CN110369607A - 一种基于叠加双层辅助材料的板料渐进成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于叠加双层辅助材料的板料渐进成形装置，包括分别设置在母材两侧的上辅材及下辅材以及与上辅材相适配的工具头，母材与上辅材之间、母材与下辅材之间均设有润滑层，工具头通过对上辅材施加压力，使上辅材、母材及下辅材产生形变；基于该装置的板料渐进成形方法为：1)在母材的上下表面布设润滑层，并与上辅材及下辅材贴合，得到堆叠材料；2)夹持并固定堆叠材料边缘，通过工具头进行加工；3)取下堆叠材料并分离各层，得到加工材料。与现有技术相比，本发明能够保证母材表面没有任何残留高度和加工痕迹，实现高表面质量；本发明可以改变母材成形时的应力状态，减小摩擦力，提高母材的成形极限。

Description

一种基于叠加双层辅助材料的板料渐进成形装置及方法

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，涉及一种基于叠加双层辅助材料的板料渐进成形装置及方法。

背景技术

板料渐进成形零件的表面质量和成形极限是个两个重要的要求。Amini等人在文献“An investigation of conventional and ultrasonic-assistedincrementalforming of annealed AA1050 sheet”(International Journal of AdvancedManufacturing Technology,2017,Volume 90,Issue 5-8,pp 1569-1578)中研究发现：在工具头上作用超声波振动可以提高板料的成形极限。Lu等人在文献“Investigation ofmaterial deformation mechanism in double sideincremental sheet forming”(International Journal of Machine Tools and Manufacture,Volume 93,June 2015,pp 37-48)中研究了双点渐进成形方法。与单点渐进成形相比，双点渐进成形时使得板料承受一个背向的压应力，改善了材料成形的应力状态，因此提高了成形极限。但是双点渐进成形需要专用的设备，工艺过程相对复杂。Skjoedt等人在文献“Single Point IncrementalForming using a Dummy Plate-Multi Plate Forming”(2nd International Conferenceon New Forming Technology,Bremen,September 20-21,2007)中阐述了一种在单点渐进成形中叠加一块板料的成形方法，消除了材料表面的加工痕迹，解决了表面质量与加工时间之间的矛盾，但是该方法降低了所需成形板的成形极限。

工业应用中的很多钣金件，形状复杂且对表面质量和几何精度有很高的要求，传统的渐进成形方法制造的工件表面质量不高，加工时间长，成形极限的提高很有限，影响了该工艺的推广应用。

为了提高薄板材料的成形极限并获得良好的表面质量，还要尽可能降低工艺的复杂程度与设备投资，采用叠加双层辅材的方法，可以使目标材料既有良好的受力状态又有较高的表面质量，这对于拓宽渐进成形工艺的工业应用具有重要意义。

中国专利CN109622777A公布了一种基于叠加辅助材料的板料渐进成形装置及方法，包括工具头、辅材及润滑油，辅材形状与待加工的母材装置匹配，铺设在母材的表面，润滑油填充在母材与辅材之间，工具头经过辅材向母材施力，进行渐进成形加工。该专利通过叠加辅助材料来提高目标板料的成形性，但该方法并不能提高目标板料的表面质量，板料表面还是会存在明显的加工痕迹。相比于该专利，本发明不仅可以大幅提高目标板料的成形性，还能显著改善板料表面质量，可用于加工成形性能较差的材料，如硬铝材料等等，并可以得到表面无加工痕迹的零件。本发明还可以通过提高工具头转速来加工一些常温下难以加工的材料而不会破坏目标板料的表面质量，如镁合金，钛合金等等。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于叠加双层辅助材料的板料渐进成形装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于叠加双层辅助材料的板料渐进成形装置，该装置用于对母材进行加工，所述的装置包括分别设置在母材两侧的上辅材及下辅材以及与上辅材相适配的工具头，所述的母材与上辅材之间、母材与下辅材之间均设有润滑层，所述的工具头通过对上辅材施加压力，使上辅材、母材及下辅材产生形变，从而使母材在上辅材及下辅材的保护下进行渐进成形加工。

所述的上辅材用于保护母材的加工表面，提高母材成形时的表面质量，减少加工痕迹；所述的下辅材用于提高母材的成形极限，起支持作用。该装置具有较大的应用范围，可以适用于成形性能较差的材料，如硬铝合金。

作为优选的技术方案，所述的上辅材的材质为铝合金。

作为优选的技术方案，所述的下辅材的成形极限大于母材的成形极限。

作为优选的技术方案，所述的下辅材的材质为钢。

润滑层一方面用于减少在加工过程中上辅材与母材之间及下辅材与母材之间的摩擦力；另一方面同时保证母材与上辅材及下辅材在成形过程中不会被焊合，成形结束后能够成功分离三者。

