專利名稱：壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形壓頭及其成形裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬板材的成形加工，尤其涉及用于加工各種具 有復(fù)雜曲面形狀，如汽車、航空飛行器等殼體及其鈑金件的成形 設(shè)備。
背景技術(shù)：
據(jù)統(tǒng)計全世界的鋼材中，有60%—70%的是板材，其中大部 分是經(jīng)過沖壓成形而被制成成品的。事實上，在現(xiàn)代制造業(yè)中， 不管是汽車車身、航空飛行器殼體，還是各種儀器儀表、辦公機 械，以至家用電器和生活器皿等產(chǎn)品中，都存在大量的沖壓成型 件。目前這些具有各種曲面形狀的板材成形件，大多是靠壓力機 和模具對板材、帶材或型材等施加壓力，使之產(chǎn)生塑性變形而獲 得所需形狀和尺寸的成形鈑金件。這種現(xiàn)有的沖壓成型加工方法 雖具有省工、省料、生產(chǎn)效率高和沖壓力便于控制的優(yōu)點，但也 存在著一些不足:首先是模具制造成本高、制作周期長，因此僅適
用于大規(guī)模批量生產(chǎn)，而對小批量或試制件就顯得十分不經(jīng)濟， 尤其對新產(chǎn)品的研制和開發(fā)十分不利；其次是這種沖壓成型的加
工范圍也受到一定的限制，現(xiàn)代的汽車制造業(yè)、^"^^^e業(yè)等領(lǐng)
域的鈑金件正朝著結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜、精度日益提高、分塊尺寸增大、 相關(guān)聯(lián)的零部件增多，使得模具的制作難度日趨加大，以至難以 制成高精度的理想模具；再者對于具有圓柱沖壓頭的沖壓設(shè)備，
4由于沖壓作用力總是垂直向下的，這對于工件曲面或傾斜面來說， 沖壓頭必然產(chǎn)生一沿沖壓點切向的切向分力，這一切向分力又必 然產(chǎn)生對工件的切向撕拉，而出現(xiàn)工件的拉破和起鈹；同時這種 沖壓成形方法，其工件曲率半徑受到?jīng)_壓頭半徑的限制，否則會 直接影響工件的形狀和尺寸精度。
為此，人們開發(fā)出一種利用通電線圈產(chǎn)生電磁力的電磁成形 工藝，該工藝裝備在數(shù)微秒內(nèi)建立起磁場，使金屬工件尤其是導(dǎo) 電率強的材質(zhì)感生出電流，磁場與感生電流及其感生磁場相互間 產(chǎn)生巨大的作用力，當(dāng)沖擊壓力值達(dá)到工件材料的屈服強度時， 工件將產(chǎn)生塑性變形。電磁成形技術(shù)是一種非接觸成形工藝，它 具有成形模具簡單、設(shè)備通用性強、便于實現(xiàn)自動控制的優(yōu)點。
中國專利"多功能數(shù)控成型加工機"專利號00230779.0及"板材 動圈電磁漸進(jìn)成形裝置"專利號200620095508.5，均公開了這種 應(yīng)用電磁成形原理的成形設(shè)備。但這類成形方法仍存在如下缺點 一是成形壓力作用不穩(wěn)定，成形壓力受電磁壓頭與工件間隙變化 的影響十分明顯，間隙的增大會導(dǎo)致沖壓力驟減，從而使被加工 件并不能準(zhǔn)確地形成所需的曲面形狀；同時線圈平面還必須平行 于工件，否則同樣會形成壓力不穩(wěn)而難以得到所需的工件形狀； 二是成形壓力不易調(diào)節(jié)控制，電磁壓力的沖壓力方向是在沖壓作 用位置一定范圍內(nèi)呈發(fā)散狀的，這種發(fā)散狀的沖壓力還難以通過 計算機的控制而實現(xiàn)跟隨性調(diào)節(jié)，不利于對被加工工件的定量精 確成形。另外，電磁壓頭的沖壓力還與被加工材料的導(dǎo)電率相關(guān) 聯(lián)，使這種電磁成形工藝的適用范圍受到限制
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種壓力可調(diào)控板材漸進(jìn) 成形壓頭，它不僅適用于各種復(fù)雜曲面工件的成形加工，加工精 度和表面質(zhì)量優(yōu)，而且準(zhǔn)確定量成形，壓力可調(diào)節(jié)控制。此外， 本發(fā)明另一個要解決的技術(shù)問題是還要提供一種具有該漸進(jìn)成形 壓頭的成形裝置。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形 壓頭，包括成形壓頭筒體，在所述呈筒狀的成形壓頭筒體的上端
