CN103071715B - 一种曲面零件柔性涨拉成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲面零件柔性涨拉成形装置，是用于大型三维曲面零件涨拉成形的柔性加工装置。该装置主要由机身框架、涨拉成形平台、预拉伸与夹紧机构以及可重构多点模具组成；涨拉成形由主推力液压缸(10)向上推动位于上下可移动平台(12)上的可重构多点模具(7)靠近已被预拉伸的板料实现；预拉伸与拉边由伺服电机(1)同步驱动前后两根左右旋丝杠(6)，从而带动位于左右旋丝母(4)上的拉伸夹钳(5)同步反方向运动实现。拉伸夹钳(5)由奇数个夹钳组成，通过夹紧液压缸(8)实现夹紧力控制；本发明将可重构多点模具与上顶式涨拉成形装置集成为一体，用一套涨拉成形装置可成形出多种不同几何形状的曲面零件，制造成本低。

Description

一种曲面零件柔性涨拉成形装置

技术领域：

本发明应用可重构多点模具，使用一个液压缸实现三维曲面零件的涨拉成形，属于金属塑性加工领域。

背景技术：

铝合金、钛合金三维曲面零件广泛应用于飞机蒙皮、动车组外板、高品质汽车以及现代建筑等多个生产生活领域。目前常用的成形工艺是利用模具在拉伸成形机上进行曲面拉伸成形，采用这种成形方式，拉形模具品种多、数量大，制造周期长。因而模具的制造和存放成为曲面零件成形的难题之一；另一方面拉形机是用到的主要装备，目前国内各生产企业所用的拉形机价格昂贵，操作复杂。因此近年来开始出现各种曲面柔性成形方法，研究在一种设备上成形不同几何形状、不同材质的三维曲面零件，从而做到数字化柔性成形。其中之一就是多点成形方法，它将原来的实体模具离散化为紧密排列的冲头矩阵，每一个冲头都可以在计算机的控制下调整高度，所有冲头调整到所需要的高度后，其端部形成所需要的成形模面，代替传统模具进行冲压或者拉伸成形，该技术已有相关专利公开。一套多点模具就可以代替大量不同几何形状的拉伸模具，与传统拉伸机配套就可以实现曲面零件的柔性涨拉成形。但多点模具是一套机电一体化集成设备，在传统拉伸机上装卸困难；而且不同的三维曲面零件成形时，所需要的模具高度不同，需要用工装调整高度，操作困难；本发明设计了一种曲面零件柔性涨拉成形装置，将多点模具安装于上下移动工作平台，工作平台由主液压缸驱动。涨拉前可以根据目标零件几何形状的不同方便调整高度，易于装夹零件；涨拉成形过程中，该主液压缸提供涨拉动力，实现工件成形；可重构多点模具根据目标零件的不同调整形状，实现柔性成形，一套主液压缸实现涨拉成形，降低了拉形设备成本，该装置未见相关专利报道。该发明可以用于高速动车组铝合金外板、飞机蒙皮零件、现代建筑金属幕墙曲面等不同应用领域。

发明内容：

本发明的目的是提供一种三维曲面零件柔性涨拉成形装置。该装置由伺服电机驱动预拉伸与夹紧部分实现板料预拉伸与拉边、由主液压缸驱动位于上下可移动工作平台上的多点模具实现涨拉成形、多点模具实现可重构柔性模具功能，三者集成为一套装置实现曲面零件的柔性涨拉成形。

本发明的目的是通过下述的技术方案实现的，结合附图说明如下：

一种曲面零件柔性涨拉成形装置，主要由机身框架、涨拉成形平台、预拉伸与夹紧机构以及可重构多点模具组成，所述预拉伸与夹紧机构安装在机身框架上，对板材预拉伸与夹紧，所述涨拉成形平台由主推力液压缸10和上下可移动工作平台12组成，所述可重构多点模具7集成安装在上下可移动工作平台12上，通过主推力液压缸10向上推动可重构多点模具7靠近已被预拉伸的板料，对板材涨拉成形，主推力液压缸10采用不同控制模式，对上顶涨拉力、板料涨拉量和涨拉速率不同涨拉工艺参数的控制。

