一种板材形表一体连续渐进成形装置及成形方法

本发明涉及一种小批量、个性化、低成本板材连续渐进成形领域，尤其涉及一种卷装金属板材形表一体连续渐进成形装置及方法。

背景技术：

传统的板材成形加工技术中，常常使用板材冲压成形技术。该技术虽然效率高、操作简单，但冲模制造周期长，开模成本也十分高昂，仅适用于大批量生产。当生产小批量、个性化定制的板材时，板材冲压技术的使用受到限制。

随着现代工业的发展，三维渐进成形技术逐渐在美国、澳大利亚、德国等西方发达国家得以应用。发明人发现在日常生产过程中，在卷形板材成形的情况下，机器必须在人为参与拆装、移动板材时才能对板材进行加工。

现有的三维渐进成形技术由于板材无法移动，在加工大型卷装金属板材时，必须有工作人员在加工前后装卸板材，且在装卸板材时机器无法持续工作。在机器工作时，工作人员便在一旁监督。这无形中浪费了极大的人力物力，增加了板材加工的人工成本和时间成本。同时在板材表面制备一定的织构可以提高气动性能、耐腐蚀性能等，如新一代航空发动机和燃气轮机钛合金叶片制备出具有微沟槽和表面强化层，可同时实现减阻降噪和耐蚀抗冲刷性能；高速列车制备微结构功能表面可进一步改善气动性能降低空气阻力；医用植入物表面制备微结构可提高生物相容性。因此需要宏观几何形状和表面织构的一体加工方法(形表一体加工)。故发明人加入了移动板材的装置，使板材在加工前、加工后得以移动，从而能够实现板材在一次装夹的情况下形表一体连续加工的需要，这样不仅简化了操作流程，也节约了制造成本，有利于提高板材渐进成形加工的效率，适应小批量、中批量加工的要求。

技术实现要素：

为了解决现有技术的缺点与不足，本发明提供了一种板材形表一体连续渐进成形的装置及方法，可以实现大型板材一次装夹的情况下，连续形表一体成形整卷板材的加工需要，提高了产品的加工精度，也节省了人力成本和时间成本。该装置和方法能够大幅提高工作效率，使得渐进成形技术应用范围更加广泛。

为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

第一方面，本发明提供了一种板材形表一体连续渐进成形装置，包括：

机架；

辊压装置，其包括入口辊子和出口辊子，入口辊子设置在机架的入口端，出口辊子设置在机架的出口端；

驱动装置，其驱动入口辊子和出口辊子转动；

导向装置，其安装在机架上，对板材进行导向；

夹紧装置，其包括两个固定框，两个固定框对板材进行夹紧；

横向调节装置，其驱动两个固定框运动，固定框的运动方向与板材的运动方向垂直。

进一步的，上述的导向装置其由导向轮组成，导向轮通过轴承安装于机架上，主要用于控制板材在移动过程中的法向定位；辊压装置分别位于机架成形区的入口和出口处，主要用于传送板材，使板材保持直立状态，以便于其顺利进出工作区；同时，入口辊子表面可以具有图案用于板材表面图案的辊压，同时入口辊子可以更换，以实现不同图案的辊压，从而实现宏观几何形状和表面织构的一体加工；夹紧装置：在加工成形过程中，板材所受成形力大且复杂，夹紧装置可以提供良好的支撑和可靠的夹紧；横向调节装置：该装置由丝杠及与之连接的丝杠电机组成。其中，所述导向装置与辊压装置共同控制工件的运动。

进一步的，所述辊压装置的辊子上制备有图案或微织构，以实现板材宏观几何形状和表面织构的一体加工。

第二方面，本发明还提供了一种板材连续渐进成形装置的使用方法，包括以下步骤：

将所述三维连续渐进成形装置安装在数控机床上；

将卷材可靠固定于机器入口处，并调整高度；

将单层板材端部插入两个入口辊子中间，上下边缘送入导向轮的导向槽中，穿过加工区，另一端插入出口辊子中间，使辊子夹紧板材；

渐进成形系统开机，等待各参数稳定并处于正常值；

调节成形刀头置于初始位置；

辊压装置、导向轮共同运动，将板材送入加工区；

板材随辊压装置停止运动，固定器牢固夹持板材；

刀头开始工作，按照计算机预设路线对板材进行加工；

加工完成后，刀头自动回到初始位置，入口辊子、出口辊子、导向轮共同运动将板材送至出口。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明在加工大型板材时，通过计算机控制成形刀头和辊压装置相互配合，仅需人工装夹一次，即可实现后续板材的连续渐进成形加工，这显著提高了加工效率。

2.本发明可以通过辊压装置在板材上辊压出需要的图案或微织构，以实现宏观几何形状和表面织构的一体加工，同时辊压引入残余压应力还可提高材料抗疲劳性能；

3.本发明的导向轮可以降低板材运输过程中的摩擦，提高运输效率，降低成本；导向轮上有定位槽，可以实现板材法向位置的定位，确保刀具加工时板材位于正确位置，并能防止在移动板材的过程中板材从机架上滑落。

4.本发明实现了自动送料、自动固定、自动出料的一体化工作，免去了传统三维渐进成形在加工卷形板材时人工送料、固定的繁复过程，大幅减少了人力和时间成本的投入。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例一的总体结构示意图；

