專(zhuān)利名稱(chēng)：金屬板料旋壓快速成型方法及其專(zhuān)用工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬板料無(wú)?？焖俪尚渭夹g(shù)，涉及金屬板料旋壓快速成型方法及其專(zhuān)用工具。
背景技術(shù)：
目前，鈑金殼體類(lèi)零件(尤其以汽車(chē)覆蓋件為典型代表的零件)的成形生產(chǎn)都是在拉深壓力機(jī)壓延成形的。這種方法能夠成形的工件的復(fù)雜程度是有限的，一般需要多套模具才能生產(chǎn)出來(lái)。隨著人們對(duì)于汽車(chē)等工業(yè)產(chǎn)品的要求不但提高，消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)的外觀要求多樣化、個(gè)性化、美觀化，而價(jià)格要求更低廉。一個(gè)新車(chē)型的開(kāi)發(fā)，使用傳統(tǒng)制作樣車(chē)車(chē)身覆蓋件的方法，生產(chǎn)成本高，質(zhì)量不能很好的保證，周期也很長(zhǎng)。因此傳統(tǒng)的車(chē)型開(kāi)發(fā)方法周期很長(zhǎng)，成本比較高，已經(jīng)不能滿(mǎn)足變化萬(wàn)千的市場(chǎng)要求了。板材無(wú)模成形可以比較好的解決這一生產(chǎn)與需求之間的矛盾。
板材無(wú)模成形的方法有旋壓成形法、爆炸成形法、多點(diǎn)成形法和單點(diǎn)漸進(jìn)成形方法。
旋壓成形法是將金屬坯料裝在旋轉(zhuǎn)芯模的頂部，旋輪通過(guò)軸向運(yùn)動(dòng)和徑向運(yùn)動(dòng)，使旋轉(zhuǎn)坯料在旋輪碾壓作用下產(chǎn)生局部連續(xù)塑性變形，最終獲得所要求的薄壁回轉(zhuǎn)體零件。但是，旋壓只能生產(chǎn)回轉(zhuǎn)體類(lèi)零件，不能加工更具有普遍意義的非回轉(zhuǎn)體零件。并且也需要一定形狀的靠模，或者采用兩側(cè)雙旋輪來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)模成形。
爆炸成形法是利用炸藥爆炸燃燒產(chǎn)生的能量驅(qū)動(dòng)板材成形的。只能用于球形或球面殼的無(wú)模爆炸成形，其它形狀的工件需要一定的模具才能保證成形的形狀和精度。
多點(diǎn)成形法是利用計(jì)算機(jī)控制高度可調(diào)節(jié)基本體群形成上、下成形面，進(jìn)行金屬板材三維曲面成形的先進(jìn)制造技術(shù)。其本質(zhì)就是將整體模具離散化，并結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)柔性成形。但是由于多點(diǎn)成形方法其成形面是離散的，板料與壓模面之間是點(diǎn)接觸，從而造成板料成形后表面光順性不好，板料在點(diǎn)接觸的地方比其它未接觸的地方有著明顯凸起或凹下。未接觸區(qū)域的成形處于自由狀態(tài)，不能很好的控制其變形，造成板料成形精度不高。
單點(diǎn)漸進(jìn)成形方法是日本的松原茂夫首先提出來(lái)的。其工作原理是將被加工板材架在一個(gè)模芯上，在板材四周用壓板加緊材料，該壓板可沿導(dǎo)柱上下滑動(dòng)。加工時(shí)，將該裝置固定在加工機(jī)床上，用事先編制的加工程序控制一個(gè)工具頭走等高線(xiàn)的方式，將板材逐步壓靠在模芯上，最終成為一個(gè)零件。但是這種加工方法，對(duì)于金屬成形來(lái)說(shuō)并沒(méi)有使金屬的成形性能得到充分的發(fā)揮，由于板材的材質(zhì)、板厚等不同情況，還會(huì)在成形的側(cè)壁上發(fā)生龜裂，或者發(fā)生局部變形的問(wèn)題，使成形后的板材表面質(zhì)量下降或者強(qiáng)度降低。最初使用的是固定的球頭棒，雖然后來(lái)工具頭采用了能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)的球體，并且具有能向球體供應(yīng)潤(rùn)滑劑的加油孔的工具棒，在一定程度上減小了球體與板材之間的摩擦，但是，球體與工具棒之間還是滑動(dòng)摩擦，球體并不能很好的在板材表面滾動(dòng)。為了降低成形工具與板料之間的摩擦，不得不使用潤(rùn)滑劑，這樣加工完畢后就必須對(duì)工件進(jìn)行清洗，因此增加了工序并造成環(huán)境污染。而且加工生產(chǎn)必須使用專(zhuān)用的成形設(shè)備，投資大，一般企業(yè)承受不起。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種綜合逐點(diǎn)漸進(jìn)成形和旋壓成形優(yōu)點(diǎn)的新一代板材快速成形方法，能夠充分發(fā)揮板材的成形性能，使板材成形為高精度、低回彈、具有良好的表面質(zhì)量、復(fù)雜曲面輪廓的鈑金件。
