专利名称：板材复合渐进成形装置及其板料成形方法
技术领域：
本发明涉及的是一种板料加工技术领域的装置及方法，具体是一种板材复合渐进成形装置及其板料成形方法。
背景技术：
金属板材在航空、航天、汽车、船舶等制造业有着广泛的应用，传统的板材冲压成形方法适用于大批量的生产加工，而针对小批量、多品种以及样品的试制加工，近年来兴起了一种板材的渐进成形方法。该方法不需要针对产品制作专门的冲压模具，具有加工方式灵活、成形极限高、加工成本低的特点，特别适合小批量金属板材的加工生产。经过对现有渐进成形技术及装置的检索发现，华中科技大学莫建华提出了一种多功能数控成形加工机，可对特征较为简单的曲面进行单面的渐进成形。德国亚琛工业大学金属塑性成形研究所(IBF，RffTH Aachen)开发了一种渐进成形装置，该装置在板料上部安装了成形头，在板料下部垫了成形模具，综合了拉伸成形与渐进成形工艺，可对细微特征进行加工，该装置成形曲面形状主要受下模控制，自由度有限，且下模需独立进行加工。德国波鸿鲁尔大学(Riihr-Universi^tBochum)等通过在板料两边放置两个6轴串联机器人，可同时加工具有凸起与凹陷特征的曲面，但由于串联机器人能产生的成形力较低(一般为几十公斤)、精度较差，难以对较厚的板材进行精密成形。以上所述装置及对应的渐进成形方法都分别针对具有某种固定几何特征的曲面开发，难以加工同时具有凹凸特征、细微特征以及包含孔洞特征的复杂板料产品。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种板材复合渐进成形装置及其板料成形方法，能够实现板材的精密渐进成形。本发明是通过以下技术方案实现的本发明涉及一种板材复合渐进成形装置，包括五轴加工成形单元、上压头、压边圈、板料夹持工作台、液压缸、底座、六轴并联机器人辅助加工平台，其中五轴加工成形单元安装于机床的主体床身，上压头安装于五轴加工成形单元主轴末端，压边圈安装于板料夹持工作台之上并与板料夹持工作台共同夹持板料，四个液压缸的两端分别与板料夹持工作台的下表面以及底座相连，底座和六轴并联机器人辅助加工平台分别设置于机床工作台面上且六轴并联机器人辅助加工平台的顶部设有下压头或支撑模并正对板料。所述的五轴加工成形单元采用加高立柱的摆动主轴式立式五轴成形数控机床。所述的上压头为不同形状的成形压头，该上压头通过电机带动绕机床主轴转动；所述的六轴并联机器人辅助加工平台由六轴并联机器人、安装于其末端的辅助成形压头、下支撑模以及辅助加热装置组成。本发明涉及上述装置的双压头复合渐进成形方法，包括以下步骤步骤一、将六轴并联机器人辅助加工平台的顶部加装直径为IOmm无刀刃的压头，根据三维造型软件生成加工轨迹；步骤二、用压边圈夹住板料四周10mm，调整板料装夹工作台位置，使之处于上、下压头之间；步骤三、将加工轨迹中的上数控加工轨迹代码输入五轴加工成形单元、下数控加工轨迹代码输入六轴机器人并对准上、下压头的加工坐标相一致，其中下数控加工轨迹代码中的加工轨迹向上方向增加板料厚度20%的偏移量；启动所述装置并即时调整上、下压头的同步运动，完成成形。本发明涉及上述装置的上压头与支撑模复合渐进成形方法，包括以下步骤第一步、将六轴并联机器人辅助加工平台的顶部加装模具坯料，根据三维造型软件生成加工轨迹；第二步、将五轴加工成形单元中的上压头替换直径为5mm铣刀，将加工轨迹中的上数控加工轨迹代码输入五轴加工成形单元、下数控加工轨迹代码输入六轴机器人并启动所述装置进行加工，得到支撑模；第三步、用压边圈夹住板料四周10mm，通过液压缸将板料装夹工作台向下移动，完成对支撑模的凸起部分的拉伸成形第四步、将五轴加工成形单元中的铣刀替换直径为IOmm无刀刃的上压头，并执行第一步和第二部对支撑模上凹陷特征进行渐进成形；第五步、将五轴加工成形单元的上压头替换为铣刀，六轴并联机器人辅助加工平台向下移动，使支撑模脱离板材，将加工轨迹中的上数控加工轨迹代码输入五轴加工成形单元、下数控加工轨迹代码输入六轴机器人，启动所述装置进行铣削加工。