一种基于激光冲击多点复合成形的装置包括激光发生器、导光***、激光冲击头、多点模***、控制***，导光***由导光管、全反镜组成；多点模***由覆盖能量转换体的工件、多点模、工作台组成，多点模由上夹板、下夹板、聚氨酯橡胶垫、基本体群、支架、下模板组成，用一系列离散的、规则排列的、高度可调的基本体群构造出的离散曲面组成凸模或凹模来代替传统模具；控制***由数控***控制器、激光控制器、中央控制处理器、检测反馈***组成，由中央控制处理器分别控制数控***控制器、激光控制器、检测反馈***。

然而激光冲压成形技术成形表面质量差、只能产生较小的变形量，对于变形量较大的零件还存在很大不足，所以在实际生产中还没得到广泛应用。因此，需要一种新的板料成形方法及装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种板料渐进冲击成形的工艺方法，本发明具有低成本、高效率、高柔性的特点，大大缩短了产品的开发与制造周期，降低产品制造成本，提升产品的竞争力。

本发明的板料渐进冲击成形的工艺方法，包括以下步骤：

（1）板料装夹：压边装置固定在机床工作平台上，将金属板料装夹在压边装置的凹槽内，在板料下面放置可压缩弹性件，使可压缩弹性件与金属板料紧紧贴合；

（2）选择气缸压力、冲击杆类型：根据金属板料的变形量选择合适的气缸压力和冲击杆类型，将所述选择的气缸安装固定在数控设备的Z向移动平台上，将所述选择的冲击杆装夹在气缸伸出杆上面；

（3）分层粗冲成形：将金属板料复杂三维形面沿Z 轴方向分解成一系列的二维等高线断面层，数控***通过控制气缸的主轴，控制冲击杆运动轨迹，实现冲击杆沿着垂直金属板料表面方向，对金属板料实施分层冲击，将冲击杆冲击金属板料的冲击能转化为金属板料的变形能，使金属板料产生相应的变形成金属板料成形件，冲击能的高低通过调整冲击力大小、冲击速度和冲击杆尺寸与形状实现；

（4）精冲成形：采集步骤（3）所得的金属板料成形件二维分层面的轮廓信息，求得金属板料轮廓各离散点空间法向矢量，数控***根据各点的法相矢量信息调整冲击杆的角度，使冲击杆分别沿着金属板料形件表面各点的法向矢量方向进行逐点逐层冲击，实现金属板料的微量变形，完成金属板料的塑性变形而成形。

所述的气缸为高频气缸，高频气缸的频率为3000-10000Hz。

所述的可压缩弹性件为泡沫或橡胶件。

本发明采用的板料渐进冲击成形装置，包括数控设备、气缸、压边装置和机床，数控设备设有数控***控制器，气缸固定在数控设备的Z向移动平台上，压边装置将板料装夹在其凹槽内并固定在机床的工作平台上，还设有冲击杆，冲击杆装夹在所述的气缸的伸出杆上，所述的数控***控制器通过控制气缸的主轴运动来实现冲击杆不同的成形轨迹。

本发明利用冲击杆产生快速的冲击运动，从而使冲击杆冲击板料的冲击能转化为板料变形的内能。由于这种冲击压力远远大于板料的动态屈服强度，从而使板料产生塑性变形。本发明将冲击技术与数控技术结合起来，提出一种金属板料成形的新方法，实现板料的塑性成形；本发明将数控加工路径应用到板料成形上面，通过数控***控制冲击杆运动轨迹，此轨迹即为板料成形路径，最终实现板料冲击成形；本发明通过冲击动能实现板料的塑性变形，成形效率高，可以避免起皱等现象。

本发明中的气缸采用的是高频气缸，因为冲击速度越高，板料变形越是局部化，板料的成形能力越好。高频气缸是一种往复式运动气缸，气缸驱动气体压力在0.6~1.0Mpa之间，往复频率在3000~10000Hz之间，调节驱动气体压力可以改变气缸的往复频率。另外高频气缸具有确定的往复行程，其往复行程在0.5~10mm之间，板料分层粗冲成形时采用往复行程大的气缸，保证足够的冲击动能；精冲成形时采用往复行程小的气缸，保证足够的冲击成形精度。本发明通过控制气压大小来调节冲击压力大小，通过调节气量大小来控制冲击速度大小，控制好冲击压力和冲击速度，可以提高板料的成形精度。

本发明的板料冲击变形包括两种横向位移：1）在冲击头部接触部分，板料产生和冲击杆头部形状完全相同的***变形；2）板料因弯曲产生的凹陷变形。单点冲击变形会造成冲击区域以外较大的弯曲变形，给接下来的冲击成形带来困难，容易形成凸台。为了解决这一问题，可以在板料下面放置可压缩弹性件，例如泡沫、橡胶等，使可压缩弹性件与金属板料紧紧贴合，增加金属板料向上的预紧力，使金属板料产生较小的弯曲变形，只产生与冲击杆头部形状相同的***变形。

