CN106825183A - 多点加载控制的曲面拉伸成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多点加载控制的曲面拉伸成形装置，该装置主要由机身框架、模具安装座及分布在模具安装座两侧的加载控制单元组和加载控制辅助机构组成，加载控制单元组由多个加载控制单元构成，加载控制单元包括运动可独立控制的夹钳、工作长度可调节的柔性带、可上下运动的移动滑块、竖直丝杠及竖直运动控制电机；板料拉伸成形中的载荷由夹钳施加，通过多个加载控制单元实时控制多个夹钳的运动轨迹，实现板料与拉形模具型面的实时紧密贴合，获得最佳曲面拉伸成形效果和精确的拉伸成形曲面零件；采用本发明的装置成形曲面零件，可避免曲面成形过程中各种缺陷的产生，并可显著减少工艺余料，节省材料。

Description

多点加载控制的曲面拉伸成形装置

技术领域

本发明涉及一种多点加载控制的曲面拉伸成形装置，属于金属塑性加工领域，适用于大型三维曲面零件的拉伸成形。

背景技术

拉伸成形是大型三维曲面零件的重要成形方法，在航空制造、高速列车、船舶以及现代建筑等领域得到了广泛的应用。传统拉伸成形过程主要采用整体夹钳，被夹钳夹持的板料端部经历的位移相同，板料在横向不随模具型面主动变形。成形横向曲率比较大的曲面时，为了保证板料与模具完全贴合，通常需要足够长的悬空段，这就导致材料利用率的大大降低。本发明基于对传统拉伸成形所采用的整体夹钳进行离散化，用多个加载控制单元来代替整体夹钳，各加载控制单元的夹钳运动可以独立控制，从而实现多点加载控制的曲面拉伸成形，不但可以克服传统拉伸成形所存在的一些工艺缺陷，还可以成形形状较为复杂的曲面件。

发明内容

本发明提供一种多点加载控制的曲面拉伸成形装置，板料拉伸成形的位移载荷通过多个加载控制单元施加于板料左、右两端的多个加载控制点上，各加载控制点位移载荷的大小及方向均由加载控制单元实时控制，使板料在拉伸成形过程中的变形优化，实现与拉形模具型面的实时紧密贴合，避免曲面成形过程中各种缺陷的产生，获得精确的拉伸成形曲面零件。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的，结合附图说明如下：

一种多点加载控制的曲面拉伸成形装置，包括机身框架、位于机身框架中部的模具安装座及分布在模具安装座两侧的加载控制单元组和加载控制辅助机构，其特征在于：

所述的机身框架包括两个支撑座及两个横柱，支撑座的纵向截面呈“L”字形，包括一个水平方向的水平板、一个位于水平板一端的竖直方向的竖直板和一个位于水平板另一端的竖直方向的短竖直板，两个支撑座结构相同且对称布置，两个横柱分别通过各自两端的安装螺母安装在两个支撑座的竖直板之间，两个支撑座的短竖直板上固定安装有模具安装座，模具安装座上安装有拉形模具；

所述的加载控制单元组在支撑座的竖直板内侧，加载控制单元组由多个加载控制单元构成，每个加载控制单元包括一个运动可独立控制的夹钳、一个控制夹钳运动的柔性带、一个可上下运动的移动滑块、一个竖直丝杠及一个竖直运动控制电机；每个竖直丝杠竖直布置在支撑座的竖直板的内侧，每个竖直丝杠与固定在支撑座竖直板内侧的竖直运动控制电机的输出轴固定连接，每个竖直丝杠上安装有可沿竖直丝杠上下运动的移动滑块；

所述的加载控制辅助机构在支撑座的水平板的上方，加载控制辅助机构包括控制柔性带长度的柔性带控制轴、可左右沿水平方向运动的柔性带控制轴座、水平丝杠、导柱、水平运动控制电机及柔性带控制电机；水平丝杠和两个导柱都沿水平方向平行布置在支撑座的水平板的上方且位于支撑座的竖直板和短竖直板之间，水平丝杠与固定在支撑座竖直板底端外侧的水平运动控制电机的输出轴固定连接；水平丝杠上安装有可沿水平丝杠和导柱移动的柔性带控制轴座，柔性带控制轴安装在柔性带控制轴座上，柔性带控制轴与固定在柔性带控制轴座上的柔性带控制电机的输出轴固定连接，柔性带控制电机带动柔性带控制轴在柔性带控制轴座上绕自身轴转动。

