板料电加热数控渐进成形加工方法及装置.pdf

本发明涉及一种板料电加热数控渐进成形加工方法及装置，属于板料渐进成形加工技术领域。该方法及装置关键之处在于：使用大载流导线将辅助电源、成形压头、成形夹具和板料构成电流回路，电源提供低压大电流，在板料加工成形中使加工区材料产生焦耳热而软化，从而使渐进成形加工顺利进行。该加热方法升温快，控制方便，价格低廉。解决了其他加热方法控制复杂的问题，提高了加工精度，有利于成形复杂零件。同时该方法适用于常温下难以塑性成形的钛镁等板料的渐进成形加工。

1、  一种板料电加热数控渐进成形加工方法，包括以下步骤：
(1)、建模，采用编程软件将三维数字模型沿高度方向离散，并生成各等高线层面上的加工轨迹；
(2)、用于成形夹具装夹板料；
(3)、用数控渐进成形机床控制压头沿等高线层面上的加工轨迹运动，使板料沿成形压头轨迹包络面逐次变形，最终将板材成形为所需的工件；
其特征在于还包括以下过程：
(4)、利用辅助电源、相应线路与成形压头和板料构成电流回路，电源提供低压大电流，在板料加工成形中使加工区材料产生焦耳热而软化，从而使渐进成形加工顺利进行。

2、  根据权利要求1所述的板料电加热数控渐进成形加工方法，其特征在于：该方法适用于复杂零件的渐进成形正加工。

3、  根据权利要求1所述的板料电加热数控渐进成形加工方法，其特征在于：该方法适用于常温下难以塑性成形的钛镁板料加工。

4、  一种板料电加热数控渐进成形加工装置包括：用于装夹板料的成形夹具，用于加工成形的压头，控制压头沿等高线层面上的加工轨迹运动的数控机床，以及板料辅助加热装置；其特征在于：所述板料辅助加热装置由电源、相应线路与上述压头和上述板料构成电流回路。