本发明可以广泛应用于汽车覆盖件、航天航空、工程机械板件制造等领域中，特别适用于多品种、小批量板件的冲压成形加工，同时对复杂曲面板件的成形加工也有一定的优越性。

本发明弥补了传统模具的不足，为金属板料成形提供了一种新装置和新工艺，使板料成形敏捷化，特别适用于复杂形状板件的快速成形，具有广阔的市场和良好的经济效益。

附图说明

图1为本发明的板料渐进冲击成形装置的结构示意图；

图2为本发明的粗冲成形工艺的示意图；

图3为本发明的精冲成形工艺的示意图；

图中：1-冲击杆、2-金属板料、3-压边装置、4-可压缩弹性件、5-等高线断面层。

具体实施方式

实施例1

如图1、图2、图3所示，板料渐进冲击成形的工艺方法，包括以下步骤：

（1）板料装夹：压边装置3固定在机床工作平台上，将金属板料2装夹在压边装置3的凹槽内，在板料下面放置可压缩弹性件4，可压缩弹性件4可以采用泡沫或橡胶件等可压缩弹性件，使可压缩弹性件4与金属板料2紧紧贴合；

（2）选择气缸压力、冲击杆类型：根据金属板料的变形量选择合适的气缸压力和冲击杆类型，气缸采用高频气缸，将所述选择的气缸安装固定在数控设备的Z向移动平台上，将所述选择的冲击杆装夹在气缸伸出杆上面；

（3）分层粗冲成形：将金属板料复杂三维形面沿Z 轴方向分解成一系列的二维等高线断面层5，数控***通过控制气缸的主轴，控制冲击杆1运动轨迹，实现冲击杆1沿着垂直金属板料2表面方向，对金属板料2实施分层冲击，将冲击杆1冲击金属板料2的冲击能转化为金属板料的变形能，使金属板料2产生相应的变形成金属板料成形件，冲击能的高低通过调整冲击力大小、冲击速度和冲击杆1尺寸与形状实现；

（4）精冲成形：采集步骤（3）所得的金属板料成形件二维分层面的轮廓信息，求得金属板料轮廓各离散点空间法向矢量，数控***根据各点的法相矢量信息调整冲击杆的角度，使冲击杆1分别沿着金属板料形件表面各点的法向矢量方向进行逐点逐层冲击，实现金属板料的微量变形，完成金属板料的塑性变形而成形。

本发明采用的板料渐进冲击成形装置，包括数控设备、气缸、压边装置和机床，数控设备设有数控***控制器，气缸固定在数控设备的Z向移动平台上，压边装置将金属板料装夹在其凹槽内并固定在机床的工作平台上，还设有冲击杆1，冲击杆装夹在所述的气缸的伸出杆上，所述的数控***控制器通过控制气缸的主轴运动来实现冲击杆不同的成形轨迹。气缸为高频气缸。高频气缸是一种往复式运动气缸，气缸驱动气体压力在0.6~1.0Mpa之间，往复频率在3000~10000Hz之间，调节驱动气体压力可以改变气缸的往复频率。另外高频气缸具有确定的往复行程，其往复行程在0.5~10mm之间，板料分层粗冲成形时采用往复行程大的气缸，保证足够的冲击动能；精冲成形时采用往复行程小的气缸，保证足够的冲击成形精度。冲击杆在气缸的驱动下，可以实现冲击杆冲击板料的冲击能转化成板料变形的内能，最终实现板料的塑性变形。

板料渐进冲击成形装置还设有可压缩弹性件。由于单点冲击变形会造成冲击区域以外较大的弯曲变形，可在板料下面放置可压缩弹性件（泡沫、橡胶等），使弹性件与板料紧紧贴合，使得弯曲变形尽量小。

本发明将数控加工路径应用到板料成形领域，通过数控***控制器实现冲击杆运动轨迹；根据“分层制造”的思想，将三维曲面根据变形量分解成一系列等高线断面层，分层冲击，实现板料粗冲成形；通过调整冲击杆的角度，使其沿着成形件表面的法向方向进行冲击，保证成形件的精度，实现板料精冲成形。

Claims

1.板料渐进冲击成形的工艺方法，其特征是包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的板料渐进冲击成形的工艺方法，其特征是所述的气缸为高频气缸，高频气缸的频率为3000~10000Hz。

3.根据权利要求1所述的板料渐进冲击成形的工艺方法，其特征是所述的可压缩弹性件为泡沫或橡胶件。