所述预拉伸与夹紧机构由伺服电机1、伺服电机1同步驱动的前后两根左右旋丝杠6、装在前后两根左右旋丝杠6两端的左右旋丝母4和通过固定轴装在左右旋丝母4上的拉伸夹钳5组成。

所述左右旋丝杠6上的螺纹为左右旋设置，与左右旋丝杠6上的左右旋螺纹相配合的左右旋丝母4带动左右两组拉伸夹钳5同步反方向运动，对板料夹紧预拉伸和松开。

所述伺服电机1为两套且同步运动，分别通过减速机2控制前后两根丝杠6同步旋转，通过对伺服电机1的力矩控制、位置控制和速度控制分别对预拉伸力控制、板料预拉伸量控制和预拉伸速率控制，有效控制板料预拉伸状态以及涨拉成形过程中的拉边力。

所述拉伸夹钳5为离散式结构，每个拉伸夹钳5上均装有夹紧液压缸8，所有夹钳5安装在同一固定轴上并沿固定轴旋转，随着主推力液压缸10的上顶，拉伸夹钳5的钳口与被涨拉板料边缘始终成切线状态，拉伸夹钳5的张开与锁紧由安装于其上的夹紧液压缸8控制。

所述控制夹紧液压缸8对拉伸夹钳5的整体夹紧力、部分或单个夹钳夹紧力进行不同控制。

所述可重构多点模具7由数个高度可调整的冲头基本体排列而成，每一个冲头基本体的高度由计算机数控调整，调整方式包括通过丝杠旋转带动具有内螺纹的方体、通过液压缸、气缸或者直线电机驱动，其排列方式采用紧密排列或按照一定间隔排列，冲头基本体的布置按矩阵方式或呈蜂窝状排列；所有冲头基本体调整到所需要的高度后，其端部形成的型面轮廓代替整体模具用于涨拉成形。

所述可重构多点模具7由实体涨拉模具或者简易模具代替，可以实现曲面零件的普通涨拉成形。

本发明创造的优点：

本发明将可重构多点模具与上顶式涨拉成形装置集成为一体，用一套涨拉成形装置可以成形出数百种不同几何形状的曲面零件；在涨拉成形过程中，无需针对特定几何形状手动调整涨拉模具的高度，操作方便；用一套主推力液压缸同时实现模具高度调整与涨拉力驱动，降低了涨拉成形设备制造成本；通过主液压缸的力控制、位置控制以及速度控制，方便控制板料的涨拉力、涨拉量以及涨拉速率。

附图说明：

图1是曲面零件柔性涨拉成形装置结构示意图。

图2柔性涨拉成形装置主视图。

图3柔性涨拉成形装置俯视图。

图中：1-伺服电机，2-减速机，3-丝杠支撑座，4-左右旋丝母，5-拉伸夹钳，6-左右旋丝杠，7-可重构多点模具，8-夹紧液压缸，9-一体式机身框架，10-主推力液压缸，11-工作台上下移动导轨，12-上下可移动平台

具体实施方式：

以下结合附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容及实施方式。

如图2所示，本发明的曲面零件柔性涨拉成形装置包括机身框架、预拉伸机构、端部夹紧机构、涨拉成形机构与可重构多点模具。

所述机身框架采用一体式机身框架9，其是成形装置的支撑与承力机构，为了保证强度与刚度，一体式机身框架9由钢板焊接而成，包括支撑框架、预拉伸平台与可移动工作平台三个部分。预拉伸平台分由处于同一平面上的左右两部分组成，其上安装预拉伸与夹紧机构；上下可移动工作平台12通过工作台上下移动导轨11安装于立式支撑框架上，可移动工作平台12底部与主推力液压缸10的活塞杆相连接，由主推力液压缸10推动工作平台以及安装于平台之上的可重构多点模具7上下运动，完成零件涨拉成形过程。

