复杂曲面钢板数控柔性渐进成形设备和成形方法与流程

本发明属于复杂曲面钢板成形技术领域，尤其涉及一种复杂曲面钢板数控柔性渐进成形设备和成形方法。

背景技术：

复杂曲面钢板的加工，例如船体复杂曲面钢板的加工是船舶制造的关键环节之一，流线形的曲面使船舶具有良好的推进性能和最小阻力的三维曲面，因此既可以让船体获得足够的支持自重和载重量的浮力，又保证了船舶航行的经济性。针对复杂曲面金属板材的加工，现有技术主要有机械冲压工艺、水火弯板工艺以及板材多点成形工艺等多种加工工艺。

机械冲压工艺是最传统的加工工艺，主要由熟练工人依靠经验完成。该加工工艺具有效率高、加工精度好的优点，通常采用大形液压机床作为冲压机床。但是，由于冲头形状及板材厚度的限制，该加工工艺无法制作大曲率的双向弯板，适用范围比较局限。此外，由于采用了大形液压机床作为冲压机床，该加工工艺能源消耗比较大，经济性较差。

水火弯板工艺是目前国内外复杂曲面船板加工领域最常见的加工工艺。该加工工艺利用金属板材局部受高温冷却后产生塑性收缩变形的原理加工所需要的曲面，在加工过程中，高温热源在金属板表面沿加热线移动对金属板材局部加热，使在金属板表面和板厚方向产生一定的温度分布，加热区间的局部金属受热膨胀；受到四周冷金属的阻碍，产生塑性变形。热源后面一定距离处为水跟踪冷却；受热膨胀的金属冷却后开始收缩受拉，便产生了金属板的变形。水火弯板过程是曲板局部的瞬态热弹塑性变形，而影响曲板局部瞬态温度场和位移的因素比较多，所以要确定曲板的最终局部变形十分困难，目前主要依靠有经验的工人师傅手工完成。此外，该加工工艺劳动环境恶劣，且金属板材一次成形率较低，难以实现精度控制。

金属板材多点成形加工工艺是一种新型的复杂曲面板材加工成形的加工方法，目前仍处于实验研究阶段，尚未进入实际生产加工领域。由于其成形装置需要在工具头和支撑台模拟出传统的模具上下模的形状再进行冲压，因此成形装置结构比较复杂，生产制作成本也比较高，无法适用于大尺寸、多批量的复杂金属板材成形加工，适用范围窄。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种复杂曲面钢板数控柔性渐进成形设备和成形方法，其

本发明的技术方案是：一种复杂曲面钢板数控柔性渐进成形设备，包括成形机床床身，还包括用于分步渐进加工成形金属板材的支撑吸附装置和工具压头组，所述支撑吸附装置和所述工具压头组连接于所述机床床身且相对设置；所述支撑吸附装置包括支撑架、用于吸附金属板材的吸附部件、用于调节所述吸附部件位移的支撑部件，所述支撑部件连接于所述支撑架，所述吸附部件连接于所述支撑部件。

可选地，所述支撑部件设置有至少三排，每排至少包括两个所述支撑部件。

可选地，所述吸附部件通过万向球连接器连接于所述支撑部件的上端。

可选地，所述支撑部件为液压缸，所述液压缸具有液压推杆。

可选地，所述吸附部件为电磁吸盘。

可选地，所述万向球连接器包括万向球关节座和与所述万向球关节座配合的万向球关节，所述万向球关节座固定连接于所述液压推杆，所述吸附部件固定连接于所述万向球关节。

可选地，所述支撑架包括底板、侧板和上调节板，所述侧板设置有两个，且所述侧板的下端分别连接于所述底板的两侧，所述上调节板的两端分别连接于所述侧板的上端，所述上调板开设有多个用于供所述液压推杆穿过的通孔。

可选地，所述通孔处设置有无油衬套。

本发明还提供了一种复杂曲面钢板数控柔性渐进成形方法，采用上述的复杂曲面钢板数控柔性渐进成形设备，包括以下步骤：将加工件分为多个分段，通过工具压头组和支撑吸附装置依次渐进分别作用于加工件各分段的两面，使加工件的各段依次成形得到所需复杂曲面钢板。

可选地，所述工具压头组和支撑吸附装置的工作方式包括以下至少一种：

1.所述工具压头组给定位移和速度向下压，至少两组靠近于所述工具压头组的支撑吸附装置提供向下的吸附力并随着加工件的变形向下移动；至少两组远离所述工具压头组的支撑吸附装置保持不动；

