CN106825182B - 基于垂直加载的随动保压式柔性拉伸成形机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于垂直加载的随动保压式柔性拉伸成形机，用于板类件三维曲面成形的塑性加工设备。其目的是使柔性拉伸成形装置控制、操作简化，降低制造成本，实现板料成形过程的智能化自适应精确控制；同时使成形件的应力应变均匀分布，减小回弹量，提高成形件质量。该机主要由机架(1)、预拉伸机构(2)、随动保压机构(3)、夹料机构(4)和垂直加载机构(5)组成；机架(1)的两端分别连接有两个水平预拉伸机构(2)、一排多个随动保压机构(3)和夹料机构(4)，其机架(1)中间位置布置一套垂直加载机构(5)；所述预拉伸机构(2)一端铰接于机架(1)，另一端与水平移动条(6)铰接；所述随动保压机构(3)一端与水平移动条(6)铰接，另一端通过半球形拉杆与夹料机构(4)连接。

Description

基于垂直加载的随动保压式柔性拉伸成形机

技术领域

本发明的被动拉伸式柔性拉伸成形装置涉及一种用于板类件三维曲面成形的塑性加工设备，属于机械工程领域。

背景技术

被动拉伸式柔性拉伸成形装置是大型板材三维曲面件的主要加工设备，主要应用于航空航天、高速铁路及异形建筑造型等领域中双曲率三维曲面件的成形。传统的板料拉伸成形装置由于采用整体夹钳，夹钳夹持板材后在拉形模具的配合下，板材的各个部分沿纵向基本同步拉伸，钳口夹持的板料端始终保持为固定的形状，导致板料在横向上不能随模具型面主动变形，在成形双曲率曲面件时，曲面件的拉应力和拉应变分布明显不均匀，易产生不贴模、拉裂、起皱和滑移线等成形缺陷。为了消除缺陷，提高成形件质量，近几年开发出了基于多点离散化思想的柔性拉伸成形装置，其采用离散夹钳。柔性拉伸成形装置主要由机架、夹料机构和拉料机构组成，机架的两侧分别布置着一排多个拉料机构和夹料机构；拉料机构分别由水平、垂直和倾斜布置三排液压缸组成。成形板料时，通过分别控制三排液压缸对板料加载，模具固定不动，实现了板料的柔性拉伸成形，使板料应力应变分布均匀，减少缺陷。但由于柔性拉伸成形装置采用了六排液压缸，且均是主动控制液压缸伸缩，液压缸都是主动控制的，液压缸和控制液压阀的数量非常多；电气元件非常多，控制***复杂，操作复杂，不易控制，而且柔性拉伸成形装置造价较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种被动拉伸式柔性拉伸成形装置，拉料机构只用两侧各一排随动保压液压缸组成，与垂直加载缸配合实现板料三维曲面件的柔性拉伸成形，使成形件应力应变分布更均匀，提高拉形件质量；成形板料时，首先两侧夹钳加紧板料，再水平方向预拉板料，后通过主动控制垂直加载机构顶起模具，同时两侧随动保压液压缸(有杆腔保持一定液压力)拉伸板材，随着拉伸模具上升板材逐渐贴合模具，直至完全贴合模具为止。柔性拉伸成形装置用一个主动控制垂直加载机构代替现在的主动控制六排液压缸(两侧的水平缸、倾斜缸及垂直缸)，因此主动控制液压缸数量和控制液压阀的数量大幅减少，明显降低柔性拉伸成形装置制造成本；使柔性拉伸成形装置电气控制更加简单，操作方便，实现板料拉伸成形过程的智能化自适应精确控制。

本发明的上述目的是这样实现的，结合附图说明如下：

一种被动拉伸式柔性拉伸成形装置，主要由机架1、预拉伸机构2、随动保压机构3、夹料机构4和垂直加载机构5组成，机架1的两端分别连接有两个水平预拉伸机构2、一排(多个)随动保压机构3和夹料机构4，其机架1中间位置布置一套垂直加载机构5。预拉伸机构2通过水平移动条6与随动保压机构3铰接，水平移动条6与水平固定于机架1上的导轨7滑动配合。随动保压机构3与夹料机构4连接，并与垂直加载机构5柔性连接，垂直加载机构5的工作台5-2上面安装拉伸成形用模具。

