金属复合厚板三维曲面连续成形装置的制作方法

本发明属于金属塑性加工领域，公开了一种金属复合厚板三维曲面连续成形装置，适用于金属复合厚板尤其是蜂窝板与夹芯板等大型三维曲面零件的塑性成形。

背景技术：

蜂窝板和夹芯板等金属复合厚板是重要的轻量化材料，具有高比强度、高比刚度、优良的抗冲击性能、隔音性好、耐温性强等优点，随着金属复合板在航空、航天、交通运输、建筑、军事等领域应用越来越广泛，在火箭整流罩、飞机机翼、高超声速飞行器热防护外层等结构中对于金属复合板三维曲面的需求量也越来越大。传统的三辊滚弯方法以三个刚性直辊作为成形工具，通过三辊对板料的三点弯曲获得纵向弯曲变形，但是，刚性直辊的直线轮廓不能使板料的横向曲率发生任何变化，因此，只能成形出柱面、锥面等单曲率曲面零件，对于目前大量需求的复合板三维曲面零件目前还没有成熟、有效的成形技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决金属复合板三维曲面的成形问题，提供一种金属复合厚板三维曲面成形的装置，适用于金属复合厚板尤其是蜂窝板与夹芯板等大型三维曲面零件的塑性成形。采用多个高度可调、沿轴向排列的滚轮构成滚轮组，以一个上滚轮组和两个下滚轮组作为金属复合板料的成形工具，通过上、下滚轮组三点弯曲获得接触区域板料的纵向弯曲变形，通过改变滚轮组中各滚轮的高度形成滚轮组曲线外轮廓获得接触区域板料的横向弯曲变形，依靠推料机构和拉料机构实现板料的连续进给，从而连续成形出双曲度的金属复合厚板三维曲面。

本发明的上述目的通过一下技术方案实现，结合附图说明如下：

金属复合厚板三维曲面连续成形装置，包括一个双向弯曲成形装置，双向弯曲成形装置的一侧有推送板料连续进给的推料机构，双向弯曲成形装置的另一侧有拉出成形后的板料的拉料机构，其特征在于：

所述的双向弯曲成形装置包括机架、一个上滚轮组、位于上滚轮组下方两侧的两个下滚轮组及一个下压机构，双向弯曲成形装置的机架包括一个上横梁、一个下横梁、一个位于上横梁和下横梁之间的活动横梁和四根导柱，上横梁与下横梁之间通过位于上横梁和下横梁四个角的四个导柱固定连接，四个导柱上安装有由下压机构控制的可沿四个导柱上下运动的活动横梁；活动横梁与下横梁均包括一个上水平板和一个下水平板；上滚轮组竖直向下设置在活动横梁上，下滚轮组竖直向上设置在下横梁上；

上滚轮组由多个沿垂直于板料进给方向排列的上滚轮控制单元组成，下滚轮组由多个沿垂直于板料进给方向排列的下滚轮控制单元组成，上滚轮控制单元与下滚轮控制单元的结构相同，均包括一个高度位置可调整并可绕自身轴转动的滚轮、一个有外螺纹的高度调整螺杆、一个有内螺纹的高度调整方体以及一个高度调整电机，滚轮固定连接在高度调整方体上，滚轮的转轴沿垂直于板料进给的方向水平布置；

上滚轮组中的每个上滚轮控制单元的高度调整螺杆通过轴承安装在活动横梁的上水平板上，上滚轮控制单元的高度调整螺杆的一端与固定在活动横梁上的上滚轮控制单元的高度调整电机的输出轴固定连接，每个上滚轮控制单元的高度调整方体穿过活动横梁的下水平板与上滚轮控制单元的高度调整螺杆螺纹连接；

下滚轮组中的每个下滚轮控制单元的高度调整螺杆通过轴承安装在下横梁的下水平板上，下滚轮控制单元的高度调整螺杆的一端与固定在下横梁上的下滚轮控制单元的高度调整电机的输出轴固定连接，每个滚轮控制单元的高度调整方体穿过下横梁的上水平板与下滚轮控制单元的高度调整螺杆螺纹连接；

所述的双向弯曲成形装置的下压机构用于控制活动横梁的上下运动，包括一个安装在上横梁上方的蜗杆、一个固定在上横梁上的伺服电机、两个在蜗杆两端与蜗杆构成运动副的蜗轮、两个与导柱平行布置并位于上滚轮组两侧的螺杆；蜗杆与固定在上横梁上的伺服电机的输出轴固定连接，螺杆的一端穿过上横梁与蜗轮同轴固定连接并可同轴转动，螺杆的另一端与固定在活动横梁的上水平板上的螺套构成运动副；