2.所述工具压头组给定位移和速度向下压，至少两组靠近于所述工具压头组的支撑吸附装置向上运动；

3.调整各支撑吸附装置的位置并保持不动，所述工具压头组将加工件压至支撑吸附装置的位置；

4.工具压头组中的至少两个压头部件与相应的支撑吸附装置一起夹紧加工件，工具压头组中的至少一个压头部件向下移动对加工件进行局部变形修正。

本发明所提供的一种复杂曲面钢板数控柔性渐进成形设备和成形方法，可以通过加工一系列的二维断面层(分段式加工，即一个复杂曲面钢板可以分为多个分段，本实施例中所称二维断面层即为各分段)，从而获得复杂曲面形状的金属板材，可以加工多种形状的金属板材，结构稳定可靠，可以实现自动加工，可操作性强，加工效率更高，对操作工人的熟练程度要求较低。另外，由于不需要设计专门的模具，加工柔性度高，可适用于加工各种不同复杂形状的金属板材，成本更低，经济性更好，采用了基于最小能量法的渐进成形加工方案，可大幅减小渐进成形加工的成形力，减少了成形钢板的表面质量缺陷，成形钢板表面加工质量高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种复杂曲面钢板数控柔性渐进成形设备的平面示意图；

图2是本发明实施例提供的一种复杂曲面钢板数控柔性渐进成形设备的平面示意图；

图3是本发明实施例提供的一种复杂曲面钢板数控柔性渐进成形设备中支撑吸附装置的立体示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

如图1至图3所示，本发明实施例提供的一种复杂曲面钢板数控柔性渐进成形设备，包括成形机床床身1，还包括用于分步渐进加工成形金属板材的支撑吸附装置2和工具压头组3，支撑吸附装置2和工具压头组3可以独立设置、调节相对位置，所述支撑吸附装置2和所述工具压头组3连接于所述机床床身1且相对设置；支撑吸附装置2和工具压头组3可以分别作用于金属板材的上下两面，使金属板材可以通过在支撑吸附装置2和工具压头组3的作用二分段成形，即通过渐进成形的方式，基于最小能量法输出渐进成形加工轨迹，既可以用来加工形状普通的单曲率板材和双曲率板材，又可以加工形状复杂的帆形板材和马鞍形板材。此外，还可以应用于大型船舶、其它领域的大型复杂曲面钢板加工成形问题，如飞机制造、大型金属容器制造、大型钢结构制造等。所述支撑吸附装置2包括支撑架20、用于吸附金属板材的吸附部件25、用于调节所述吸附部件25位移的支撑部件21，所述支撑部件21连接于所述支撑架20，所述吸附部件25连接于所述支撑部件21。支撑部件21可以带动吸附部件25以设定的速率位移设定的距离，也可以预先将各支撑部件21上的吸附部件25调节至设定的位置，还可以将部分支撑部件21上的吸附部件25调节至设定的位置，并控制部分支撑部件21带动吸附部件25以设定的速率位移设定的距离，同样地，工具压头组3也可以以设定的速率位移设定的距离，也可以预先将工具压头组3调节至设定的位置，还可以将部分工具压头组3调节至设定的位置，并控制部分工具压头组3以设定的速率位移设定的距离。支撑吸附装置2在渐进成形加工过程中可以起到支撑和定位作用；工具压头组3可以作为执行渐进成形加工动作的执行机构，支撑吸附装置2和工具压头组3配合形成多功能柔性支撑系统，可以实现对不同形状复杂曲面板材的柔性支撑和吸附定位作用，通过控制工具压头组3和支撑吸附装置2，可以通过加工一系列的二维断面层(分段式加工，即一个复杂曲面钢板可以分为多个分段，本实施例中所称二维断面层即为各分段)，同一分段也可以通过一次或至少两次加工成形，从而获得复杂曲面形状的金属板材，可以加工多种形状的金属板材，除了单曲率板材、双曲率板材外，还可以加工帆形板材、马鞍形板材等等多种复杂曲率工件，可以用于船体复杂曲面钢板的加工，还可以用于解决其它领域的大型复杂曲面钢板加工成形问题，如飞机制造、大型金属容器制造、海上油气开发平台的大型支脚的制造、大型钢结构制造等，结构稳定可靠，通过有限元模拟仿真并通过制造实验，实验测试结果表明该成形装置完全满足渐进成形加工的要求，可行性佳，可以为我国战略新兴产业中高端装备制造业的发展起到积极的推进作用。而且，通过柔性的渐进成形加工，可以实现自动加工，可操作性强，加工效率更高。与水火弯板加工方式等现有技术相比，操作工人不需要在恶劣的操作环境下进行加工生产，且本实施例所提供的复杂曲面钢板数控柔性渐进成形设备，对操作工人的熟练程度要求较低。另外，由于不需要设计专门的模具，可以实现对多种复杂曲面金属板材的柔性加工成形，成本更低，经济性更好，采用了基于最小能量法的渐进成形加工方案，可大幅减小渐进成形加工的成形力，减少了成形钢板的表面质量缺陷，成形钢板表面加工质量高。