所述的预拉伸机构2一端铰接于机架1，另一端与水平移动条6铰接，且在导轨7的作用下只能水平移动；所述的导轨7水平固定于机架1上，水平移动条6在导轨7上水平移动，保证预拉伸机构2水平移动。

所述的随动保压机构3由液压缸缸体3-1、液压缸活塞杆3-2、插装阀3-3、比例溢流阀3-4和比例换向阀3-5构成；所述的插装阀3-3作为比例溢流阀的先导阀，起到放大流量的作用；所述的比例溢流阀3-4用于实现数字化控制液压缸有杆腔压力，拉伸成形时只有液压缸有杆腔液压力达到比例溢流阀设定压力，才被动打开溢流，液体通过插装阀回油箱，当垂直加载机构上升时随动保压机构的液压缸活塞杆才能被动拉出(伸出)并保持拉形力准恒定；所述的比例换向阀3-5通过改变电流的正负或大小控制液压缸的伸出或缩回及其移动速度。

所述的垂直加载机构5主要由液压缸5-1、工作台5-2、阻尼支撑装置5-3构成；所述的液压缸5-1是垂直加载机构5的主体，能够带动工作台5-2和拉伸成形用模具一起上升或下降；所述的阻尼支撑装置5-3一端铰接于工作台5-2上，另一端与随动保压机构3柔性连接，拉深成形结束后，当夹钳松开拉伸件后，阻尼支撑装置支撑随动保压液压缸不至于掉落下来，当液压缸5-1带着工作台下落时，随动保压液压缸缓慢恢复为水平状态。

所述的拉伸成形用模具采用整体实体模具8，或采用多点可调式数字化模具9。

所述的机架1左右两侧的预拉伸机构2、随动保压机构3和夹料机构4之间距离可调；所述的随动保压机构3和夹料机构4的数量同时增加或减少。

技术效果：本发明的被动拉伸式柔性拉伸成形装置，将垂直加载机构与随动保压机构实现控制一体化，达到柔性拉伸三维曲面件成形之目的；与传统拉形机相比，通过采用随动保压机构和离散式夹钳，能够实现板料的柔性拉伸成形，使板料成形过程中应力和应变分布均匀，减少成形件缺陷，提高成形件质量。与现有的柔性拉形机相比，本发明的拉形机的工作原理和过程与其明显不同，现有的柔性拉形机的拉料过程是先水平缸伸出—夹钳夹料—水平缸预拉—主动控制垂直和倾斜液压缸或水平缸缩回成形，而本发明的柔性拉形机是随动保压机构伸出—夹钳夹料—预拉机构预拉—垂直加载机构加载—随动保压机构被动伸出成形(一排随动保压机构保持准恒定压力)，并能够依据拉伸模具形状自协调工作；现有的柔性拉形机需主动控制六排液压缸，而本发明的拉形机只用两排液压缸，而且是非主动控制的，都是被动的，其数量减少到1/3，相应控制阀数量也减少近2/3，显著降低了拉形机的制造成本(含机架、拉料液压缸、液压控制)；从电气控制控制点数看，现有的柔性拉形机需主动控制点数多(六排液压缸)，而且本发明中的随动保压机构在板料预拉伸和成形过程中不需单独实时控制，只需主动控制垂直加载机构的移动量和速度，需控制自由度明显减少，且不存在每排多个液压缸不同步的问题，操作控制更加简单，易于实现板料成形过程的智能化自适应精确控制。