本發(fā)明的金屬板料旋壓快速成形方法，是在數(shù)控加工中心或?qū)Ｓ贸尚螜C(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸上安裝專(zhuān)用成形工具，用夾具使板材固定，所述專(zhuān)用成形工具在數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下相對(duì)所述板材運(yùn)動(dòng)，利用所述工具上的滾動(dòng)體對(duì)所述板材實(shí)行碾壓，使所述板材逐漸成形。該方法的專(zhuān)用成形工具的特征在于所述工具在數(shù)控系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，自身作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)沿著一定的加工軌跡作空間曲線(xiàn)的移動(dòng)。
由于成形工具上有滾動(dòng)體，金屬板材與滾動(dòng)體之間是滾動(dòng)摩擦，滾動(dòng)體與成形工具頭之間也是滾動(dòng)摩擦，這樣，加工過(guò)程中能量的利用率很高，其塑性變形機(jī)理也發(fā)生了重大的改變。這種塑性變形是在鋼球與工件的滾動(dòng)摩擦條件下實(shí)現(xiàn)的，金屬板料與每個(gè)滾動(dòng)體接觸面積小，并且交變循環(huán)接觸應(yīng)力頻率高，每個(gè)滾動(dòng)體承受的變形力很小，工件可變形的幅度很大。成形時(shí)的能量主要由機(jī)床主軸提供，對(duì)機(jī)床床身的剛度和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)力沒(méi)有特殊的要求，因此普通的數(shù)控加工中心即可用于成形生產(chǎn)。本加工方法可以用在汽車(chē)覆蓋件或航空器等需要較大尺寸的鈑金樣件的生產(chǎn)成形，或者其他需要曲面金屬鈑金件成形的地方。


圖1是本發(fā)明局部加工區(qū)域塑性變形機(jī)理圖；圖2是本發(fā)明成形工具實(shí)施例一結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明成形工具實(shí)施例二結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式應(yīng)用本發(fā)明方法將金屬板料使用框形夾具裝夾在普通的數(shù)控加工中心或?qū)Ｓ玫某尚螜C(jī)床工作臺(tái)上，使用專(zhuān)用工具，將刀具的軌跡按針對(duì)金屬板材變形特點(diǎn)作優(yōu)化的軌跡進(jìn)行編程，設(shè)置好合適的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率等工藝參數(shù)，專(zhuān)用成形工具在數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下相對(duì)板材運(yùn)動(dòng)，利用工具上的滾動(dòng)體對(duì)板材實(shí)行碾壓，使板材逐漸成形。
其成形原理為如圖1所示，小的滾動(dòng)體3在金屬板料2的表面滾動(dòng)，同時(shí)對(duì)板料2施加壓力，金屬板料2就在壓力作用下表面積增大而逐步成形；成形工具1在數(shù)控系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，自身作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)沿著一定的加工軌跡作空間曲線(xiàn)的移動(dòng)；在數(shù)控系統(tǒng)的控制下可以自動(dòng)更換成不同的形狀和尺寸的工具。