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：
本實(shí)用新型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(chē)、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(jì)全世界的鋼材中，有60%—70%的是板材，其中大部 分是經(jīng)過(guò)沖壓成形而被制成成品的。事實(shí)上，在現(xiàn)代制造業(yè)中， 不管是汽車(chē)車(chē)身、航空飛行器殼體，還是各種儀器儀表、辦公機(jī) 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(jī) 和模具對(duì)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(diǎn)，但也 存在著一些不足:首先是模具制造成本髙、制作周期長(zhǎng)，因此僅適用于大規(guī)模批量生產(chǎn)，而對(duì)小批量或試制件就顯得十分不經(jīng)濟(jì)， 尤其對(duì)新產(chǎn)品的研制和開(kāi)發(fā)十分不利；其次是這，f沖壓成型的加工范圍也受到一定的限制，現(xiàn)代的汽車(chē)制造業(yè)、i^^^^"^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(duì)于具有圓柱沖壓頭的沖壓設(shè)備，
由于沖壓作用力總是垂直向下的，這對(duì)于工件曲面或傾斜面來(lái)說(shuō)， 沖壓頭必然產(chǎn)生一沿沖壓點(diǎn)切向的切向分力，這一切向分力又必然產(chǎn)生對(duì)工件的切向撕拉，而出現(xiàn)工件的拉破和起鈹；同時(shí)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(huì) 直接影響工件的形狀和尺寸精度。為此，人們開(kāi)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(chǎng)，使金屬工件尤其是導(dǎo) 電率強(qiáng)的材質(zhì)感生出電流，磁場(chǎng)與感生電流及其感生磁場(chǎng)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(qiáng)度時(shí)， 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(jiǎn)單、設(shè)備通用性強(qiáng)、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)。 中國(guó)專利"多功能數(shù)控成型加工機(jī)"專利號(hào)00230779.0及"板材 動(dòng)圈電磁漸進(jìn)成形裝置"專利號(hào)200620095508.5，均公開(kāi)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(diǎn) 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(huì)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(shí)線圈平面還必須平行 于工件，否則同樣會(huì)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(guò) 計(jì)算機(jī)的控制而實(shí)現(xiàn)跟隨性調(diào)節(jié)，不利于對(duì)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。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)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?jī)?yōu)，而且準(zhǔn)確定量成形，壓力可調(diào)節(jié)控制。此 外，本實(shí)用新型另一個(gè)要解決的技術(shù)問(wèn)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(wèn)題，本實(shí)用新型的壓力可調(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(jī)；成形壓頭筒體的下端通過(guò)球頭座活動(dòng) 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(dòng)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(jī)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(dòng)地安裝于成形壓 頭筒體的下端，成形壓頭是通過(guò)活動(dòng)成形球頭對(duì)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(jì)算機(jī)控制下 沿等高線層面上的加工軌跡運(yùn)動(dòng)，以此逐層面地對(duì)板材進(jìn)行漸進(jìn) 地塑性加工，即通過(guò)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(dòng)的成形球頭， 還有效地消除了成形施壓過(guò)程中,成形壓頭在施壓點(diǎn)所產(chǎn)生的切向 分力，而僅對(duì)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(guò)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(guò)程中振動(dòng)等原因，而引起成形施壓力變化時(shí)，球頭 彈簧的通過(guò)其儲(chǔ)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(wú)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(guò)計(jì)算機(jī)的控制作用，及時(shí)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(shí)也更有利于 整個(gè)成形加工過(guò)程中的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制管理，實(shí)現(xiàn)成形加工的精 確控制和自動(dòng)化管理。漸進(jìn)成形壓頭的成形施力采用成形電機(jī)驅(qū) 動(dòng)的絲杠螺母副，不僅能在計(jì)算機(jī)控制下，通過(guò)成形電機(jī)精確施 壓和準(zhǔn)確定位自鎖，而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單施壓平穩(wěn)無(wú)沖擊的特點(diǎn)。本實(shí)用新型的一種優(yōu)選實(shí)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(shí)，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(duì)復(fù)雜曲面進(jìn)行局部細(xì)微成形，實(shí)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。本實(shí)用新型的又一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述成形球頭半徑 F5mm—10mm。當(dāng)被加工件為平直件時(shí)，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(qiáng)，減小施壓力，提高成形精 準(zhǔn)度。