进一步的技术方案包括：

所述的加载控制单元组中的多个加载控制单元在支撑座的竖直板内侧，并沿垂直于板料拉伸成形方向水平横向均匀分布，相邻的加载控制单元中的夹钳通过一个柔性连接体柔性连接在一起，柔性连接体由一个橡胶筒和位于橡胶筒两端的连接座组成。

所述的加载控制单元中的柔性带是耐拉、不伸长的柔索结构，柔性带绕过夹钳后部的转轴，其一端固定在移动滑块上，另一端固定在柔性带控制轴上，通过柔性带控制电机控制柔性带控制轴转动缠绕柔性带控制柔性带的工作长度。

所述的柔性带是钢丝带或者钢索。

本发明的有益效果：

本发明采用加载控制单元组代替传统拉伸成形工艺中的整体夹钳，形成了多点控制的曲面拉伸成形装置。传统拉伸成形由于采用了整体夹钳，夹钳只能按同一个加载轨迹运动实现曲面拉伸成形。而本发明装置的特点是采用多个加载控制单元，各加载控制单元对加载点位移的控制是相互独立的，不同的加载控制点可以实现不同加载运动轨迹。基于对拉伸成形过程加载路径的优化设计，采用本发明装置通过对各夹钳运动的实时控制，可使板料拉伸成形过程优化，从而避免曲面成形过程中各种缺陷的产生，获得高质量的曲面零件，并可显著减少工艺余料，节省材料；另外，本发明提供的多点加载控制的曲面拉伸成形装置结构简单、制造成本低。

附图说明

图1是拉伸成形工作状态的多点加载控制的曲面拉伸成形装置整体结构示意图；

图2是拉伸成形工作状态的多点加载控制的曲面拉伸成形装置正视图；

图3是加载控制单元结构图；

图4是拉伸成形过程中夹钳位置分布示意图；

图5是夹钳柔性连接示意图；

图6是拉伸成形过程中夹钳运动的三种控制方法示意图，

图6a是通过移动滑块的移动与柔性带控制轴的移动来控制夹钳运动的方法示意图；

图6b是通过移动滑块的移动与柔性带长度变化来控制夹钳运动的方法示意图；

图6c是仅通过移动滑块的移动来控制夹钳运动的方法示意图。

图中：1.加载控制单元，2.模具安装座，3.拉形模具，4.支撑座，5.横柱，6.夹钳，7.柔性带，8.移动滑块，9.竖直丝杠，10.竖直运动控制电机，11.柔性带控制轴，12.水平丝杠，13.导柱，14.水平运动控制电机，15.柔性带控制电机，16.柔性带控制轴座，17.安装螺母，18.板料，19.柔性连接体，20.橡胶筒，21.连接座

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的结构、工作过程及其实施步骤。

如图1、图2所示，本发明的多点加载控制的曲面拉伸成形装置主要由机身框架、模具安装座2及分布在模具安装座两侧的加载控制单元组和加载控制辅助机构组成。

机身框架包括两个支撑座4及两个横柱5，支撑座4的纵向截面呈“L”字形，包括一个水平方向的水平板、一个位于水平板一端的竖直方向的竖直板和一个位于水平板另一端的竖直方向的短竖直板；两个支撑座4结构相同且对称布置，两个横柱5分别通过各自两端的安装螺母17安装在两个支撑座4的竖直板之间。两个支撑座4的短竖直板上固定安装有模具安装座2，板料拉伸成形时，拉形模具3放置在模具安装座2上。其中，拉形模具3可根据需要成形的板料的形状更换。两个支撑座4通过横柱5连接以保证拉伸成形过程中支撑座由足够的刚度与强度。通过调节安装螺母17的位置，可以改变左、右两个支撑座之间距离，以适应不同宽度的曲面零件成形需要。

如图3所示，加载控制单元组在支撑座4的竖直板内侧，本实施方式中，每个支撑座4上的加载控制单元组由7个加载控制单元1构成，每个加载控制单元1包括一个运动可独立控制的夹钳6、一个控制夹钳运动的柔性带7、一个可上下运动的移动滑块8、一个竖直丝杠9及一个竖直运动控制电机10；每个竖直丝杠9竖直布置在支撑座4的竖直板的内侧，每个竖直丝杠9与固定在支撑座4竖直板内侧的竖直运动控制电机10的输出轴固定连接，每个竖直丝杠9上安装有可沿竖直丝杠9上下运动的移动滑块8。通过竖直运动控制电机10带动沿竖直丝杠9转动，可驱动移动滑块8的上下运动，从而带动夹钳6的运动。在板料拉伸成形过程中，板料18由两侧的加载控制单元组的各个夹钳6夹持，每个夹钳6的运动轨迹由其所在的加载控制单元1独立控制。