固定安裝有成形電機；成形壓頭筒體的下端通過球頭座活動地裝 有成形球頭，該成形球頭具有伸出成形壓頭筒體下端的外伸球冠 部；在所述成形壓頭筒體的內(nèi)腔里從上到下依次裝有由絲杠和螺 母組成的傳動副及壓力傳感器，該壓力傳感器位上墊板和下墊板 之間；絲杠與成形電機輸出軸相連接，螺母支承于上墊板上；在 下墊板和球頭座之間支承有球頭彈簧。
采用上述技術(shù)方案后，由于將成形球頭活動地安裝于成形壓 頭筒體的下端，成形壓頭是通過活動成形球頭對板材進(jìn)行施壓成 形的，這樣一方面可以將復(fù)雜的曲面形狀沿高度方向離散成若干 斷面層，即分解成一系列的等高線層，成形壓頭在計算機控制下 沿等高線層面上的加工軌跡運動，以此逐層面地對板材進(jìn)行漸進(jìn) 地塑性加工，即通過成形壓頭施行許多有順序的局部塑性成形累 積成預(yù)定大變形的方法，把板材漸進(jìn)地加工成與三維數(shù)字模型形 狀相同的薄殼工件，這不僅滿足了各種復(fù)雜曲面形狀的加工，而 且適用于小批量或試制件的成形加工；另一方面活動的成形球頭， 還有效地消除了成形施壓過程中,成形壓頭在施壓點所產(chǎn)生的切向 分力，而僅對工件施以一產(chǎn)生有效塑性變形的分力，避免了因施壓切向分力所引起的工件起皺和拉破。又由于成形球頭通過球頭 座支承于球頭彈簧上，當(dāng)工件加工面與成形壓頭中心線間的夾角 變化及加工過程中振動等原因，而引起成形施壓力變化時，球頭 彈簧的通過其儲能和吸震作用，達(dá)到穩(wěn)定成形球頭施壓力、產(chǎn)生 近似于靜壓力的成形施壓，有利于提高加工件的尺寸精度和表面 質(zhì)量，可以成形其他現(xiàn)有技術(shù)所無法成形的工件。還由于在成形 筒體的筒腔里裝有壓力傳感器，壓力傳感器能夠準(zhǔn)確感知成形球 頭的施壓作用力，通過計算機的控制作用，及時調(diào)整和控制成形 球頭作用力，這樣既能依據(jù)復(fù)雜曲面形狀的變化、各部分延伸率 的不同，而調(diào)整成形壓力的大小，克服因壓力大小和方向不可調(diào) 控容易引起的金屬板材成形件起皺、破裂現(xiàn)象，同時也更有利于 整個成形加工過程中的計算機數(shù)字控制管理，實現(xiàn)成形加工的精 確控制和自動化管理。漸進(jìn)成形壓頭的成形施力采用成形電機驅(qū) 動的絲杠螺母副，不僅能在計算機控制下，通過成形電機精確施 壓和準(zhǔn)確定位自鎖，而且具有結(jié)構(gòu)簡單施壓平穩(wěn)無沖擊的特點。
本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，所述成形球頭的半徑r與工件最 小曲率半徑R之比r/R=0.4—0.8。當(dāng)被加工件具有復(fù)雜曲面形狀 時，將成形球頭半徑嚴(yán)格控制在與工件曲率半徑相關(guān)的比值范圍 內(nèi)，更利于對復(fù)雜曲面進(jìn)行局部細(xì)微成形，實現(xiàn)精確定量成形， 成形精度高，避免成形球頭尺寸與工件局部尺寸的干涉。
本發(fā)明的又一種優(yōu)選實施方式，所述成形球頭半徑F5mm— 10mm。當(dāng)被加工件為平直件時，控制成形球頭尺寸，有利于提高 成形球頭在成形施壓的壓強，減小施壓力，提高成形精準(zhǔn)度。
本發(fā)明的再一種優(yōu)選實施方式，所述成形球頭通過滾珠可轉(zhuǎn)動地置于球頭座上。該結(jié)構(gòu)將成形球頭與球頭座的滑動摩擦變?yōu)?滾動摩擦，提高了成形球頭的靈活性，更能有效地避免施壓加工 中施壓切向分力的出現(xiàn)。
另外，本發(fā)明還提供了一種壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形裝置， 該成形裝置包括可實現(xiàn)三維運動的機架，在所述機架上安裝有本 發(fā)明的壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形壓頭。
本發(fā)明又提供了一種壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形裝置，該成形 裝置包括固定機架，在所述固定機架上安裝有本發(fā)明的壓力可調(diào) 控板材漸進(jìn)成形壓頭。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說
明；