板材2在滾動(dòng)體3的高頻碾壓下，其受脈動(dòng)循環(huán)交變應(yīng)力，每個(gè)滾動(dòng)體3所引起的變形量很小，但是，由于成形工具1作高速轉(zhuǎn)動(dòng)，滾動(dòng)體3循環(huán)的速度比較高，在單位時(shí)間內(nèi)板材2同一點(diǎn)受滾動(dòng)體3多次的反復(fù)碾壓，這樣累加起來(lái)金屬板材2在單位時(shí)間內(nèi)的變形量就很大，同時(shí)板材2受到高頻應(yīng)力，變形充分，回彈很小。高硬度、高的表面光潔度的滾動(dòng)體3和工具頭6之間是滾動(dòng)摩擦，同樣，滾動(dòng)體3和板材2表面之間也是滾動(dòng)摩擦。這樣，不僅不會(huì)對(duì)板材2的表面造成劃傷還會(huì)提高板材的表面粗糙度，避免了一般沖壓生產(chǎn)和其他單點(diǎn)漸進(jìn)成形后板材表面的桔皮痕或其它缺陷。依據(jù)所編制的加工程序，數(shù)控加工中心控制在不同的加工區(qū)域工具以不同的旋轉(zhuǎn)速度、進(jìn)給速度和加工軌跡，同時(shí)在不同的加工區(qū)域更換不同形狀的工具，滿(mǎn)足平坦區(qū)域高速加工，復(fù)雜區(qū)域精密慢速加工的變工藝參數(shù)成形。數(shù)控系統(tǒng)是多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，則該方法幾乎可實(shí)現(xiàn)任意形狀的空間三維曲面加工。
如圖1、圖2、圖3所示，成形工具1主要由回轉(zhuǎn)工具體4、滾動(dòng)體3和滾動(dòng)體保持器5三部分構(gòu)成，滾動(dòng)體3安裝在滾動(dòng)體保持器5上，并通過(guò)滾動(dòng)體保持器5安裝在回轉(zhuǎn)工具體4上。其中回轉(zhuǎn)工具體4的頭部6為高精度、高硬度、高表面粗糙度的球頭或蘑菇頭形，可以保證加工工件的表面質(zhì)量、加工效率以及工具的使用壽命。滾動(dòng)體3為高精度、高硬度、高表面粗糙度的鋼球滾珠或滾輪。滾動(dòng)體3隨著工具旋轉(zhuǎn)繞著工具體4軸線(xiàn)作行星運(yùn)動(dòng)。滾動(dòng)體保持器5是保持滾動(dòng)體3不從回轉(zhuǎn)工具體4上脫落下來(lái)的零件；當(dāng)滾動(dòng)體3是鋼球滾珠7時(shí)，滾動(dòng)體保持器5呈帶狀，環(huán)繞在回轉(zhuǎn)工具體4的工具頭6上；帶狀保持器5上面分布有安裝滾珠7的徑向圓孔8，其繞著回轉(zhuǎn)工具體4的軸線(xiàn)呈螺旋非對(duì)稱(chēng)方式布置，這樣可以保證在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中鋼球滾珠7碾壓覆蓋的面積。當(dāng)滾動(dòng)體3是滾輪9時(shí)，滾動(dòng)體保持器3為芯軸10，滾輪9采用軸對(duì)稱(chēng)排列，通過(guò)芯軸10與工具頭6聯(lián)接。滾動(dòng)體3繞著工具體4的軸線(xiàn)作行星運(yùn)動(dòng)，滾動(dòng)體3在金屬板料2和回轉(zhuǎn)工具頭6之間，回轉(zhuǎn)工具體4通過(guò)摩擦帶動(dòng)滾動(dòng)體3在板料2表面滾動(dòng)。滾動(dòng)體3的滾動(dòng)是在工具旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下的滾動(dòng)，滾動(dòng)體2在金屬板料2和成形工具頭6之間，回轉(zhuǎn)工具體4通過(guò)摩擦帶動(dòng)滾動(dòng)體3在板料2表面滾動(dòng)。滾動(dòng)體3與板料2之間是滾動(dòng)摩擦，滾動(dòng)體3與工具體4之間也是滾動(dòng)摩擦，因此加工過(guò)程不需要潤(rùn)滑。成形工具1具有標(biāo)準(zhǔn)的刀柄形狀及尺寸，它安裝在機(jī)床的主軸上旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速由程序控制。成形工具1還安裝機(jī)床的刀庫(kù)中，利用機(jī)床的自動(dòng)換刀功能實(shí)現(xiàn)工具在加工中途的自動(dòng)更換。
在數(shù)控加工中心或?qū)Ｓ贸尚螜C(jī)床上加工時(shí)，各軸運(yùn)動(dòng)使工具1相對(duì)板材2產(chǎn)生三維運(yùn)動(dòng)，成形工具1的工具頭6通過(guò)滾動(dòng)體3對(duì)金屬板料2施壓。由于金屬板材變形的規(guī)律，進(jìn)給的軌跡和速度有一定的要求。
