CN105710205A - 板料整体自阻加热渐进成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种板料整体自阻加热渐进成形装置包括：三轴数控机床、成形工具、板料夹具、直流电源、导线、绝缘垫片、温度传感器、温度控制器及保温箱；所述成形装置用电源、导线、板料夹具与板料构成电流回路，通过焦耳热使板料温度升高；在板料两端通电流，板料整体升温，温度梯度小；安装有半封闭保温箱，减少热量散失，提高能源利用率；用温度传感器测量板料温度，并通过闭环控制精确控制板料温度。该技术还可以用于常温下成形力大的厚板渐进成形加工和常温下难成形的钛合金、镁合金板料渐进成形加工。

Description

板料整体自阻加热渐进成形装置

【技术领域】

本发明涉及一种板料整体自阻加热渐进成形装置，属于板料渐进成形加工技术领域。

【背景技术】

传统的板料成形中常用的技术是模具冲压成形，由于具有生产效率高、成形质量高和消耗材料少等优点，较适合大批量生产单一类型零件，在现代工业生产中长期占据主导地位。

随着时代的进步，对产品的需要趋向个性化和新颖化，这要求企业必须不断对自身产品进行更新换代，才可在激烈的市场竞争中占据一席之地。传统模具冲压成形技术模具开发周期长、资金耗费较高，已不能满足企业进行多品种、小批量产品开发生产的要求。

板材渐进成形工艺是一种无专用模具成形的工艺，其基本思想是根据零件的形状，对成形轨迹进行规划，编制出数控机床的控制程序，利用数控机床的进给***，使成形工具按设计的轨迹移动，成形工具与板料的不断挤压使板料逐步成形，最终成形出所要求的形状。这种成形方法不需要专用的成形模具，因而生产准备快、成本低，特别适合于小批量、多品种、复杂零件的生产。

虽然渐进成形技术具有较大优势和广阔的应用前景，但也有一些不容忽略的问题，如成形精度较差、加工效率较低以及稳定性较差等。除此之外，渐进成形装置刚度较差，当成形强度较高板材时，往往会因成形力过大而造成成形工具的变形，导致成形质量下降，严重时甚至不能正常成形。

针对以上问题，国内外学者进行了热渐进成形研究，通过加热可以提高板料的成形性能，降低对机床刚度的要求，提高成形精度，增大零件可成形角度，且还可以成形常温无法成形的钛合金、镁合金零件。加热方法包含激光加热、局部自阻加热、电热炉加热、旋转摩擦加热等。

激光加热方法有加热速度快的优点，但加热点随加工位置的变化而不断变化，存在控制难度大的问题，而且激光设备成本很高。

局部自阻加热方法设备成本低、加热速度快。但也存在一些缺点，包括：电流通过成形工具，对成形工具性能要求高；加热区域不断变化，温度不易测量与控制；润滑油在板料与成形工具之间即电流回路内，对润滑油导电性有较高要求；容易出现电火花等。

电热炉加热方法加热温度均匀、温度易于控制，但设备设计复杂，且不适用于双点渐进成形。

旋转摩擦加热方法是给成形工具提供一个很高的转速，通过成形工具与板料的摩擦而产生热量。这种方法由于旋转自由度而使主轴刚度降低，且高速摩擦影响板料表面质量。

本发明提出一种板料整体自阻加热渐进成形装置，该装置同时具有局部自阻加热方法的设备成本低、加热速度快以及电热炉加热的板料温度均匀、温度易于控制等优点。且电流回路稳定，不会产生电火花；润滑剂不影响电流回路，降低了对润滑剂的要求。

【发明内容】

本发明的目的是针对板料热渐进成形设备目前存在的问题，提出一种结构简单，使用方便、安全，成形范围广，加工精度高的板料整体自阻加热渐进成形装置。该技术还可以用于常温下成形力大的厚板渐进成形加工和常温下难成形的钛合金、镁合金板料渐进成形加工。

一种板料整体自阻加热渐进成形装置包括：三轴数控机床、成形工具、板料夹具、直流电源、导线、绝缘垫片、温度传感器、温度控制器及保温箱；

所述成形装置用电源、导线、板料夹具与板料构成电流回路，通过焦耳热使板料温度升高；在板料两端通电流，板料整体升温，温度梯度小；安装有半封闭保温箱，减少热量散失，提高能源利用率；用温度传感器测量板料温度，并通过闭环控制精确控制板料温度。