如图1所示，加载控制辅助机构在支撑座4的水平板的上方，加载控制辅助机构包括控制柔性带7长度的柔性带控制轴11、可沿水平运动的柔性带控制轴座16、水平丝杠12、导柱13、水平运动控制电机14及柔性带控制电机15；水平丝杠12和两个导柱13都沿水平方向平行布置在支撑座4的水平板的上方且位于支撑座4的竖直板和短竖直板之间，水平丝杠12与固定在支撑座4竖直板底端外侧的水平运动控制电机14的输出轴固定连接；水平丝杠12上安装有可沿水平丝杠12和导柱13水平移动的柔性带控制轴座16，柔性带控制轴11安装在柔性带控制轴座16上并与固定在柔性带控制轴座16上的柔性带控制电机15的输出轴固定连接；柔性带控制电机15可带动柔性带控制轴11在柔性带控制轴座16上绕自身轴转动，通过水平运动控制电机14驱动水平丝杠12转动，可带动柔性带控制轴11在柔性带控制轴座16上沿水平丝杠12和导柱13水平移动。

加载控制单元1中的柔性带7为耐拉、不伸长的柔索结构，是钢丝带或钢索，柔性带7绕过夹钳6后部的转轴，其一端固定在移动滑块8上，另一端固定在柔性带控制轴11上，通过柔性带控制电机15控制柔性带控制轴11转动缠绕柔性带7控制柔性带7的工作长度。

如图4所示，加载控制单元1，沿垂直于板料18拉伸成形方向横向水平均匀分布，板料拉伸成形时，通过多个加载控制单元1的夹钳6在板料18的左、右两端的多个加载控制点上对板料施加位移，各点施加位移的大小和方向由各个夹钳独立控制，通过合理地设计并实时控制各夹钳的运动轨迹，可实现板料18与拉形模具3型面的实时紧密贴合，使拉伸成形过程优化，获得精确的拉伸成形曲面零件。

如图4、图5所示，相邻的加载控制单元1中的夹钳6通过柔性连接体19连接，柔性连接体19由自由变形的橡胶筒20与刚性连接座21组成。通过柔性连接后，加载控制单元组的各夹钳6被连成一个柔性的整体，便于拉伸成形开始时刻的板料夹持与安装，并防止因夹钳重量造成板料18产生不必要的变形，另一方面，各夹钳6之间仍可在一定范围内独立运动。

下面举例说明多点加载控制的曲面拉伸成形装置的工作过程。

与传统拉伸成形一样，使用本发明的曲面拉伸成形装置也需要在拉伸成形开始前，先设计出所需要的加载路径，根据板料尺寸、成形曲面形状、板料的材料属性等针对各加载点控制点设计出合理的加载路径，确定出各夹钳的加载运动轨迹，在此基础上，利用本发明的装置进行曲面零件拉伸成形。

首先，根据板料18与拉形模具3的尺寸，调整移动滑块8、柔性带控制轴11在成形开始时刻的位置以及柔性带7的长度，使各夹钳6在板料自重变形后的初始位置上夹持板料(如图6a、图6b、图6c中虚线所示的位置)，然后按照所设计的各加载控制点的加载轨迹，通过各加载控制单元1控制各夹钳6的运动，进行曲面拉伸成形。

夹钳6的运动由移动滑块8的上下移动及柔性带控制轴11的左右移动来确定，移动滑块8与柔性带控制轴11的移动由竖直运动控制电机10与水平运动控制电机14来控制，也可通过柔性带7的长度改变来调整，夹钳6的运动可通过三种方式来控制：

方式一(如图6a所示)：在拉伸成形过程中，柔性带7的长度保持不变。通过竖直运动控制电机10驱动竖直丝杠9转动使移动滑块8上下移动，通过水平运动控制电机14驱动水平丝杠12转动使柔性带控制轴11左右移动，夹钳6的运动由移动滑块8与柔性带控制轴10的同时移动来控制；

