[发明专利]板材电致塑性渐进成形装置及其成形方法

说明书

技术领域

本发明属于板料渐进成形加工技术领域，尤其是涉及一种板材电致塑性渐进成形装置及其成形方法。

背景技术

电致塑性效应(electroplastic effect)是指材料(包括各种金属材料、陶瓷材料、超导材料、粉末冶金制品等)在运动电子(电流或电场)作用下，变形抗力急剧下降，塑性明显提高的现象，是一种包含焦耳热效应、磁压缩效应和纯电塑性效应等多种物理效应共同作用的结果。电致塑性效应最初是在1963年由前苏联学者Troitskii在作表面活化剂的研究时发现的，之后前苏联和美国学者都进行了大量的研究。高密度的电流可使材料内部原子运动的能量升高，改变金属中位错的激活能，加快位错的运动速度，有利于打开位错间的缠结和克服其滑移面上的障碍，因而可以显著降低材料的流动应力，提高其塑性变形能力。近年来，已在汽车、航空、航天等领域的成形加工中取得了良好的应用效果。

板料渐进成形(Incremental forming)是在数控设备上通过计算机程序控制形状简单的成形工具，利用其运动轨迹对金属板料进行连续局部塑性成形的加工方法。该技术是日本学者松原茂夫于20世纪90年代初提出的，该技术特点是引入快速原型制造技术“分层制造”的思想，将复杂的三维数字模型沿高度方向等间距离散化，分解成一系列二维等高线断面层，断层面与实体的交线即为所需的加工轨迹，利用数控设备驱动成形压头沿等高线层面上的加工轨迹运动，使板材沿成形轨迹逐次变形，通过对板料进行的逐次局部变形代替整体成形，最终将板料加工为目标产品。该工艺不需要针对产品制作专门的模具，特别适合小批量、多品种以及快速原型制造，具有柔性程度高、成形极限高和加工成本低等优点，是一项非常有发展前景的板料成形技术。

对现有渐进成形技术及装置的检索发现：德国波鸿鲁尔大学(Ruhr-University of  Bochum)H.Meier等通过在板料两边设置两个6轴串联机器人形成双压头板料渐进成形装置，可同时加工具有凸起和凹陷特征的工件，但未考虑降低板料的变形抗力，需要的成形载荷大，成形几何精度差。比利时鲁汶大学(Katholieke Universiteit Leuven)J.R.Duflou等提出了一套采用激光辅助加热渐进成形的装置，在板料的一侧设置一个6轴的机器人夹持压头运动，另一侧设置一个3轴的同步激光加热装置对压头和板料的接触区域进行动态加热，降低了成形力，提高了空间加工精度，但这种装置采用了两套运动机构，控制复杂，板料对激光有反射作用，加热效率低，而且激光器的价格昂贵。南京航空航天大学高霖等提出了一种板料电加热数控渐进成形装置，可以显著降低加工力，减小了板料的回弹，但由于采用了单压头成形，成形尺寸精度不高，流经板料成形区的电流大小与其它区域相同，成形区的材料屈服应力和硬化指数与邻近区域相比下降程度不大，渐进成形的局部化效应不显著，而且主要是利用电流的热效应，工件成形温度高，材料易过度软化不利于成形，表面氧化严重，影响了成形件的表面质量。以上所述装置都未考虑到将材料的电致塑性效应引入到渐进成形中，难以低成本、高效加工出高精度、高表面质量的产品。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高效节能、加工精度高、表面质量好的板材电致塑性渐进成形装置及其成形方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种板材电致塑性渐进成形装置，其特征在于，包括：五轴数控成形机床、六轴并联机器人加工系统、板料成形夹具、高能脉冲电源、红外线测温仪、机床内置的压缩空气冷却系统，其中：所述的五轴数控成形机床的主轴末端安装上成形压头，所述的六轴机器人加工系统设置于五轴数控成形机床的工作台面上，其顶部设有下成形压头并正对上成形压头，所述的板料成形夹具固定于五轴数控成形机床的工作台上，待加工板料设置在上成形压头与下成形压头之间并通过板料成形夹具夹紧固定，所述的高能脉冲电源的正负极分别通过大载流导线连接上成形压头和下成形压头，使高能脉冲电源、上成形压头、下成形压头和板料构成电流回路，所述的红外线测温仪的摄像头对准板料的中心区域，所述的压缩空气冷却系统对准板料的成形区。

所述的五轴数控成形机床为加高立柱的摆动主轴式立式数控机床。

所述的板料成形夹具是由从上到下依次设置的压边圈、空心支撑台、支柱以及底座构成，所述的板料固定于压边圈和空心支撑台之间，板料与压边圈和空心支撑台之间均设有绝缘垫片。

所述的高能脉冲电源能够输出高电流低电压，高能脉冲峰值电流≥3000A，频率为50-1000Hz可调节，输出电压可调。