所述三轴数控机床为进成装置的运动驱动机构，包括：数控***，X、Y、Z三个方向的伺服电机、丝杠、机床主轴等，可以使机床主轴做三自由度平移运动；

所述成形工具与机床主轴连接，在机床主轴的带动下沿设定的轨迹做三轴平移运动，并挤压板料使板料不断发生局部变形；

所述板料夹具包含两个通电夹具和两个普通夹具，通电夹具和普通夹具相间布局于板料四周，使板料四周与板料支撑台相对固定，通电夹具与普通夹具之间绝缘，其中，两个通电夹具分别连接直流电源正极和负极，使板料通电；

所述直流电源可以提供最高36V的低压电流，其最大输出电流应不低于200A，用于给板料提供电流使其产生焦耳热，且低压可以保证操作人员的安全；

所述导线一端连接电源，另一端通过接线柱与通电夹具相连，将电源电流传输给板料；

所述绝缘垫片安装在板料与板料支撑台之间，用于使板料与机床之间绝缘，绝缘垫片使用高温绝缘材料如云母；

所述温度传感器用于测量板料温度，可以是接触式热电偶或红外热电偶，布局于板料上夹具与加工区域之间的位置；

所述温度控制器可以采集温度传感器测得的温度数据，并与设定的温度数据进行对比，得到调节量并传输给直流电源，使直流电源调节输出功率进而调节板料加热温度，实现温度闭环控制；

所述保温箱用于减少热量散失，使板料容易达到高温且节省能源，保温箱包裹板料的发热区域，且上端有开口使成形工具在加工板料时不与保温箱接触，保温箱由保温棉与支撑结构组成。

该板料整体自阻加热渐进成形装置适用于常温成形力较大的厚板渐进成形加工，降低工艺对机床刚度的要求，如钛合金、镁合金渐进成形加工。当支撑板料的托板固定不动时可以实现单点渐进成形；当支撑板料的托板沿竖直方向导柱自由移动时可以实现双点渐进成形。

本发明优点及有益效果在于：

(1)该装置结构简单，成本低，加热升温快。

(2)电流回路接触稳定，不会出现电火花。

(3)板料整体加热，温度梯度小。

(4)设置有半封闭保温箱，能源利用率高。

(5)板料温度容易测量，易于实现温度闭环控制。

(6)提高板料成形性能，加大了材料的成形角范围。

(7)降低了板料的残余应力，减少零件回弹，提高成形精度。

(8)解决了常温难成形的钛合金、镁合金等板料的渐进成形问题。

(9)解决了加工厚板时机床刚度不足的问题。

(10)同时适用于单点渐进成形和双点渐进成形。

【附图说明】

图1是板料整体自阻加热渐进成形装置双点成形示意图。

图2是板料整体自阻加热渐进成形装置单点成形示意图。

图3是板料整体自阻加热渐进成形装置板料装夹示意图。

图中标号名称：

1板料支撑台，2成形工具，3成形模具，4板料，

5耐高温绝缘垫片，6通电夹具，7升降导柱，8接线柱，9温度传感器，

10导线，11直流电源，12普通夹具，13温度控制器，14机床主轴，

15保温箱，16工作台。

【具体实施方式】

装置由三轴数控机床、成形工具、板料夹具、电源、导线、绝缘垫片、温度传感器、温度控制器、保温箱等组成。三轴数控机床的主轴夹持成形工具沿设定的轨迹运动，使板料发生连续的局部变形，最终生成所需的零件。装置用电源、导线、板料夹具与板料构成电流回路，用耐高温绝缘垫片将回路与机床进行可靠绝缘。通过0-36V，200-1000A的低压大电流产生的焦耳热使板料温度升高。

以附图1为例说明板料整体自阻加热渐进成形双点成形。

用CAD软件建立零件三维模型，然后用CAM软件生成数控代码，并将数控代码导入数控机床。

升高板料支撑台1到最高处并固定，将成形模具3安装在工作台15上。开启数控机床进行对刀，对刀完成后退刀到安全位置。

剪裁合适尺寸的板料4，这里，板料4为正方形且其边长等于板料支撑台1中间开设的正方形孔的长度加上通电夹具6宽度的两倍。将板料4放在板料支撑台1上，其中板料支撑台1与板料4之间放置云母制作的耐高温绝缘垫片5。如附图3所示，通电夹具6和普通夹具12相间放置在板料4四周并固定。通过接线柱8和导线10将通电夹具6与直流电源11连接，使直流电源11、导线10、接线柱8、通电夹具6、板料4组成电流回路。