本发明的优点在于可以在五轴加工成形单元与六轴并联机器人辅助加工平台上实现成形工具的任意组合，完成单成形头成形、双成形头成形、成形头与支撑模组合成形、 以及带其它激光、电热装置的辅助成形，并可在成形前期及后期对板材及模具进行切削加工，实现带各种特征的复杂曲面金属板料的复合成形，加工柔度远远高于现有设计。此外， 由于该装置上成形机构五轴加工单元的精确度可达10微米，并可提供1吨左右的加工力， 下成形机构六轴并联机器人单元的重复定位精度达40微米，可提供1吨以上的加工力，因此在加工力及加工精度方面都高于现有渐进成形装置。
图1是单压头板料数控渐进复合成形示意图。图2是双压头板料数控渐进复合成形示意图。图3是压头与支撑模组合板料数控渐进复合成形示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例包括五轴加工成形单元1、上压头2、压边圈3、板料夹持工作台4、液压缸5、底座6、六轴并联机器人辅助加工平台7，其中五轴加工成形单元1安装于机床的主体床身，上压头2安装于五轴加工成形单元1主轴末端，压边圈3安装于板料夹持工作台4之上并与板料夹持工作台4共同夹持板料，四个液压缸5的两端分别与板料夹持工作台4的下表面以及底座6相连，底座6和六轴并联机器人辅助加工平台7分别设置于机床工作台面上且六轴并联机器人辅助加工平台的顶部设有下压头8或支撑模9并正对板料。所述的五轴加工成形单元1采用加高立柱的摆动主轴式立式五轴成形数控机床。所述的上压头2为不同形状的成形压头8，该上压头2通过电机带动绕机床主轴转动；所述的六轴并联机器人辅助加工平台7由六轴并联机器人、安装于其末端的辅助成形压头8、下支撑模9以及辅助加热装置组成。如图3所示，为双压头复合渐进成形过程1)产品尺寸为300_X300mm，采用厚度为Imm铝板；2)使用三维造型软件(如NX，DELCAM)对产品进行数字化建模，并使用数控软件对板料上下表面分别生成加工轨迹，其中将下数控加工轨迹向上移动一定距离，距离为板厚的20%，这样在成形时两压头之间的距离小于板厚，成形时能形成对板材的一定挤压；3)使用数控软件对板料的孔，边等需铣削的特征生成铣削加工轨迹；4)五轴加工成形单元及六轴并联机器人辅助加工平台均安装直径为IOmm无刀刃的压头；5)板料下料成320mmX 320mm见方，用压边圈夹住板料四周10mm，调整板料装夹工作台位置，使之处于上下压头之间。6)将上数控加工轨迹代码输入五轴加工成形单元，下数控加工轨迹代码输入六轴机器人，对准上、下压头的加工坐标相一致；，7)开动机床与机器人，调整两个压头的运动速度使之在加工中同步，运行机床与机器人，完成成形。8)五轴加工成形单元换装直径为5mm铣刀，将铣削轨迹输入机床，对好加工坐标， 开动机床，完成铣削加工，复合成形完成，将板料取下。如图3所示，为压头与支撑模组合的复合渐进成形过程1、产品尺寸为300_X300mm，采用厚度为Imm铝板；2、使用三维造型软件(如NX，DELCAM)对产品进行数字化建模，并使用数控软件对板料上表面生成加工轨迹；3、使用数控软件对板料的孔，边等需铣削的特征生成铣削加工轨迹；4、五轴加工成形单元安装相应铣刀，六轴并联机器人辅助加工平台根据成形件安装相应大小的模具坯料；5、将数控加工轨迹代码输入五轴加工成形单元，对好加工坐标，开动机床，完成支撑模具加工；6、板料下料成320mmX 320mm见方，用压边圈夹住板料四周IOmm ；7、通过液压缸将板料装夹工作台向下移动，完成对模具凸起部分的拉伸成形；8、五轴加工成形单元换装直径为IOmm无刀刃的压头，再次运行加工轨迹，对模具上凹陷特征进行渐进成形；