所述的推料机构包括至少两个推料钳、一个推料液压缸和一个钢板焊接的推料机座；推料机座的主体是一个水平方向的箱体，推料液压缸水平放置并固定在推料机座的箱体上，推料钳固定在推料液压缸的输出端，夹持并推动板料实现连续进给运动；

所述的拉料机构包括至少两个夹料钳、与夹料钳数量相同的水平液压缸、与夹料钳数量相同的竖直液压缸和一个钢板焊接的拉料机座；拉料机座呈“L”字形，包括一个水平方向的水平板和一个竖直方向的竖直板，水平液压缸的一端铰接在拉料机座的竖直板上，另一端铰接在夹料钳上，竖直液压缸的一端铰接在拉料机座的水平板上，另一端铰接在夹料钳上，连接在水平液压缸与竖直液压缸端部的夹料钳可在水平方向与竖直方向运动。

进一步的技术方案为：

所述的上滚轮控制单元和下滚轮控制单元中的滚轮的外圈带有增加接触面积、防止对成形曲面产生划痕的软质弹性材质的弹性套，弹性套的材料是聚氨酯或者橡胶。

本发明的有益效果：

1.由于采用了三个由多个滚轮构成的滚轮组作为工具，每个滚轮组中各滚轮的高度都可独立控制，在三个滚轮组使板料产生纵向三点弯曲变形的同时，调整各滚轮的高度形成具有曲线轮廓的滚轮组，还可获得横向弯曲变形，从而实现了板料的双向弯曲变形，解决了金属复合板三维曲面的成形问题；

2.在板料成形过程中，通过推料机构与拉料机构实现板料的连续进给，三个滚轮组中的各滚轮均不需要主动转动，省去了控制滚轮转动的复杂机构，从而使本发明提供的装置结构简单、造价低；

3.采用本发明装置成形曲面零件时，曲面的形状可通过下压机构与滚轮组种各滚轮的高度位置来控制，调整下压机构改变上滚轮组的压下量可改变曲面的纵向曲率，调整各滚轮的高度改变滚轮组曲线轮廓可改变曲面的横向曲率。因而，本发明装置柔性好，在一台设备上能实现不同形状曲面零件的无模成形，并且由于采用了连续成形的方式，本发明装置还适用于大型复合板的曲面加工；

4.在滚轮的外圈带有聚氨酯、橡胶等软质弹性材料的弹性套，增大了滚轮与板料之间的接触面积，可防止板料与滚轮接触区域产生划痕，获得表面质量好的曲面零件。

总之，以本发明提供的装置为基础，可建立一种用于金属复合板曲面成形的新方法，实现金属复合板三维曲面的简单、快捷、低成本成形。

附图说明

图1是本发明所述的金属复合厚板三维曲面连续成形装置的整体结构示意图；

图2a是上滚轮组与活动横梁的装配关系：

图2b是下滚轮组与下横梁的装配关系；

图3a是滚轮控制单元的正视图；

图3b是滚轮控制单元的侧视图；

图4是下压机构与活动横梁及上横梁的装配关系示意图；

图5a是调形前的上滚轮组、下滚轮组；

图5b是调形后的上滚轮组、下滚轮组；

图6a是板料弯曲变形开始时刻上滚轮组、下滚轮组纵向三点弯曲板料的过程示意图；

图6b是上滚轮组下压实现三点纵向弯曲的示意图；

图6c是板料连续成形过程中的某一时刻上滚轮组、下滚轮组使板料纵向弯曲的示意图；

图7a是板料成形开始时刻上滚轮组、下滚轮组与板料的位置关系示意图；

图7b是板料连续成形过程中的某一时刻上滚轮组、下滚轮组使板料横向弯曲的示意图；

图8是推料机构推动板料连续进给的工作过程示意图；

图9是拉料机构拉出成形曲面零件的工作过程示意图；

图10a是本发明可成形的蜂窝板的结构示意图；

图10b是本发明可成形的夹芯板的结构示意图；

图中：1.板料，2.上横梁，3.下横梁，4.导柱，5.活动横梁，6.上滚轮控制单元，6a.上滚轮组轮廓，7.下滚轮控制单元，7a.下滚轮组轮廓，8.滚轮，9.高度调整螺杆，10.高度调整方体，11.高度调整电机，12.轴承，13.蜗杆，14.伺服电机，15.蜗轮，16.螺杆，17.螺套，18.推料钳，19.推料液压缸，20.推料机座，21.夹料钳，22.水平液压缸，23.竖直液压缸，24.拉料机座，25.弹性套。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体内容及其工作过程。