松开板料支撑台1，使其在自重状态下降落致模具3与板料4的接触力支撑板料支撑台1。打开直流电源11开关，开始加热板料4，当板料4达到设定温度后运行数控代码进行数控加工，对于钛合金板料设定的温度在500℃左右。

加工过程中温度传感器9测量板料温度并通过控制器13控制直流电源11的输出电流来调节板料4的温度，最终实现板料4的温度闭环控制，板料4在高温下实现整体软化。

加工完成后抬起成形工具2，并关闭直流电源11，待温度降低到室温后取下零件。

以附图2为例说明板料整体自阻加热渐进成形单点成形。

用CAD软件建立零件三维模型，然后用CAM软件生成数控代码，并将数控代码导入数控机床。

升高板料支撑台1到最高处并固定。开启数控机床进行对刀，对刀完成后退刀到安全位置。

剪裁合适尺寸的板料4，这里，板料为正方形且其边长等于板料支撑台1中间开设的正方形孔的长度加上通电夹具6宽度的两倍。将板料4放在板料支撑台1上，其中板料支撑台1与板料4之间放置云母制作的耐高温绝缘垫片5。如附图3所示，通电夹具6和普通夹具12相间放置在板料4四周并固定。通过接线柱8和导线10将通电夹具6与直流电源11连接，使直流电源11、导线10、接线柱8、通电夹具6、板料4组成电流回路。

打开直流电源11开关，开始加热板料4，当板料4达到设定温度后运行数控代码进行数控加工，对于钛合金板料设定的温度在500℃左右。

加工过程中温度传感器9测量板料温度并通过控制器13控制直流电源11的输出电流来调节板料4的温度，最终实现板料4的温度闭环控制，板料4在高温下实现整体软化。

加工完成后抬起成形工具2，并关闭直流电源11，待温度降低到室温后取下零件。

Claims (6)

1.一种板料整体自阻加热渐进成形装置包括：三轴数控机床、成形工具、板料夹具、直流电源、导线、绝缘垫片、温度传感器、温度控制器及保温箱；其特征在于：

所述三轴数控机床为进成装置的运动驱动机构，包括：数控***，X、Y、Z三个方向的伺服电机、丝杠及机床主轴，使机床主轴做三自由度平移运动；

所述成形工具与机床主轴连接，在机床主轴的带动下沿设定的轨迹做三个方向平移运动，并挤压板料使板料不断发生局部变形；

所述板料夹具包含两个通电夹具和两个普通夹具，通电夹具和普通夹具相间布局于板料四周，使板料四周与板料支撑台相对固定；

所述直流电源提供最高36V的低压电流，其最大输出电流应不低于200A，用于给板料提供电流使板料产生焦耳热，且低压保证操作人员的安全；

所述导线一端连接电源，另一端通过接线柱与通电夹具相连，将电源电流传输给板料；

所述绝缘垫片安装在板料与板料支撑台之间，用于使板料与机床之间绝缘，绝缘垫片使用高温绝缘材料；

所述温度传感器用于测量板料温度，布局于板料上夹具与加工区域之间的位置；

所述温度控制器采集温度传感器测得的温度数据，并与设定的温度数据进行对比，得到调节量并传输给直流电源，使直流电源调节输出功率进而调节板料加热温度，实现温度闭环控制；

所述保温箱用于减少热量散失，保温箱包裹板料的发热区域，且上端有开口使成形工具在加工板料时不与保温箱接触，保温箱由保温棉与支撑结构组成。

2.根据权利要求1所述的板料整体自阻加热渐进成形装置，其特征在于：所述板料整体自阻加热渐进成形装置由电源、导线、板料夹具及板料构成电流回路。

3.根据权利要求1所述的板料整体自阻加热渐进成形装置，其特征在于：所述板料整体自阻加热渐进成形装置用于钛合金、镁合金渐进成形加工。

4.根据权利要求1所述的板料整体自阻加热渐进成形装置，其特征在于：所述温度传感器是接触式热电偶或红外热电偶式传感器。

5.根据权利要求1所述的板料整体自阻加热渐进成形装置，其特征在于：绝缘垫片为云母。

6.根据权利要求1所述的板料整体自阻加热渐进成形装置，其特征在于：所述通电夹具与普通夹具之间绝缘，两个通电夹具分别连接直流电源正极和负极，使板料通电。