进一步地，所述的上辅材与母材及下辅材的形状和尺寸相同，使得上辅材及下辅材与母材可以紧密贴合，产生相同的形变。

进一步地，所述的润滑层为均匀涂抹在母材上表面及下表面的润滑油层。

进一步地，该装置还包括用于夹持固定上辅材、母材及下辅材的边缘夹持部，用于避免上辅材、母材或下辅材在加工过程中发生位移。

一种如上所述装置的板料渐进成形方法，包括以下步骤：

1)在母材的上表面及下表面布设润滑层，并将下辅材、母材及上辅材堆叠在一起，即将下辅材与母材的下表面贴合，将上辅材与母材的上表面贴合，得到堆叠材料；

2)夹持并固定堆叠材料的边缘，通过工具头对上辅材施压并沿设定的运动轨迹运动，进行渐进成形加工；

3)加工结束后，取下堆叠材料并分离各层，得到加工材料。

进一步地，步骤1)中，在母材表面布设润滑层前，先去除母材表面的氧化层。

进一步地，步骤1)中，在上辅材及下辅材分别与母材贴合前，使上辅材及下辅材分别与母材相对齐，使得加工过程中上辅材及下辅材与母材同时发生相同形变。

进一步地，步骤2)中，所述的运动轨迹为螺旋线轨迹。

进一步地，步骤2)中，所述的堆叠材料的加工表面涂有润滑油，以减少工具头运动过程中与加工表面之间的摩擦力。

进一步地，步骤2)中，所述的工具头的表面涂有润滑油，以减少工具头运动过程中与加工表面之间的摩擦力。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明能够保证母材表面没有任何残留高度和加工痕迹，实现高表面质量；

2)本发明可以采用大进给深度成形零件，可显著提高渐进成形的加工效率；

3)本发明可以改变母材板成形时的应力状态，改善应力和厚度分布，减小摩擦力；

4)本发明可以提高母材成形时的静水压力，改善母材的应力状态，减小板料内部损伤的累计速度，从而提高母材板料的成形极限。

附图说明

图1为本发明的一种基于叠加双层辅助材料的板料渐进成形装置的结构示意图；

图中标记说明：

1—工具头、2—上辅材、3—母材、4—下辅材、5—润滑层、6—夹持部。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

如图1所示的一种基于叠加双层辅助材料的板料渐进成形装置，包括工具头1、上辅材2、母材3、下辅材4和润滑油5，上辅材2及下辅材4的形状与待加工的母材3相适配，分别铺设在母材3的上下表面，润滑油5填充分别在母材3与上辅材2之间及母材3与下辅材4之间，工具头1经过上辅材2向母材3施力，进行渐进成形加工，润滑油5涂在母材3表面以减小其与上辅材2及下辅材4之间的摩擦力，同时保证母材3与上辅材2及下辅材4在成形过程中不会被焊合，成形结束后能够成功分离三者。

母材3为成形性能较差的材料，材质为硬铝合金；上辅材为铝合金；下辅材4可以根据需要选择不同的厚度，但成形极限应大于母材3，例如钢。

一种基于叠加双层辅助材料的板料渐进成形方法，包括以下步骤：

S1，将母材3去除表面氧化层后，在母材3上下表面涂上润滑油5，将母材3铺设在下辅材4上，再将上辅材2铺设在母材3上，然后将母材3、上辅材2及下辅材4装夹固定于工作台上并在上辅材2表面涂上润滑油；

S2，根据所需成形零件的形状，设计工具头1的运动轨迹，最好是螺旋线轨迹，并对上辅材2进行渐进成形加工，工具头1对上辅材2的成形力使母材3和下辅材4也成形出相应的零件形状；

S3，工具头1加工完后取出上辅材2及下辅材4和母材3，在润滑油5的作用下分离三块板料，所得母材3即为所需成形的零件。

实施例2：

如图1所示的一种基于叠加双层辅助材料的板料渐进成形装置，该装置用于对母材1进行加工，主要包括分别设置在母材3两侧的上辅材2及下辅材4以及与上辅材2相适配的工具头1、上辅材2与母材3之间、下辅材4与母材3之间均设有润滑层5，工具头1通过对上辅材2施加压力，使上辅材2、母材3及下辅材4产生形变，从而使母材3在上辅材2及下辅材4的保护下进行渐进成形加工。

上辅材2用于保护母材3的加工表面，减少加工痕迹；下辅材4用于提高母材3的成形极限，起支持作用。该装置具有较大的应用范围，可以适用于成形性能较差的材料，如硬铝合金。