如图1所示，本发明的金属复合厚板三维曲面连续成形装置，包括一个双向弯曲成形装置，双向弯曲成形装置左侧有推进板料1连续进给的推料机构，右侧有拉出成形后板料的拉料机构。

双向弯曲成形装置包括机架、一个上滚轮组、位于上滚轮组下方两侧的两个下滚轮组及一个下压机构，双向弯曲成形装置的机架包括一个上横梁2、一个下横梁3、一个位于上横梁2和下横梁3之间的活动横梁5和四根导柱4，上横梁2与下横梁3之间通过位于上横梁2和下横梁3四个角的四个导柱4固定连接，四个导柱4上安装有由下压机构控制的可沿四个导柱4上下运动的活动横梁5；活动横梁5与下横梁3均包括一个上水平板和一个下水平板，活动横梁5由下压机构控制沿四个导柱4上下运动。

参见图1、图2a、图2b，上滚轮组安装在活动横梁5上，其下端露出活动横梁5的底部，下滚轮组安装在下横梁3上，其上端露出下横梁4的顶部；上滚轮组由多个沿垂直于板料进给方向排列的上滚轮控制单元6组成，下滚轮组由多个沿垂直于板料进给方向排列的下滚轮控制单元7组成，上滚轮控制单元6与下滚轮控制单元7的结构相同，均包括一个高度位置可调整并可绕自身轴转动的滚轮8、一个有外螺纹的高度调整螺杆9、一个有内螺纹的高度调整方体10以及一个高度调整电机11，滚轮8固定连接在高度调整方体10上，滚轮8的转轴沿垂直于板料进给的方向水平布置；

上滚轮组中的每个上滚轮控制单元6的高度调整螺杆9通过轴承12安装在活动横梁5的上水平板上，可绕自身轴转动，但受自身台肩及轴承12的限位不能上下移动，高度调整螺杆9的一端与固定在活动横梁5上的上滚轮控制单元6的高度调整电机11的输出轴固定连接，上滚轮组中的每个滚轮控制单元6的高度调整方体10穿过活动横梁5的下水平板上的方孔与上滚轮控制单元6的高度调整螺杆9螺纹连接，安装在上滚轮控制单元6的高度调整螺杆9上的高度调整方体10可在上滚轮控制单元6的高度调整螺杆9上上下移动，固定连接在上滚轮控制单元6的高度调整方体10下端的上滚轮控制单元6的滚轮8随高度调整方体10一起上下移动；由上滚轮控制单元6的高度调整电机11带动高度调整螺杆9转动，可调整上滚轮控制单元6的滚轮8的高度位置，通过对上滚轮组中的各滚轮高度调整可进行上滚轮组轮廓的调形(如图5a、图5b所示)，上滚轮组调形完毕后固定在活动横梁5上，随活动横梁5整体上下移动；

参见图1、图3a、图3b，下滚轮组中的每个下滚轮控制单元7的高度调整螺杆9通过轴承12安装在下横梁3的下水平板上，可绕自身轴转动，但受自身台肩及轴承12的限位不能上下移动；高度调整螺杆9的一端与固定在下横梁3上的下滚轮控制单元7的高度调整电机11的输出轴固定连接，下滚轮组中的每个滚轮控制单元7的高度调整方体10穿过下横梁3的上水平板上的方孔与下滚轮控制单元7的高度调整螺杆9螺纹连接，安装在下滚轮控制单元7的高度调整螺杆9上的高度调整方体10可在下滚轮控制单元7的高度调整螺杆9上上下移动，固定连接在下滚轮控制单元7的高度调整方体10上端的下滚轮控制单元7的滚轮8随高度调整方体10一起上下移动。由下滚轮控制单元7的高度调整电机11带动高度调整螺杆9转动，可调整下滚轮控制单元7的滚轮8的高度位置，通过对下滚轮组中的各滚轮高度的调整可进行下滚轮组轮廓的调形(如图5a、图5b所示)，下滚轮组调形完毕后固定在下横梁3上，在板料成形过程中整体保持固定不动。