附图说明

图1是被动拉伸式柔性拉伸成形装置示意图，其中：

图1(a)是正视图。

图1(b)是俯视图。

图2是随动保压机构示意图。

图3是垂直加载机构示意图。

图4是采用实体模具的随动保压式柔性拉伸成形示意图。

图5是拉伸成形过程中夹料机构随板料变形趋势而摆动和转动的示意图。

图6是采用多点可调式数字化模具的随动保压式柔性拉伸成形示意图。

图7是左右两侧预拉伸机构、随动保压机构和夹料机构之间距离可调的随动保压式柔性拉伸成形装置示意图。

图中：1.机架，1-1.左拉伸架，1-2.右拉伸架，1-3.机座，2.预拉伸机构，3.随动保压机构，3-1.液压缸缸体，3-2.液压缸活塞杆，3-3.插装阀，3-4.比例溢流阀，3-5.比例换向阀，4.夹料机构，5.垂直加载机构，5-1.液压缸，5-2.工作台，5-3.阻尼支撑装置5-4.梭阀，5-5.比例换向阀，5-6.定差减压阀，5-7.电磁换向阀，6.水平移动条，7.导轨，8.实体模具，9.多点可调式数字化模具，10.板料。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例进一步说明本发明的具体内容及其工作过程。

本发明的柔性被动拉伸成形成形装置，主要由机架1以及机架1左右两端各一套预拉伸机构2、一排多个随动保压机构3和夹料机构4以及一套垂直加载机构5组成。预拉伸机构2通过水平移动条6与随动保压机构3铰接，水平移动条6与水平固定于机架1上的导轨7滑动配合。随动保压机构3与夹料机构4连接，并通过阻尼支撑机构与垂直加载机构5上的工作台柔性连接，垂直加载机构5上面安装拉伸成形用模具。板料拉伸成形时，垂直加载机构5是主动控制加载机构，一排随动保压机构3只用一个比例溢流阀控制被动拉形力和一个比例换向阀控制伸缩。依据多缸液压***的帕斯卡定理和材料的加工硬化特性以及最小阻力定律，在相同控制液压力(一个比例溢流阀控制)的成排随动保压机构作用下，能够使各夹料机构4沿拉伸方向实现不同的位移量与转角(依据拉伸模具形状而变化)，但拉形件沿拉伸方向的最终拉形力相等，从而使拉形件拉应力和拉应变分布更加均匀。当要加工的板料宽度尺寸变化较大时，可同时增加或减少所用随动保压机构3和夹料机构4的数量。当板料长度变化较大时，可以将机架1设计成左右两个拉伸架1-1和1-2，拉伸架安装在机座1-3上，拉伸架与机座1-3通过导轨连接，并可以在机座1-3上水平移动，以对应不同板料长度尺寸。此外，通过采用多点可调式数字化模具9，能够用一套模具成形多种三维曲面件，从而更好地满足多品种工件柔性生产的需求。

图1是被动拉伸式柔性拉伸成形装置示意图，主要由机架1、预拉伸机构2、随动保压机构3、夹料机构4和垂直加载机构5组成。机架1的两侧各有一套水平预拉伸机构2与之铰接，预拉伸机构2的另一端与水平移动条6连接。导轨7固定于机架1上，水平移动条6在导轨7上水平移动，保证预拉伸机构2只能水平方向上移动。一排多个随动保压机构3一端与水平移动条6铰接，另一端与夹料机构4铰接。垂直加载机构5是柔性拉伸成形装置主要的主动加载机构，其液压缸5-1通过法兰与机架1连接，工作台5-2下面与垂直加载液压缸5-1的活塞杆连接，上面用于安装拉伸成形用模具。阻尼支撑装置5-3用于支撑随动保压机构3，其一端铰接于工作台5-2左右侧，另一端与随动保压机构3柔性连接。拉伸成形时阻尼支撑装置5-3与随动保压机构3保持接触，拉伸成形完成后夹钳松开工件时，阻尼支撑支撑随动保压机构3随工作台5-2下降而恢复水平状态。