上辅材2的材质为铝合金。

下辅材4成形极限大于母材3的成形极限。

下辅材4的材质为钢材质。

润滑层5一方面用于减少在加工过程中上辅材2与母材3之间及下辅材4与母材3之间的摩擦力；一方面同时保证母材3分别与上辅材2及下辅材4在成形过程中不会被焊合，成形结束后能够成功分离三者。

上辅材2与母材3及下辅材4具有相同的形状及尺寸，使得上辅材2及下辅材4与母材3可以紧密贴合，产生相同的形变。

润滑层5为均匀涂抹在母材3上表面及下表面的润滑油层。

该装置还包括用于夹持固定上辅材2、母材3及下辅材4的边缘夹持部6，夹持部6，用于避免上辅材2、母材3或下辅材4在加工过程中发生位移。

一种基于上述装置的板料渐进成形方法，包括以下步骤：

1)在母材3的上表面及下表面布设润滑层5，并将下辅材4与母材3的下表面贴合，将上辅材2与母材3的上表面贴合，得到堆叠材料；

2)夹持并固定堆叠材料的边缘，之后通过工具头1对上辅材2施压并沿设定的运动轨迹运动，进行渐进成形加工；

3)加工结束后，取下堆叠材料并分离各层，得到加工材料。

步骤1)中，在母材2表面布设润滑层5前，先去除母材2表面的氧化层。

步骤1)中，在上辅材2及下辅材4分别与母材3贴合前，使上辅材2及下辅材4分别与母材3相对齐，使得加工过程中上辅材2及下辅材4与母材3同时发生相同形变，从而不会对母材3的成形过程产生不利影响。

步骤2)中，运动轨迹为螺旋线轨迹。

步骤2)中，堆叠材料的加工表面涂有适量润滑油，以减少工具头1运动过程中与加工表面之间的摩擦力。

步骤2)中，工具头1表面涂有适量润滑油，以减少工具头1运动过程中与加工表面之间的摩擦力。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于叠加双层辅助材料的板料渐进成形装置，该装置用于对母材(3)进行成形加工，其特征在于，所述的装置包括分别设置在母材(3)两侧的上辅材(2)及下辅材(4)以及与上辅材(2)相适配的工具头(1)，所述的母材(3)与上辅材(2)之间、母材(3)与下辅材(4)之间均设有润滑层(5)，所述的工具头(1)通过对上辅材(2)施加压力，使上辅材(2)、母材(3)及下辅材(4)产生形变。

2.根据权利要求1所述的一种基于叠加双层辅助材料的板料渐进成形装置，其特征在于，所述的上辅材(2)、下辅材(4)与母材(3)的形状和尺寸相同。

3.根据权利要求2所述的一种基于叠加双层辅助材料的板料渐进成形装置，其特征在于，所述的润滑层(5)为均匀涂抹在母材(3)上表面或下表面的润滑油层。

4.根据权利要求3所述的一种基于叠加双层辅助材料的板料渐进成形装置，其特征在于，该装置还包括用于夹持固定上辅材(2)、母材(3)及下辅材(4)边缘的夹持部(6)。

5.一种基于如权利要求1至4任一项所述装置的板料渐进成形方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)在母材(3)的上表面及下表面布设润滑层(5)，并将下辅材(4)、母材(3)及上辅材(2)堆叠在一起，得到堆叠材料；

2)夹持并固定堆叠材料的边缘，之后通过工具头(1)对上辅材(2)施压并沿设定的运动轨迹运动，进行渐进成形加工；

3)加工结束后，取下堆叠材料并分离各层，得到加工材料。

6.根据权利要求5所述的一种基于所述装置的板料渐进成形方法，其特征在于，步骤1)中，在母材(2)表面布设润滑层(5)前，先去除母材(2)表面的氧化层。

7.根据权利要求5所述的一种基于所述装置的板料渐进成形方法，其特征在于，步骤1)中，在上辅材(2)及下辅材(4)分别与母材(3)贴合前，使上辅材(2)及下辅材(4)分别与母材(3)相对齐。

8.根据权利要求5所述的一种基于所述装置的板料渐进成形方法，其特征在于，步骤2)中，所述的运动轨迹为螺旋线轨迹。

9.根据权利要求5所述的一种基于所述装置的板料渐进成形方法，其特征在于，步骤2)中，所述的堆叠材料的加工表面涂有润滑油。

10.根据权利要求5所述的一种基于所述装置的板料渐进成形方法，其特征在于，步骤2)中，所述的工具头(1)的表面涂有润滑油。