本實(shí)用新型的再一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述成形球頭通過(guò)滾珠 可轉(zhuǎn)動(dòng)地置于球頭座上。該結(jié)構(gòu)將成形球頭與球頭座的滑動(dòng)摩擦 變?yōu)闈L動(dòng)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，本實(shí)用新型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(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)的機(jī)架，在所述機(jī)架上安裝 有本實(shí)用新型的壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形壓頭。本實(shí)用新型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(jī)架，在所述固定機(jī)架上安裝有本實(shí)用新型的 壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形壓頭。


以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明；圖1是本實(shí)用新型壓力可調(diào)控板材漸進(jìn)成形壓頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號(hào)l一成形球頭，2—滾珠，3—球頭座，4一球頭彈 簧，5—下墊板，6—壓力傳感器，7—上墊板，8—連接筒，9一成 形壓頭筒體，IO—螺母，11—絲杠，12—聯(lián)軸器，13—成形電機(jī)， 14一電機(jī)座，15—計(jì)算機(jī)控制器。
具體實(shí)施方式
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(jī)座14，成形電機(jī)13固定安裝于電機(jī)座14內(nèi)，成形 電機(jī)13為伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。在成形壓頭筒體9的下端空腔內(nèi)通過(guò)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(dòng)，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(dòng)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(dòng)副中的絲杠11通過(guò)聯(lián)軸器12與成形電機(jī)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(guò)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(zhǎng)度足以保證螺母 IO沿軸向移動(dòng)。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與所述工件蕞小曲率半徑R 之比r/R應(yīng)當(dāng)選擇0.4—0.8之間，通過(guò)對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析選擇， 當(dāng)r/P^0.4—0.8時(shí)，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o漸進(jìn)成形壓頭在計(jì)算機(jī)控制器15的控制下工作，漸進(jìn)成形壓 頭中的成形電機(jī)13和壓力傳感器6均與計(jì)算機(jī)控制器15相互電 連接。工作時(shí)，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(diǎn)來(lái)控制成形電機(jī)13的轉(zhuǎn)動(dòng)量，成形電機(jī)13能過(guò)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(gè)高 度為Ah的凹坑，隨后成形球頭1沿該層等高輪廓線移動(dòng)，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(diǎn)。接著成形球頭1再次下壓，使板 材被壓下第二個(gè)高度仍為A h的高度并重復(fù)上述過(guò)程，以此類推， 直至完成全部層面的成形。在此過(guò)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(jì)算機(jī)控制器15，計(jì)算機(jī)控制器 15控制成形電機(jī)13，成形電機(jī)13驅(qū)動(dòng)絲杠螺母副實(shí)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(jiàn)的三軸數(shù)控成形系統(tǒng)的機(jī) 架上，如三軸聯(lián)動(dòng)的立銑加工機(jī)床上，該機(jī)架可實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)， 機(jī)架的三維運(yùn)動(dòng)同樣受到計(jì)算機(jī)控制器的控制，以使?jié)u進(jìn)成形壓 頭隨機(jī)架完成X、 Y、 Z三個(gè)方向的移動(dòng)。被加工件則固定于固定 工作臺(tái)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(jī)架上，而被加件則固定 安裝在三軸聯(lián)動(dòng)的工作臺(tái)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(jī)(13)；成形壓頭筒體(9)的下端通過(guò)球頭座(3)活動(dòng)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(dòng)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(jī)(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)的半徑r與工件最小曲率半徑R之 比r/R: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^5mm—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(jī)(13)為伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，其輸出 軸通過(guò)聯(lián)軸器(12)與絲杠(11)相連接，成形電機(jī)(13)通過(guò) 電機(jī)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(guò)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)通過(guò)滾珠(2)可可轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng) 的機(jī)架，其特征在于在所述機(jī)架上安裝有如權(quán)利要求l一8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(jī)架，其特征在于在所述固定機(jī)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。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)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(jī)；成形壓頭筒體的下端通過(guò)球頭座活動(dòng)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(dòng)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(jī)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。本實(shí)用新型依據(jù)“分層制造”原理，通過(guò)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?jī)?yōu)，成形準(zhǔn)確穩(wěn)定，壓力可調(diào)節(jié)控制等特點(diǎn)，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(hào)B21D22/00GK201214117SQ200820037699
公開(kāi)日2009年4月1日 申請(qǐng)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(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)