9、五轴加工成形单元再次换装直径为5mm铣刀，六轴并联机器人辅助加工平台向下移动，使支撑模脱离板材；10、将铣削轨迹输入机床，对好加工坐标，开动机床，完成铣削加工，复合成形完成，将板料取下。
权利要求
1.一种板材复合渐进成形装置，其特征在于，包括五轴加工成形单元、上压头、压边圈、板料夹持工作台、液压缸、底座、六轴并联机器人辅助加工平台，其中五轴加工成形单元安装于机床的主体床身，上压头安装于五轴加工成形单元主轴末端，压边圈安装于板料夹持工作台之上并与板料夹持工作台共同夹持板料，四个液压缸的两端分别与板料夹持工作台的下表面以及底座相连，底座和六轴并联机器人辅助加工平台分别设置于机床工作台面上且六轴并联机器人辅助加工平台的顶部设有下压头或支撑模并正对板料。
2.根据权利要求1所述的板材复合渐进成形装置，其特征是，所述的五轴加工成形单元采用加高立柱的摆动主轴式立式五轴成形数控机床。
3.根据权利要求1所述的板材复合渐进成形装置，其特征是，所述的上压头为不同形状的成形压头，该上压头通过电机带动绕机床主轴转动。
4.根据权利要求1所述的板材复合渐进成形装置，其特征是，所述的六轴并联机器人辅助加工平台由六轴并联机器人、安装于其末端的辅助成形压头、下支撑模以及辅助加热装置组成。
5.一种根据上述任一权利要求所述装置的双压头复合渐进成形方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一、将六轴并联机器人辅助加工平台的顶部加装直径为IOmm无刀刃的压头，根据三维造型软件生成加工轨迹；步骤二、用压边圈夹住板料四周10mm，调整板料装夹工作台位置，使之处于上、下压头之间；步骤三、将加工轨迹中的上数控加工轨迹代码输入五轴加工成形单元、下数控加工轨迹代码输入六轴机器人并对准上、下压头的加工坐标相一致，其中下数控加工轨迹代码中的加工轨迹向上方向增加板料厚度20%的偏移量；启动所述装置并即时调整上、下压头的同步运动，完成成形。
6.一种根据上述任一权利要求所述装置的上压头与支撑模复合渐进成形方法，其特征在于，包括以下步骤第一步、将六轴并联机器人辅助加工平台的顶部加装模具坯料，根据三维造型软件生成加工轨迹；第二步、将五轴加工成形单元中的上压头替换直径为5mm铣刀，将加工轨迹中的上数控加工轨迹代码输入五轴加工成形单元、下数控加工轨迹代码输入六轴机器人并启动所述装置进行加工，得到支撑模；第三步、用压边圈夹住板料四周10mm，通过液压缸将板料装夹工作台向下移动，完成对支撑模的凸起部分的拉伸成形第四步、将五轴加工成形单元中的铣刀替换直径为IOmm无刀刃的上压头，并执行第一步和第二部对支撑模上凹陷特征进行渐进成形；第五步、将五轴加工成形单元的上压头替换为铣刀，六轴并联机器人辅助加工平台向下移动，使支撑模脱离板材，将加工轨迹中的上数控加工轨迹代码输入五轴加工成形单元、 下数控加工轨迹代码输入六轴机器人，启动所述装置进行铣削加工。
全文摘要
一种板料加工技术领域的板材复合渐进成形装置及其板料成形方法，该装置包括五轴加工成形单元、板料夹持工作台、液压缸、六轴并联机器人辅助加工平台以及其它部件，五轴加工成形单元安装于机床的主体床身，板料夹持工作台通过液压缸安装于机床工作台，六轴机器人辅助加工平台设置于板料夹持工作台之下并安装于机床工作台面。本发明可以在五轴加工成形单元与六轴机器人辅助加工平台上实现成形工具的任意组合，完成单成形头成形、双成形头成形、成形头与支撑模组合成形，并可在成形前期及后期对板材及模具进行切削加工，实现带各种特征的复杂曲面金属板料的复合成形，是一种高柔度的板料渐进成形装置。
文档编号B21D22/04GK102172698SQ20111004119
公开日2011年9月7日 申请日期2011年2月21日 优先权日2011年2月21日
发明者曹简, 陆彬, 陈军 申请人:上海交通大学