图2是随动保压机构示意图，主要由液压缸缸体3-1、液压缸活塞杆3-2、插装阀3-3、比例溢流阀3-4和比例换向阀3-5构成。插装阀3-3作为比例溢流阀的先导阀，起到放大流量的作用；比例溢流阀3-4可以实现随动保压液压缸有杆腔压力数字化控制，拉伸成形时只有达到比例溢流阀设定压力，才被动打开溢流，保持拉形力恒定。比例换向阀3-5通过改变电流的正负或大小控制液压缸的伸出或缩回及其移动速度。

图3是垂直加载机构示意图，主要由液压缸5-1、工作台5-2、阻尼支撑装置5-3构成。液压缸5-1是垂直加载机构的主体，能够带动工作台5-2和拉伸成形用模具一起上升或下降。阻尼支撑装置5-3一端铰接于工作台，另一端与随动保压机构3柔性连接。梭阀5-4实现定差减压阀5-6的弹簧腔自动与比例换向阀5-5的A和B口中比较大的压力口连通，比例换向阀5-5通过改变控制电流的正负或大小控制液压缸的伸出或缩回及其活塞杆的移动速度(拉伸模具上升速度)，定差减压阀5-6控制比例换向阀5-5的P口与A口或者B口之间的压力差恒定，压力差值可以在电脑上设置。电磁换向阀5-7控制液压缸5-1活塞杆(工作台)的空载上升或下降。

图4是采用整体实体模具8的随动保压式柔性拉形示意图。首先，通过水平布置的预拉伸机构2对板料10进行预拉伸；其次，通过垂直加载机构5驱动实体模具8上升使板料10逐渐贴模，并在随动保压机构3的配合下完成拉伸成形。在板料成形过程中，各随动保压机构3中的液压缸拉力保持相等，各夹料机构4能够依据实体模具8型面的变化(拉伸方向的母线长短和切线方向)获得不同移动量、俯仰角及摆角，从而顺应实体模具8型面的变化趋势而移动与旋转，较容易地实现板料10的贴模，并最终成形三维曲面件。

图5是拉伸成形过程中夹料机构4随板料10变形趋势而摆动与转动的示意图。

图6是采用多点可调式数字化模具9的随动保压式柔性拉形示意图。多点可调式数字化模具9可以随意变换模具型面，能够用一套模具成形多种三维曲面件，实现一机多用，从而更好地满足多品种工件柔性生产的需求。

图7是左右两侧的预拉伸机构2、随动保压机构3及夹料机构4之间距离可调的被动拉伸式柔性拉伸成形装置示意图。当加工的板料长度尺寸变化较大时，可以将机架1设计成左右两个拉伸架1-1和1-2，拉伸架1-1和1-2安装在机座1-3上，与机座1-3通过导轨连接，并可以在机座1-3上水平移动。通过调整左右两个拉伸架1-1和1-2之间的距离就可以改变左右两端拉料机构2、随动保压机构3和夹料机构4之间的距离，实现不同长度板料的拉伸成形。此外，当加工的板料宽度较小时，可以只使用一排多个随动保压机构3中的若干个机构，而不用的随动保压机构通过计算机设置使之无压随动；当板料宽度较大时，可以同时增加随动保压机构3和夹料机构4的数量，从而进一步适应不同尺寸规格板料的拉伸成形。

下面举例来说明本发明的被动拉伸式柔性拉伸成形装置的工作过程。首先，根据板料的尺寸确定使用随动保压机构和夹料机构的数量以及夹料机构的初始位置以便夹持板料，通过调整随动保压机构的行程，实现多个夹料机构的定位。然后，将板料放入夹料机构的夹钳口内，通过夹料机构夹紧板材，夹料后通过控制预拉伸机构，将板料预拉伸到设定值。然后，启动垂直加载机构，带动工作台和拉伸用成形模具向上移动，随动保压机构被动伸出，使板料与模具接触，随动保压机构也逐渐抬起，板料逐渐贴合模具，通过控制预设的液压力对板材加载，同时协调控制预拉伸机构，使水平移动条向成形模具方向水平移动，以顺应模具型面变化使板料逐渐贴模。在此过程中，各随动保压机构中液压缸的压力相等，根据模具型面的变化，能够使板料获得最佳的拉伸方向与拉伸量，实现夹料机构顺应模具曲面的变化趋势而移动与旋转，实现板料的贴模。拉伸成形结束后，调整夹料机构使成形件松开，随动保压机构在阻尼支撑装置的作用下随工作台下降而恢复水平状态。