具体地，所述支撑部件21设置有至少三排，每排至少包括两个所述支撑部件21，每个支撑部件21上均设置有吸附部件25，各支撑部件21和吸附部件25均可以独立设置。

具体地，所述吸附部件25通过万向球连接器连接于所述支撑部件21的上端，随着金属板材的变形，吸附部件25可以灵活，可以实现对不同形状复杂曲面板材的柔性支撑和吸附定位作用。

具体地，工具压头组3的驱动方式采用液压驱动、电机驱动等方式，本实施例中，所述支撑部件21为液压缸，所述液压缸具有液压推杆。或者，支撑部件21的驱动方式和运动控制方式可以变更为伺服电机驱动和运动控制卡控制。

具体地，所述吸附部件25可以为电磁吸盘。支撑部件21(液压缸，液压支撑柱)的高度可以根据渐进成形加工工艺的需要自由调节，可适用于不同形状的金属板材，从而达到了柔性支撑的效果。每个支撑部件21(液压缸)的顶部(即液压推杆的上端)均安装有一个电磁吸盘，电磁吸盘可以随着推力关节轴承自由摆动，保证了板材变形过程中吸盘与板材之间的面接触。其中，位于四角处的吸附部件25的尺寸相对更大。

具体地，所述万向球连接器包括万向球关节座和与所述万向球关节座配合的万向球关节，所述万向球关节座固定连接于所述液压推杆，所述吸附部件25固定连接于所述万向球关节，吸附部件25可以灵活转动。

具体地，所述支撑架20包括底板201、侧板202和上调节板221，所述侧板202设置有两个且相向设置，所述侧板202的下端分别连接于所述底板201的两侧，所述上调节板221的两端分别连接于所述侧板202的上端，所述上调板开设有多个用于供所述液压推杆穿过的通孔，支撑部件21可以被可靠地定位。

具体地，所述通孔处设置有无油衬套26，可靠性佳。

具体地，成形机床床身1可以采用龙门式的结构，所述工具压头组3包括至少一个压头部件，所述压头部件连接于所述成形机床床身1的横梁11。本实施例中，压头部件设置有至少一排，每排至少包括至少三个压头部件。每个压头部件均可以独立运动。压头部件可以通过快拆结构连接于成形机床床身1，压头部件可以采用液压缸等结构形式，其可以根据实际情况选用合适数量的压头部件。本实施例中，压头部件朝下设置，支撑部件21安装在机床床身1的底部，压头部件和支撑部件21上下对置，为成形板材提供支撑和定位。

具体地，支撑部件21可以固定连接于底板201。作为替代方案，两侧板202之间还可以设置有下调节板。所述支撑部件21(液压缸)的底部连接于所述下调节板，本实施例中，所述支撑部件21可调节式滑动连接于所述上调节板221和下调节板，支撑部件21可以沿至少两个方向滑动调节位置和间距。

具体地，所述上调节板221的两端可以分别滑动连接于所述侧板202的上端，且所述上调节板221的两端连接有上调节锁紧件；所述下调节板的两端可以分别设置连接于所述侧板202内侧，且所述下调节板的两端连接有下调节锁紧件，上调节板221和下调节板可以带动其上支撑部件21的沿侧板202(第一方向)滑动，并分别通过上调节锁紧件和下调节锁紧件锁定，上调节锁紧件和下调节锁紧件可为螺栓等紧固件。

具体地，所述上调节板221设置有第一滑槽，所述第一滑槽滑动连接有第一滑块，所述支撑部件21穿设于所述第一滑块，所述第一滑块连接有第一调节锁紧件；所述下调节板设置有第二滑槽，所述第二滑槽滑动连接有第二滑块，所述支撑部件21的底部固定连接于所述第二滑块，所述第二滑块连接有第二调节锁紧件。支撑部件21可以沿上调节板221、下调节板(第二方向，第二方向与第一方向垂直)滑动，并分别通过第一调节锁紧件和第二调节锁紧件锁定，第一调节锁紧件和第二调节锁紧件可为螺栓等紧固件。