所述预拉伸与夹紧机构由丝杠6、左右旋丝母4、丝杠支撑座3、拉伸夹钳5、夹紧液压缸8以及伺服电机1和减速机2组成，实现涨拉前板料的端部夹紧以及预拉伸量控制。通过丝杠支撑座3，左右旋丝杠6被固定于一体化机身框架上，前后各有一组，保证预拉伸时的受力平衡。左右旋丝杠6的螺纹为左右旋设计，即一端为左旋螺纹、另一端为右旋螺纹，两端丝杠上分别安装有相对应的左右旋丝母4，通过丝杠的旋转，实现左右两组丝母4的同步反方向驱动。涨拉装置前后各有一套丝杠、丝母，共同带动安装于丝母上的拉伸夹钳5实现左右运动。左右旋丝杠6的旋转由伺服电机1通过减速机2驱动，所述伺服电机可以是交流伺服电机，也可以是直流伺服电机。前后两根左右旋丝杠6分别由两个伺服电机1驱动，从而提供用于预拉伸与涨拉成形过程中的驱动力。所述预拉伸机构中前后两套左右旋丝杠6必须保证同步旋转，其同步由伺服电机同步运动控制实现。所述伺服电机1的力矩控制模式实现夹钳的拉伸力控制，其位置控制模式实现板料的预拉伸量控制，其速度控制模式实现板料的预拉伸速率控制，从而有效控制板料预拉伸状态以及涨拉成形过程中拉边力大小。

拉伸夹钳5包括左右两组，分别用于板料两个端部边沿的夹紧。图1所示拉伸夹钳由7个独立的夹钳组成，所有7个夹钳安装在同一固定轴上，并可沿固定轴旋转，从而保证在涨拉成形中，随着主推力液压缸10的上顶，拉伸夹钳5的钳口与被涨拉板料边缘始终成切线状态。拉伸夹钳5的张开与锁紧由安装于其上的夹紧液压缸8实现。根据功能需要，夹紧液压缸8可以由开关阀、比例阀或者伺服阀控制，实现整体夹紧力控制，也可以实现单个夹紧液压缸的力控制，从而提高拉边效果。

所述涨拉成形部分是该装置的主要机构之一，它通过主推力液压缸10推动上下可移动工作平台12，实现可移动工作平台的上下运动。可重构多点模具7固定于上下可移动平台12上，随平台一起实现上下运动。上下可移动工作平台12由安装于一体化机身框架9上，由工作台上下移动导轨11提供上下运动时的导向。

所述主推力液压缸10由伺服电磁阀控制，向上推动上下可以动工作台12使可重构多点模具7靠近已被预拉伸的板料，在上顶可重构多点模具7的作用下使工件涨拉成形。主推力液压缸10的不同控制模式，实现不同的涨拉控制参数。力控制模式可以控制涨拉工艺过程中的上顶涨拉力；位移控制模式可以控制多点模具上顶位移量，从而控制板料涨拉量；速度控制模式可以控制上顶速度，从而控制涨拉速率。

可重构多点模具7由数个高度可以调整的冲头基本体排列而成。每一个冲头基本体的高度可以由计算机数控调整，其实现方式可以通过丝杠旋转带动内螺纹的方体实现，也可以通过液压缸、气缸或者直线电机实现；其排列方式根据需要可以紧密排列，也可以按照一定间隔排列；冲头基本体的布置可以是矩阵方式，也可以是呈蜂窝状排列。所有冲头基本体调整到所需要的高度后，其端部形成的型面轮廓代替整体模具用于涨拉成形。

所述可重构多点模具7可以由实体涨拉模具或者简易模具代替，该装置同样能够实现曲面零件的涨拉成形。

应用该发明装置涨拉成形曲面零件时，首先将板料放入左右两侧的夹钳之中，根据材料特性与涨拉量的要求设定夹钳夹紧力；然后控制伺服电机同步旋转，将板料预拉伸到设定值；开动主推力液压缸，推动多点可重构模具向上运动，将已经预拉伸板料涨拉到所需要的曲面形状，卸载后即可得到需要的三维曲面零件。当目标曲面零件的几何形状、板料厚度、材料特性等改变时，只需根据数模自动快速改变多点模具的型面以及涨拉力、涨拉量等工艺参数即可再次快速成形，实现曲面零件的柔性涨拉。