本发明的被动拉伸式柔性拉伸成形装置，基于板材三维曲面件成形过程简单化，将垂直加载成形与两个随动保压机构的柔性控制有机结合，能够实现板料的柔性拉伸成形，提高拉形件质量；明显减少了液压缸和控制阀的使用数量，显著降低了拉形机的制造成本；大大地减少了控制自由度，使电气控制更加简单，易于实现板料成形过程的智能化自适应精确控制。

Claims (6)

1.一种基于垂直加载的随动保压式柔性拉伸成形机，主要由机架(1)、预拉伸机构(2)、随动保压机构(3)、夹料机构(4)、垂直加载机构(5)和阻尼器组成，其特征在于，所述机架(1)的两端分别连接有一套水平预拉伸机构(2)、一排多个随动保压机构(3)和夹料机构(4)，其机架(1)中间位置布置一套垂直加载机构(5)；所述预拉伸机构(2)通过水平移动条(6)与随动保压机构(3)铰接，水平移动条(6)与机架(1)上的导轨(7)滑动配合；所述随动保压机构(3)一端与夹料机构(4)连接，另一端与水平移动条相铰接；所述的阻尼器一端与垂直加载机构(5)上的工作台铰接，另一端与随动保压机构柔性连接；垂直加载机构(5)上面工作台安装拉伸成形用模具。

2.根据权利要求1所述的一种基于垂直加载的随动保压式柔性拉伸成形机，其特征在于，所述的预拉伸机构(2)由两个比例控制即伺服控制或脉冲控制的液压缸构成；预拉伸机构(2)一端铰接于机架(1)，另一端与水平移动条(6)铰接，且在导轨(7)的作用下只能水平移动；所述的导轨(7)水平固定于机架(1)上，水平移动条(6)在导轨(7)上水平移动，保证预拉伸机构(2)水平移动。

3.根据权利要求1所述的一种基于垂直加载的随动保压式柔性拉伸成形机，其特征在于，所述的随动保压机构(3)由液压缸缸体(3-1)、液压缸活塞杆(3-2)、插装阀(3-3)、比例溢流阀(3-4)和比例换向阀(3-5)构成；所述的插装阀(3-3)作为比例溢流阀的先导阀，起到放大流量的作用；所述的比例溢流阀(3-4)用于实现数字化控制液压缸有杆腔压力，拉伸成形时只有达到比例溢流阀设定压力，才被动打开溢流，保持拉形力恒定；所述的比例换向阀(3-5)通过改变电流的正负或大小控制液压缸的伸出或缩回及其移动速度。

4.根据权利要求1所述的一种基于垂直加载的随动保压式柔性拉伸成形机，其特征在于，所述的垂直加载机构(5)主要由液压缸(5-1)、工作台(5-2)、阻尼支撑装置(5-3)构成；所述的液压缸(5-1)是垂直加载机构(5)的主体，能够带动工作台(5-2)和拉伸成形用模具一起上升或下降；所述的阻尼支撑装置(5-3)一端铰接于工作台(5-2)两侧，另一端与随动保压机构(3)柔性连接。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于垂直加载的随动保压式柔性拉伸成形机，其特征在于，拉伸成形用模具采用整体实体模具(8)，或采用多点数字化模具(9)。

6.根据权利要求1所述的一种基于垂直加载的随动保压式柔性拉伸成形机，其特征在于，所述的机架(1)左右两侧的预拉伸机构(2)、随动保压机构(3)和夹料机构(4)之间距离可调；所述的随动保压机构(3)和夹料机构(4)的数量同时增加或减少。