圖1是本發(fā)明壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形壓頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)號l一成形球頭，2—滾珠，3—球頭座，4—球頭彈 簧，5—下墊板，6—壓力傳感器，7—上墊板，8—連接筒，9_成 形壓頭筒體，10—螺母，ll一絲杠，12—聯(lián)軸器，13—成形電機， 14一電機座，15—計算機控制器。
具體實施例方式
如圖1所示的壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形壓頭，呈筒狀結(jié)構(gòu)的 成形壓頭筒體9內(nèi)具有階梯形內(nèi)腔，在成形壓頭筒體9的上端固 定連接有電機座14，成形電機13固定安裝于電機座14內(nèi)，成形 電機13為伺服電機或步進(jìn)電機。在成形壓頭筒體9的下端空腔內(nèi) 通過球頭座3裝有成形球頭1，在成形球頭1與球頭座3之間支承 有若干滾珠2，使得成形球頭1能在球頭座3及成形壓頭筒體9的下端空腔內(nèi)轉(zhuǎn)動，成形球頭1的外側(cè)球冠部伸出成形壓頭筒體1 的下端腔壁。
在成形壓頭筒體9的內(nèi)腔內(nèi)從上至下依次裝有由絲杠11和螺 母10組成的傳動副，以及壓力傳感器6，壓力傳感器6的上、下 兩側(cè)分別墊有上墊板7和下墊板5，在下墊板5和球頭座3之間支 承有球頭彈簧4，該球頭彈簧4采用圓柱螺旋彈簧結(jié)構(gòu)。絲杠螺母 傳動副中的絲杠11通過聯(lián)軸器12與成形電機13的輸出軸直接連 接，聯(lián)軸器12為剛性聯(lián)軸器，當(dāng)然也可以采用其他常用聯(lián)軸器； 螺母10為一具有與絲杠11相配合螺孔的板狀螺母，該螺母10通 過連接筒8固定安裝于上墊板7上，同樣呈筒狀結(jié)構(gòu)的連接筒8 位于該漸進(jìn)成形壓頭的中心線位置，其中心位置具有空腔。絲杠 11的下端伸入該連接筒8的空腔內(nèi)，該空腔的長度足以保證螺母 IO沿軸向移動。壓力傳感器6采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器，該壓 力傳感器6還可以是壓阻式或電感式壓力傳感器及其其他相應(yīng)結(jié) 構(gòu)形式的壓力傳感器。
成形球頭1的球體半徑與加工件的曲面形狀具有關(guān)聯(lián)性。當(dāng) 被加工件包括有復(fù)雜的曲面形狀，在該復(fù)雜曲面形狀中其最小的 曲率半徑為R，則成形球頭1半徑r與所述工件最小曲率半徑R 之比r/R應(yīng)當(dāng)選擇0.4—0.8之間，通過對大量實驗數(shù)據(jù)的分析選擇， 當(dāng)r/J^0.4—0.8時，漸進(jìn)成形壓頭具有較為理想的加工性能，其被 加工件也具有較高的尺寸精度和表面質(zhì)量。當(dāng)被加工件僅具有平 直面，則成形球頭1的球頭半徑r應(yīng)選擇在5mn—10mn之間更為 合適。
漸進(jìn)成形壓頭在計算機控制器15的控制下工作，漸進(jìn)成形壓頭中的成形電機13和壓力傳感器6均與計算機控制器15相互電 連接。工作時，將擬加工件根據(jù)三維模型切片分層而形成沿高度 方向具有許多斷面層的數(shù)字模型，如設(shè)定層間距為Ah，以被加工件 最頂端為零點來控制成形電機13的轉(zhuǎn)動量，成形電機13能過絲 杠螺母副下壓成形球頭11，使成形球頭1下方的板材壓下一個高 度為Ah的凹坑，隨后成形球頭1沿該層等高輪廓線移動，完成所 設(shè)定的第一等高層面上的加工軌跡的成形加工，直到成形球頭1 按該層等高線走完一圈到起點。接著成形球頭1再次下壓，使板 材被壓下第二個高度仍為A h的高度并重復(fù)上述過程，以此類推， 直至完成全部層面的成形。在此過程中，壓力傳感器6將漸進(jìn)成 形壓頭的施壓大小等信息傳遞給計算機控制器15，計算機控制器 15控制成形電機13，成形電機13驅(qū)動絲杠螺母副實行施力的調(diào) 整。
在一種具有上述壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形壓頭的漸進(jìn)成形裝 置中，該漸進(jìn)成形壓頭固定安裝于常見的三軸數(shù)控成形系統(tǒng)的機 架上，如三軸聯(lián)動的立銑加工機床上，該機架可實現(xiàn)三維運動， 機架的三維運動同樣受到計算機控制器的控制，以使?jié)u進(jìn)成形壓 頭隨機架完成X、 Y、 Z三個方向的移動。被加工件則固定于固定 工作臺上。
在另一種具有壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形壓頭的漸進(jìn)成形裝置 中，該漸進(jìn)成形壓頭固定安裝于固定的機架上，而被加件則固定 安裝在三軸聯(lián)動的工作臺上。