板料电加热数控渐进成形加工方法及装置
技术领域
本发明的板料电加热数控渐进成形加工方法及装置，属于板料渐进成形加工技术领域。
背景技术
金属板材成形在航空、船舶、汽车等制造业有着广泛的应用，然而传统的金属板材成形工艺都采用模具，存在着周期长、费用高的问题，难以适应小批量多品种和样品试制的需要。近10年来由于市场需求的多样化，加之机械和控制技术的进步促使金属板料无模成形有了新发展，国内外许多学者，特别是德国和日本的科研工作者进行了大量的研究。20世纪90年代初，日本学者松原茂夫提出了一种新型的金属板料成形工艺-金属板料渐进成形技术。其思路是将复杂的三维形状分解成一系列等高线层，并以工具头沿等高线运动的方式，在二维层面上进行塑性加工，实现了金属板料的数字化制造。
单点渐进成形已经取消了对专用工具的需求，但在成形过程中由于缺少支撑模具的结构，影响了板料渐进成形工件的加工精度。国外市场调查研究表明，加工精度的局限是这种加工取得商业突破的主要障碍。通过对在连续加工出现的几何误差的实验和分析，得出在刀具与板料接触区临近区域的不需要的塑性成形和回弹是加工误差的主要因素。为了解决这个难点，比利时学者J.R.Duflou等人提出了采用激光辅助加热渐进成形的方法，在板料的一侧布置一个多自由度机械手夹持压头运动，另一侧布置同步运动激光聚焦加热装置对压头与板料的接触点动态加热。实验结果表明，这种动态的加热加工方式降低了加工力，提高了空间加工精度，增加了一定范围内材料的成形性能，显著的降低加工件的残余应力。但这种加工方法由于采用两套运动机构分别控制压头运动和激光点的同步运动，控制复杂。这种布置只能应用于正成形，不能适用于需要支撑简单模具的负成形加工，负成形时如果将激光加热装置和机械手放置在同侧，激光点不可能聚焦在压头的加工区。由于板料对激光有反射作用，这种加热的效率较低，板料获得的温度较低。同时，加热装置采用采用价格昂贵的激光器，不利于该技术的推广。
目前国内外对该技术的研究主要集中在常温下易成形的钢、铝等材料，对常温下难以成形的钛、镁等板料的研究很少。而近年来随着汽车和航空航天部门突飞猛进的发展，对钛、镁钣金件的需求越来越多，这对渐进成形技术提出了新的要求。要想采用渐进成形技术加工钛、镁等常温下难以加工的材料，必须将其加热到一定的温度。目前国内还没人研究在高温下渐进成形加工难成形板料，国外除了比利时的学者J.R.Duflou等人提出采用局部加热提高渐进成形件的加工精度外，也没有人完整的提出高温下渐进成形加工难成形板料这个工艺。更没有人讨论哪种加热方式更利于渐进成形的加工。本发明的目之一就是为难成形板料的小批量多品种的样品加工，寻找一种可靠的、廉价的渐进成形工艺，满足工业生产中的实际需要。
发明内容
本发明目的是针对钣金单点渐进成形方面目前存在的问题，提出一种应用范围广，加工精度高的电加热数控渐进成形加工方法及装置。该技术还可以适用于常温下难以塑性成形的钛镁等板料的成形。
一种电加热数控渐进成形加工方法，包括以下步骤：
(1)、建模，采用编程软件将三维数字模型沿高度方向离散，并生成各等高线层面上的加工轨迹；
(2)、用于成形夹具装夹板料；
(3)、用数控渐进成形机床控制压头沿等高线层面上的加工轨迹运动，使板料沿成形压头轨迹包络面逐次变形，最终将板材成形为所需的工件；
其特征在于还包括以下过程：
(4)、利用辅助电源、相应线路与成形压头和板料构成电流回路，电源提供低压大电流，在板料加工成形中使加工区材料产生焦耳热而软化，从而使渐进成形加工顺利进行。
上述电加热数控渐进成形加工方法，除了能够提高常温下易成形件的加工精度，减少残余应力外，还可用于加工常温下难以塑性成形的钛镁板料。
一种电加热数控渐进成形加工装置包括：用于支撑板料的成形夹具，用于加工成形的压头，控制压头加工轨迹的数控渐进成形机床，板料辅助加热装置，其特征在于：所述板料辅助加热装置由电源、相应线路与压头和板料构成电流回路，电源提供低压大电流，在板料加工成形中使加工区材料产生焦耳热而软化，从而使渐进成形加工顺利进行。
本发明的优点：
1)该加热方法升温快，控制方便，价格低廉。解决了其他加热方法控制复杂的问题，不需要另外的控制系统来控制加热点与加工点的同步移动。只要压头加工到的地方，就能加热，不用考虑加工空间，特别适合复杂加工路径加工。
2)使用一个与压头同步移动的动态的温度场使渐进成形局部化。在由压头和工件接触的成形区，材料具有较低的屈服应力和硬化指数，大大降低了加工力，减少了摩擦；在接触区域临近的材料具有较高的屈服应力和强的硬化指数，克服加工力的影响，提高加工精度，减少了板料的回弹，提高了加工精度。
3)在一定范围内提高了成形性能，加大了材料的成形角范围。
4)降低了成形钣金件表面的残余应力。
5)解决了常温下难以成形的钛镁等金属板料的渐进成形问题，为其开拓了一种新的加工工艺。
6)能够方便的应用于渐进成形的正成形加工，有利于成形复杂零件。
附图说明
图1是板料局部自阻电加热数控渐进正成形加工示意图。
图2是板料局部自阻电加热数控渐进负成形加工示意图。
图中标号名称：1电源，2导线，3压头柄，4绝缘垫片I，5绝缘套，6压力传感器，7机床主轴，8压头，9板料，10成形夹具，12绝缘垫片II，13接线柱，14绝缘垫片III，15机床工作台。
具体实施方式
附图1和附图2分别是是板料局部自阻电加热数控渐进正成形和负成形加工示意图。装置由三轴数控渐进成形机床和电加辅助加热装置组成。数控渐进成形机床主轴夹持压头沿等高线层面上的加工轨迹运动，使板料沿成形压头轨迹包络面逐次变形，最终将板材成形为所需的工件。电辅助加热装置主要由低压大电流可调直流电源、压头柄、压头、模具和大载流导线组成，使用绝缘垫片和绝缘套将回路与机床进行可靠绝缘。
以下以图1为例叙述渐进成形正成形，正成形在板料下面有一个简单支撑模具，用于成形复杂曲面形状钣金件。图2为负成形用于成形简单零件，板料下面不需要支撑模具，加工过程简单，不再叙述过程。
首先使用三维造型软件(如UG)将成形零件建模，然后使用数控编程软件生成数控代码。
根据成形件的形状和尺寸制作简单的成形夹具10和支撑模具11，板料9下料。将板料装夹在夹具上，放置在渐进成形机床的工作台15上。
通过大载流导线2将电源1、压头柄3、压头8、板料9和成形夹具10构成一个电辅助加热回路，同时采用绝缘垫片I、II、III和绝缘套5将回路与机床绝缘。
将数控代码输入数控渐进成形机床，开动数控机床，对好加工坐标。打开电源，根据板料的厚度、压头进给速度和层进给距离，选择合适的电压和电流施加在电辅助加热回路。
调整好电压电流后，开动机床。当压头与板料接触，压下一层进给距离时，压力传感器受力发出信号，电源打开，利用电流的焦耳效应，将板料局部加热软化。在压头与板料接触区产生一个适当的、动态的温度场来降低屈服应力和工作硬化效应，同时在周围区域保持较低温度，使渐进成形的效应局部化。
加工完成后，压头抬起，通过压力传感器受力减小，发出信号关闭电源。压头离开成形夹具，机床停止，将成形钣金件取下。