该发明可实现铝合金、钛合金、钢板等不同材料薄板的涨拉成形。可以用于飞机蒙皮类零件的涨拉成形，也可以用于高速动车组铝合金外板零件的成形，同时也适合于现代建筑中个性化铝合金、不锈钢外墙曲面的柔性化制造。

Claims (5)

1.一种曲面零件柔性涨拉成形装置，主要由机身框架、涨拉成形平台、预拉伸与夹紧机构以及可重构多点模具组成，其特征在于：

所述机身框架采用一体式机身框架(9)，由钢板焊接而成，包括支撑框架、预拉伸平台与可移动工作平台三个部分；

所述涨拉成形平台由主推力液压缸(10)和上下可移动工作平台(12)组成，所述可重构多点模具(7)集成安装在上下可移动工作平台(12)上，通过主推力液压缸(10)向上推动可重构多点模具(7)靠近板料，对板材涨拉成形，主推力液压缸(10)采用不同控制模式，对上顶涨拉力、板料涨拉量和涨拉速率不同涨拉工艺参数的控制；

所述预拉伸与夹紧机构由伺服电机(1)、由伺服电机(1)驱动的前后两根左右旋丝杠(6)、安装在前后两根左右旋丝杠(6)两端的左右旋丝母(4)和通过固定轴装在左右旋丝母(4)上的拉伸夹钳(5)组成，通过丝杠支撑座(3)、预拉伸与夹紧机构安装在机身框架上；

拉伸夹钳(5)为离散式结构，每个拉伸夹钳(5)上均装有夹紧液压缸(8)，拉伸夹钳(5)的张开与锁紧由安装于其上的夹紧液压缸(8)控制，所有夹钳(5)安装在同一固定轴上并沿固定轴旋转，完成被拉伸板料夹紧功能，并随着主推力液压缸(10)的上顶，拉伸夹钳(5)的钳口与被涨拉板料边缘始终成切线状态；

所述左右旋丝杠(6)上的螺纹为左右旋设置，与左右旋丝杠(6)上的左右旋螺纹相配合的左右旋丝母(4)带动左右两组拉伸夹钳(5)同步反方向运动，实现被拉伸板料的预拉伸和松开。

2.根据权利要求1所述的一种曲面零件柔性涨拉成形装置，其特征在于：

所述伺服电机(1)为两套且同步运动，分别通过减速机(2)控制前后两根丝杠(6)同步旋转，通过对伺服电机(1)的力矩控制、位置控制和速度控制分别对预拉伸力控制、板料预拉伸量控制和预拉伸速率控制，有效控制板料预拉伸状态以及涨拉成形过程中的拉边力。

3.根据权利要求1所述的一种曲面零件柔性涨拉成形装置，其特征在于：

所述控制夹紧液压缸(8)对拉伸夹钳(5)的整体夹紧力、部分或单个夹钳夹紧力进行不同控制。

4.根据权利要求1所述的一种曲面零件柔性涨拉成形装置，其特征在于：

所述可重构多点模具(7)由数个高度可调整的冲头基本体排列而成，每一个冲头基本体的高度由计算机数控调整，调整方式包括通过丝杠旋转带动具有内螺纹的方体、通过液压缸、气缸或者直线电机驱动，其排列方式采用紧密排列或按照一定间隔排列，冲头基本体的布置按矩阵方式或呈蜂窝状排列；所有冲头基本体调整到所需要的高度后，其端部形成的型面轮廓代替整体模具用于涨拉成形。

5.根据权利要求1所述的一种曲面零件柔性涨拉成形装置，其特征在于：

所述可重构多点模具(7)由实体涨拉模具或者简易模具代替，能实现曲面零件的普通涨拉成形。