權(quán)利要求
1、一種壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形壓頭，包括成形壓頭筒體(9)，其特征在于在所述呈筒狀的成形壓頭筒體(9)的上端固定安裝有成形電機(13)；成形壓頭筒體(9)的下端通過球頭座(3)活動地裝有成形球頭(1)，該成形球頭(1)具有伸出成形壓頭筒體(1)下端的外伸球冠部；在所述成形壓頭筒體(9)的內(nèi)腔里從上到下依次裝有由絲杠(11)和螺母(10)組成的傳動副及壓力傳感器(6)，該壓力傳感器(6)位上墊板(7)和下墊板(5)之間；絲杠(11)與成形電機(13)輸出軸相連接，螺母(10)支承于上墊板(7)上；在下墊板(5)和球頭座(3)之間支承有球頭彈簧(4)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形壓頭，其 特征在于所述成形球頭(1)的半徑r與工件最小曲率半徑R之 比r/R二0.4—0.8。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形壓頭，其 特征在于所述成形球頭(1)半徑F5mm—10mm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形壓頭，其 特征在于所述成形電機(13)為伺服電機或步進(jìn)電機，其輸出 軸通過聯(lián)軸器(12)與絲杠(11)相連接，成形電機(13)通過 電機座(14)固定安裝在成形壓頭筒體(9)上端。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形壓頭，其特征在于所述螺母(10)通過連接筒(8)固定安裝于上墊板(7) 上，絲杠(11)的下端伸入該連接筒(8)的空腔內(nèi)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形壓頭，其特征在于所述成形球頭(1)通過滾珠(2)可可轉(zhuǎn)動地置于球頭座(3)上。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形壓頭，其特征在于所述壓力傳感器(6)為電阻應(yīng)變式壓力傳感器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形壓頭，其特征在于所述壓力傳感器(6)為壓阻式或電感式壓力傳感器。
9、 一種壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形裝置，包括可實現(xiàn)三維運動的機架，其特征在于在所述機架上安裝有如權(quán)利要求1—8之一所述的壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形壓頭。
10、 一種壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形裝置，包括固定機架，其特征在于在所述固定機架上安裝有如權(quán)利要求1—8之一所述的壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形壓頭。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形壓頭，它包括成形壓頭筒體，在所述呈筒狀的成形壓頭筒體的上端固定安裝有成形電機；成形壓頭筒體的下端通過球頭座活動地裝有成形球頭，該成形球頭具有伸出成形壓頭筒體下端的外伸球冠部；在所述成形壓頭筒體的內(nèi)腔里從上到下依次裝有由絲杠和螺母組成的傳動副及壓力傳感器，該壓力傳感器位于上墊板和下墊板之間；絲杠與成形電機輸出軸相連接，螺母支承于上墊板上；在下墊板和球頭座之間支承有球頭彈簧。本發(fā)明依據(jù)“分層制造”原理，通過分層面漸進(jìn)成形制成所需形狀的薄殼件，具有加工精度高表面質(zhì)量優(yōu)，成形準(zhǔn)確穩(wěn)定，壓力可調(diào)節(jié)控制等特點，廣泛適用各類復(fù)雜曲面形狀及小批量、試制鈑金件的成形加工。
文檔編號B21D37/00GK101306451SQ20081012279
公開日2008年11月19日 申請日期2008年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月30日
發(fā)明者劉丹成, 周晚林 申請人:南京航空航天大學(xué)