参见图1、图4，双向弯曲成形装置的下压机构用于控制活动横梁5的上下运动，包括一个安装在上横梁2上方的蜗杆13、一个固定在上横梁2上的伺服电机14、两个在蜗杆13两端与蜗杆13构成运动副的蜗轮15、两个与导柱4平行布置并位于上滚轮组两侧的螺杆16；蜗杆13与固定在上横梁2上的伺服电机14的输出轴固定连接，螺杆16的一端穿过上横梁2的圆孔与蜗轮15同轴固定连接并可同轴转动，螺杆16的另一端与固定在活动横梁5的上水平板上的螺套17构成运动副，通过蜗杆13的控制，安装在两个螺杆16与四个导柱4上的活动横梁5在螺杆16与导柱4上上下移动。在板料成形时，由活动横梁6驱动上滚轮组对板料1下压，与两个下滚轮组配合，使板料产生纵向(板料进给方向)三点弯曲变形(如图6a、图6b、图6c所示)，同时，板料1在上、下滚轮组曲线轮廓作用下还产生横向(垂直于板料进给方向)的弯曲变形(如图7a、图7b所示)，从而实现板料的双向弯曲变形。

参见图1，推料机构包括至少两个推料钳18、一个推料液压缸19和一个钢板焊接的推料机座20；推料机座20的主体是一个水平方向的箱体，推料液压缸19水平放置并固定在推料机座20的箱体上，推料钳18固定在推料液压缸19的输出端；在板料成形过程中，推料钳18夹持板料1，在推料液压缸19的控制下，推动板料1向右连续进给(如图8所示)，并带动上、下滚轮组中的滚轮连续转动，进行板料的连续双向弯曲成形。

参见图1，拉料机构包括夹料钳21、水平液压缸22、竖直液压缸23和钢板焊接的拉料机座24；拉料机座24呈“L”字形，包括一个水平方向的水平板和一个竖直方向的竖直板，夹料钳21铰接在水平液压缸22与竖直液压缸23的端部，水平液压缸22的一端铰接在拉料机座24的竖直板上，竖直液压缸23的一端铰接在拉料机座24的水平板上；当推料机构推送板料到达极限位置时(如图9所示)，由夹料钳21夹持成形后的板料1，在水平液压缸22与竖直液压缸23的带动下，夹料钳21沿板料滚出方向拉出成形曲面，完成曲面成形。

参见图5a、图5b，上、下滚轮控制单元中的滚轮8的外圈带有弹性套25，弹性套25的材料可以是聚氨酯，也可以是橡胶等软质弹性材料，以增大滚轮与板料之间的接触面积，防止在板料与滚轮接触的局部区域产生压痕，保证成形件的表面质量。

下面举例说明利用金属复合厚板三维曲面连续成形装置，将图10a所示的蜂窝板或图10b所示的夹芯板加工成三维曲面零件的过程：

1.根据待成形三维曲面零件的目标曲面，提取出横向轮廓曲线及纵向轮廓曲线，根据板料厚度、材质等确定曲面成形所需要的上、下滚轮组的轮廓曲线；根据目标曲面纵向轮廓曲线计算出纵向曲率，并根据纵向曲率及板料厚度、材质等参数计算三点纵向弯曲变形产生目标纵向曲率所需要的上滚轮组的下压量；

2.根据曲面成形所需要的上、下滚轮组的轮廓曲线，利用各上、下滚轮的高度调整电机调整各滚轮高度位置，进行上、下滚轮组轮廓曲线的调形，参见图5a、图5b；

3.板料放置在下滚轮组上(如图6a、图7a所示)，根据所需要的上滚轮组的下压量，利用伺服电机，通过下压机构带动活动横梁向下运动，使两个下滚轮组之间的板料在上、下滚轮组作用下产生三点纵向弯曲变形(如图6b所示)，同时使板料在上、下滚轮组曲线轮廓作用下产生横向弯曲变形(如图7b所示)；

4.由推料机构推送板料连续进给(如图8、图6c所示)，同时驱动上、下滚轮组中的滚轮连续转动，进行板料连续成形，直到推料机构向右推送板料到达推料钳与下滚轮组接触的极限位置；

5.在推料机构推送板料到达极限位置后(如图9所示)，拉料机构的夹料钳夹持成形后的板料，由拉料机构的水平液压缸与竖直液压缸带动夹料钳沿板料滚出方向拉出成形曲面，完成曲面的最终成形。