方式二(如图6b所示)：在拉伸成形过程中，柔性带控制轴11的位置固定。通过柔性带控制电机15驱动柔性带控制轴11转动使柔性带7的长度改变，通过竖直运动控制电机10驱动竖直丝杠9转动使移动滑块8的上下移动，夹钳6运动由移动滑块8的移动以及柔性带7的长度变化来控制；

方式三(如图6c所示)：在拉伸成形过程中，柔性带控制轴11的位置固定，并且柔性带7的长度保持不变。通过竖直运动控制电机10驱动竖直丝杠9转动使移动滑块8上下移动，夹钳6的运动由移动滑块8的上下移动来控制。

Claims (4)

1.多点加载控制的曲面拉伸成形装置，包括机身框架、位于机身框架中部的模具安装座(2)及分布在模具安装座(2)两侧的加载控制单元组和加载控制辅助机构，其特征在于：

所述的机身框架包括两个支撑座(4)及两个横柱(5)，支撑座(4)的纵向截面呈“L”字形，包括一个水平方向的水平板、一个位于水平板一端的竖直方向的竖直板和一个位于水平板另一端的竖直方向的短竖直板，两个支撑座(4)结构相同且对称布置，两个横柱(5)分别通过各自两端的安装螺母(17)安装在两个支撑座(4)的竖直板之间，两个支撑座(4)的短竖直板上固定安装有模具安装座(2)，模具安装座(2)上安装有拉形模具(3)；

所述的加载控制单元组在支撑座(4)的竖直板内侧，加载控制单元组由多个加载控制单元(1)构成，每个加载控制单元(1)包括一个运动可独立控制的夹钳(6)、一个控制夹钳运动的柔性带(7)、一个可上下运动的移动滑块(8)、一个竖直丝杠(9)及一个竖直运动控制电机(10)；每个竖直丝杠(9)竖直布置在支撑座(4)的竖直板的内侧，每个竖直丝杠(9)与固定在支撑座(4)竖直板内侧的竖直运动控制电机(10)的输出轴固定连接，每个竖直丝杠(9)上安装有可沿竖直丝杠(9)上下运动的移动滑块(8)；

所述的加载控制辅助机构在支撑座(4)的水平板的上方，加载控制辅助机构包括控制柔性带(7)长度的柔性带控制轴(11)、可沿水平方向运动的柔性带控制轴座(16)、水平丝杠(12)、导柱(13)、水平运动控制电机(14)及柔性带控制电机(15)；水平丝杠(12)和两个导柱(13)都沿水平方向平行布置在支撑座(4)的水平板的上方且位于支撑座(4)的竖直板和短竖直板之间，水平丝杠(12)与固定在支撑座(4)竖直板底端外侧的水平运动控制电机(14)的输出轴固定连接；水平丝杠(12)上安装有可沿水平丝杠(12)和导柱(13)移动的柔性带控制轴座(16)，柔性带控制轴(11)安装在柔性带控制轴座(16)上，柔性带控制轴(11)与固定在柔性带控制轴座(16)上的柔性带控制电机(15)的输出轴固定连接，柔性带控制电机(15)带动柔性带控制轴(11)在柔性带控制轴座(16)上绕自身轴转动。

2.根据权利要求1所述的多点加载控制的曲面拉伸成形装置，其特征在于，所述的加载控制单元组中的多个加载控制单元(1)在支撑座(4)的竖直板内侧，并沿垂直于板料(18)拉伸成形方向水平横向均匀分布，相邻的加载控制单元(1)中的夹钳(6)通过一个柔性连接体(19)柔性连接在一起，柔性连接体(19)由一个橡胶筒(20)和位于橡胶筒(20)两端的连接座(21)组成。

3.根据权利要求1所述的多点加载控制的曲面拉伸成形装置，其特征在于，所述的加载控制单元(1)中的柔性带(7)是耐拉、不伸长的柔索结构，柔性带(7)绕过夹钳(6)后部的转轴，其一端固定在移动滑块(8)上，另一端固定在柔性带控制轴(11)上，通过柔性带控制电机(15)控制柔性带控制轴(11)转动缠绕柔性带(7)控制柔性带(7)的工作长度。

4.根据权利要求3所述的多点加载控制的曲面拉伸成形装置，其特征在于，所述的柔性带(7)是钢丝带或者钢索。