成形加工所使用的設(shè)備及數(shù)控系統(tǒng)，是普通的數(shù)控加工中心機(jī)床或者專(zhuān)用的板材成形機(jī)床，要求機(jī)床主軸及各運(yùn)動(dòng)軸能夠提供足夠的扭矩和承載力。
本方法除了可以進(jìn)行曲面成形加工外，還可以完成翻邊、翻孔等成形工藝。
權(quán)利要求
1.一種金屬板料旋壓快速成型方法，是在數(shù)控加工中心或?qū)Ｓ贸尚螜C(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸上安裝專(zhuān)用成形工具，用夾具使板材固定，所述專(zhuān)用成形工具在數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下相對(duì)所述板材運(yùn)動(dòng)，利用所述工具上的滾動(dòng)體對(duì)所述板材實(shí)行碾壓，使所述板材逐漸成形。
2.按照權(quán)利要求1所述的金屬板料旋壓快速成型方法，其特征在于所述工具在數(shù)控系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，自身作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)沿著一定的加工軌跡作空間曲線(xiàn)的移動(dòng)。
3.按照權(quán)利要求1所述的金屬板料旋壓快速成型方法，其特征在于所述工具主要由回轉(zhuǎn)工具體、滾動(dòng)體和滾動(dòng)體保持器三部分構(gòu)成；所述滾動(dòng)體安裝在滾動(dòng)體保持器上，所述滾動(dòng)體保持器安裝在所述回轉(zhuǎn)工具體上。
4.按照權(quán)利要求3所述的金屬板料旋壓快速成型方法，其特征在于所述回轉(zhuǎn)工具體的工具頭為高精度、高硬度、高表面粗糙度的球頭或蘑菇頭形。
5.按照權(quán)利要求3所述的金屬板料旋壓快速成型方法，其特征在于所述回轉(zhuǎn)工具體的尾部是具有適合數(shù)控加工中心主軸裝夾的標(biāo)準(zhǔn)刀柄。
6.按照權(quán)利要求3所述的金屬板料旋壓快速成型方法，其特征在于所述滾動(dòng)體為滾珠；與此相適應(yīng)，所述滾動(dòng)體保持器為帶狀，上面有安裝所述滾動(dòng)體的徑向的圓孔，繞著所述回轉(zhuǎn)工具體軸線(xiàn)呈螺旋非對(duì)稱(chēng)方式布置。
7.按照權(quán)利要求3所述的金屬板料旋壓快速成型方法，其特征在于所述滾動(dòng)體為軸對(duì)稱(chēng)排列的滾輪；與此相適應(yīng)，所述滾動(dòng)體保持器為聯(lián)接所述滾輪與工具頭的芯軸。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬板料無(wú)模快速成型技術(shù)，涉及金屬板料旋壓快速成型方法及其專(zhuān)用工具。該方法是在數(shù)控加工中心或?qū)Ｓ贸尚蜋C(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸上安裝專(zhuān)用成型工具，用夾具使板材固定，所述專(zhuān)用成型工具在數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下相對(duì)所述板材運(yùn)動(dòng)，利用所述工具上的滾動(dòng)體對(duì)所述板材實(shí)行碾壓，使所述板材逐漸成型。該方法的專(zhuān)用成型工具，其特征在于所述工具主要由回轉(zhuǎn)工具體、滾動(dòng)體和滾動(dòng)體保持器三部分構(gòu)成；所述滾動(dòng)體安裝在滾動(dòng)體保持器上，所述滾動(dòng)體保持器安裝在所述回轉(zhuǎn)工具體上。該快速成型方法，能夠充分發(fā)揮板材的成型性能，使板材成型為高精度、低回彈、具有良好的表面質(zhì)量、復(fù)雜曲面輪廓的鈑金件；可以進(jìn)行曲面成型加工、翻邊、翻孔等成型工藝。
文檔編號(hào)B21D22/16GK1411928SQ02147759
公開(kāi)日2003年4月23日 申請(qǐng)日期2002年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月26日
發(fā)明者張春 申請(qǐng)人:湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院