[发明专利]金属板材单点纵向振动可控式渐进成形系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属板材单点纵向振动可控式渐进成形系统。 

背景技术

金属板材成形在航空、船舶和汽车覆盖件的制造中有着广泛的应用，然而传统的金属板材成形工艺多需要采用模具，存在着周期长、费用高和柔性低的问题，难以适应小批量、多品种和样品试制的需要。为了解决上述问题，金属板材单点渐进成形技术因为具有勿需使用传统成形设备和模具、能够直接从CAD数据快速制造出所需成形件的优势而受到国内外研究人员的普遍关注。 

金属板材单点渐进成形是利用分层制造的思想，以工具头的运动所形成的包络面来代替模具的型面，对板材进行逐次局部变形，最终使板材加工为所需的形状的工件。这种成形方式具有无需专用模具、成形力小、可提高板材成形极限、可用于加工变形程度大、形状非常复杂的板材零件、易于实现板材成形自动化等特点，适用于航空航天、汽车工业和民用产品的小批量、多品种、难成形的钣金件加工。 

单点渐进成形工艺由于成形原理方面的原因，存在以下几方面工艺缺陷： 

(1)由于单点渐进成形工艺所使用的工具球头半径远小于板料尺寸，所以板料每次产生的变形仅发生在成形球头的周围区域，当该区域厚度减薄到一定程度，必然因材料失稳，出现起皱而破裂。

(2)在加工直壁方形件时，由于相邻两层成形中轨迹的转角和半径保持不变，则在工件的转角处容易产生金属堆积，随着加工的进行，随着金属堆积的增加，可使直边部分产生拉裂。 

(3)由于工具头与板材的接触面积较小，在工具头接触点附近小区域内板料接触压力高度集中，变形过于局部化，容易形成压痕，板材将因冲击以及加工硬化的过度累积而出现凹陷。 

(4)在分层加工时，工具头从接触点移开后坯料立刻产生回弹，表现为随着工具头的运动，工件已成形部分会产生鼓凸。因此渐进成形工件的最后形状是其整个成形和局部回弹历史的累积效应的结果，从而使成形工件的形状和尺寸将达不到所需要的精度，而成形精度也成为制约渐进成形工艺推广的关键问题。 

将振动技术与金属板材成形工艺进行有机结合，开发单点振动渐进成形装置，从而改善成形条件，提高成形效率与成形质量。 

发明内容

1、发明目的 

本发明主要是在单点渐进成形工艺技术的基础上，通过对工具头施加有效的微幅振动和对成形过程中的工艺参数、振型参数进行实时控制，以及板料振动塑性成形条件的建立，开发一种能够对金属板料进行单点振动渐进成形的加工装置，克服单点渐进成形过程中的工艺缺陷，实现板料的高效、精密成形。

2、技术方案 

主轴1垂直安装在机架2上，力传感器3安装在主轴1的轴端，振动信号发生器4与激振器5连接，激振器5安装在力传感器3的下方, 工具头8与激振器5之间由连接杆6相连，工作台7安装在主轴1的正下方，参数控制器12的输入端与力传感器3相连，输出端分别与激振器5的振动频率、振幅控制端口以及工作台7的X轴驱动电机10、Y轴驱动电机11控制端口相连；

激振器5在脉冲信号的作用下，将一定频率和振幅的振动信号输出到连接杆6和工具头8上，使工具头8能够获得冲击载荷；

将单点纵向振动塑性成形条件在参数控制器12中进行设置，同时通过参数控制器12对成形工艺参数和振型参数进行实时监控与调整；

参数控制器12根据力传感器3获得的力信号，经过信号处理后，送到单片机与常规板料成形力的设定值进行比较，根据比较结果调整对激振器5的频率与振幅等振型参数，以及驱动工作台运动的X轴电机与Y轴电机转速。

3、技术效果 

金属板材在单点振动渐进塑性变形过程中将产生体积效应、表面效应和均质效应，从而达到以下有益技术效果：

(1)金属板材成形区域内将出现体积效应：即减小金属板材的变形抗力，降低板材内部的流动应力，有利于金属塑性流动，可使一些难加工板材的精密成形成为可能。

(2)局部成形区域将出现表面效应：即减少模具与工件之间的摩擦，降低成形温度，可以获得较好的制品表面质量和较高的尺寸精度。 

(3)均化效应：由于振动的施加，改善了成形条件，使板料在成形过程中，局部区域上产生的拉应力、压应力、剪应力及其应变大小较为均匀，因而板料整体变形程度趋于一致，可以减轻或避免板料起皱、凹陷、破裂和金属堆积的发生。 

(4)随着应力和应变的均化，可以减轻工具头与板料接触部位的接触应力的高度集中，变形过于局部化，从而抑制压痕的产生。