具体地，所述上调节板221和下调节板设置有至少三组，每组所述上调节板221和下调节板连接有至少三个所述支撑部件21，以应用于不同形状的复杂曲面钢板的成形。

具体地，所述支撑部件21或所述吸附部件25连接有位移反馈部件。

具体地，所述位移反馈部件为拉线编码器，支撑部件21的升降动作主要由液压缸的驱动来实现，液压缸的动作通过电磁阀、比例流速阀和比例溢流阀的协调工作来调节。在升降过程中，拉线位移编码器将实时读取支撑部件21的高度值，以确保支撑部件21的高度调节在安全范围内，起到了很好的保护作用。

本发明实施例还提供了一种复杂曲面钢板数控柔性渐进成形方法，采用上述的复杂曲面钢板数控柔性渐进成形设备，包括以下步骤：将加工件分为多个分段，通过工具压头组3和支撑吸附装置2依次渐进分别作用于加工件各分段的两面，使加工件的各段依次成形得到所需复杂曲面钢板，采用了渐进成形的加工思想，把复杂的三维形状离散成一系列的二维断面层，在二维断面层上进行局部的弯曲变形和塑性加工，最终实现复杂曲面钢板的加工成形。因此在单步渐进成形加工过程中，工具压头组3的进给量比较小，且金属板材的变形量比较小，所以板材的成形力也相对较小。根据设计模型的三维尺寸数据，该加工工艺将基于有限元逆算法，计算零件的应力、应变分布，输出钢板成形所需冲压的区域以及对应冲头的行程，并对零件的几何特征进行曲率分析，修正需要加工的区域。然后根据最小能量法计算钢板各部分的回弹量及最终变形量，补偿冲头的行程，确定渐进成形加工顺序，利用matlab等软件计算加工轨迹，并输出渐进成形nc代码，从而实现渐进成形的数控加工。在渐进成形加工过程中，每一个加工步仅仅加工出金属板材的某一局部曲率，然后通过多次加工并逐步增加工具压头组3的进给量实现复杂曲面金属板材的成形加工。

具体地，所述工具压头组3和支撑吸附装置2的工作方式包括以下至少一种：

1.所述工具压头组3给定位移和速度向下压，至少两组靠近于所述工具压头组3的支撑吸附装置2提供向下的吸附力并随着加工件的变形向下移动；至少两组远离所述工具压头组3的支撑吸附装置2保持不动；

2.所述工具压头组3给定位移和速度向下压，至少两组靠近于所述工具压头组3的支撑吸附装置2向上运动；

3.调整各支撑吸附装置2的位置并保持不动，所述工具压头组3将加工件压至支撑吸附装置2的位置；

4.工具压头组3中的至少两个压头部件与相应的支撑吸附装置2一起夹紧加工件，工具压头组3中的至少一个压头部件向下移动对加工件进行局部变形修正；

5.所述工具压头组3给定位移和速度向下压，各支撑吸附装置2提供向下的吸附力并随着加工件的变形向下移动。

同一成形过程中，上述工作方式可以通过单独或不同的排列组合对板材进行渐进成形，以得到所需三维形状的成品。

本发明所提供的一种复杂曲面钢板数控柔性渐进成形设备和成形方法，可以通过加工一系列的二维断面层(分段式加工，即一个复杂曲面钢板可以分为多个分段，本实施例中所称二维断面层即为各分段)，从而获得复杂曲面形状的金属板材，可以加工多种形状的金属板材，除了单曲率板材、双曲率板材外，还可以加工帆形板材、马鞍形板材等等多种复杂曲率工件，可以用于船体复杂曲面钢板的加工，还可以用于解决其它领域的大型复杂曲面钢板加工成形问题，如飞机制造、大型金属容器制造、海上油气开发平台的大型支脚的制造、大型钢结构制造等，结构稳定可靠，通过有限元模拟仿真并通过制造实验，实验测试结果表明该成形装置完全满足渐进成形加工的要求，可行性佳，可以为我国战略新兴产业中高端装备制造业的发展起到积极的推进作用。而且，通过柔性渐进成形加工，可以实现自动加工，可操作性强，加工效率更高。与水火弯板加工方式等现有技术相比，操作工人不需要在恶劣的操作环境下进行加工生产，且本实施例所提供的复杂曲面钢板数控柔性渐进成形设备，对操作工人的熟练程度要求较低。另外，由于不需要设计专门的模具，加工柔性度高，可适用于加工各种不同复杂形状的金属板材，成本更低，经济性更好，采用了基于最小能量法的渐进成形加工方案，可大幅减小渐进成形加工的成形力，减少了成形钢板的表面质量缺陷，成形钢板表面加工质量高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。