图2为本发明实施例一导向轮固定板材的原理示意图；

图3为本发明实施例一导向轮的结构示意图；

图4为本发明实施例一用于固定板材的固定器内部结构图；

图5为本发明实施例一用于拆卸入口辊子的联轴器；

其中，1、板材；2、入口辊子；3、丝杠电机；4、出口辊子；5、导向轮；6、机架；7、固定器；8、辊子电机；9、导向轮轴；10、导向槽；11、丝杠；12、丝杠螺母；13、联轴器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“顶部”、“底部”、字样，仅表示与附图本身的顶部和底部方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语解释部分：本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术无法一次性加工大型板材，反复的拆卸、装夹势必会导致工作效率的降低、工作时间的延长。为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种形表一体板材连续渐进成形装置及方法。

实施例一：

本发明的一个典型实施方式，本实施例公开了一种形表一体板材连续渐进成形装置，主要包括以下几部分：

机架，为整个装置提供一个基本支撑；

辊压装置，其包括入口辊子和出口辊子，入口辊子设置在机架的入口端，出口辊子设置在机架的出口端，主要用于传送板材，使板材保持直立状态，以便于其顺利进出工作区；同时，可更换的入口辊子表面可以具有图案用于板材表面图案的辊压，实现宏观几何形状和表面织构的一体加工；

驱动装置，其驱动入口辊子和出口辊子转动；

导向装置，其安装在机架上，对板材进行导向，导向装置主要其由导向轮组成，导向轮通过轴承安装于机架上，主要用于控制板材在移动过程中的法向定位；

夹紧装置，其包括两个固定框，两个固定框对板材进行夹紧；在加工成形过程中，板材所受成形力大且复杂，夹紧装置可以提供良好的支撑和可靠的夹紧；

横向调节装置，其驱动两个固定框运动，固定框的运动方向与板材的运动方向垂直。该装置由丝杠及与之连接的丝杠电机组成。其中，所述导向装置与辊压装置共同控制工件的运动。

下面结合附图对上述结构做进一步说明：

本实施例中的机架6为一个矩形框架结构，如图1所示，其为一个上下左右对称结构，在其顶板的底部和底板的顶部的中心位置沿着板材的运动方向设有凹槽，后面描述的入口辊子2、出口辊子4以及固定框均位于该凹槽的两侧。

本实施例中的辊压装置包括入口辊子2和出口辊子4；入口辊子2和出口辊子4位于机架6入、出口的位置，板材运动的动力主要由辊压装置提供，所述入口辊子将板材竖直运输到加工位置，出口辊子2将加工后的板材运出装置。进一步的，为了便于拆装，入口辊子2和出口辊子4通过联轴器与动力输出端固定，动力输出端通过轴、轴承与机架连接。辊压装置的动力由辊子电机8提供，辊子电机8转动带动入口辊子2和出口辊子4旋转。进一步的，在工业生产中需要在板材上辊压微织构或图案，因此，本申请中的入口辊子2上设有辊压花纹、图案；在出口处，已成形板材具有一定的微织构或图案，故出口辊子4仅接触板材1的边缘部分，以免影响已成形好的板材1表面。所述辊子电机8通过计算机事先设定好的程序逻辑由数控机床给予相应指令。

进一步的，入口辊子2包括两个，两个入口辊子在机架上对称设置，辊子电机8驱动两个入口辊子2反向旋转，入口辊子2的两端通过轴承固定在机架6，其入口辊子的中间部分为其工作面，用于辊压板材。

进一步的，出口辊子4包括四个，在机架的上方设置两个，对称的在机架下方设置两个，所述的出口辊子4与入口辊子2的形状不同，出口辊子4由于只对板材的边缘部分进行加工，因此，出口辊子4为一个短圆柱形结构。需要说明的是，本实施例的四个出口辊子4可以由辊子电机8通过传动装置驱动其旋转，也可以单独设置驱动装置驱动其旋转。

进一步的，如图1所示，导向轮5安装于机架上、下部位。入口辊子2和出口辊子4将待加工板材送入加工区时，随导向轮5的运动。导向轮5的外圆表面设有导向槽10，用于板件的法向定位，防止板件在移动过程中从机架上滑落，导致后续固定、成形过程无法正常进行。进一步需要说明的是，本实施例中的导向轮5的安装个数可以根据实际需要进行设置，且可以上下对应设置，也可以上下错开设置。工作时，所述导向轮随板材的运动而滚动，所述导向轮既提供板材垂直方向的支撑力，也可以通过减少与板材之间的摩擦从而保证板材成形加工的精度。

进一步的，本实施例中，固定器7用于板材1在成形加工时的固定。由于板材1在加工时，受到的成形法向力较大，可能影响到加工的精度和成形的准确性，故在机架上安装了用于加工时固定板材的固定器7。由于固定器7需要运动且提供的力较大，故在固定器7上安装了丝杠11，并安装于机架上，由丝杠电机3驱动；具体的，固定器7包括两个固定框，其中一个固定框的顶部设置一个丝杠，另一个固定框的底部设置一个丝杠，两个丝杠分别由两个电机驱动，通过两个电机可以驱动两个固定框相向运动或者相反运动。

在初始状态时，固定器7的两个固定框位于机架的两侧，入口辊子2、出口辊子4和导向轮5共同送料。板材进入工作区后，丝杠电机3控制丝杠11旋转使固定器7的两个固定框向中间移动，从而固定待加工板材1。控制两个固定框的丝杠旋向相反，因此只需要在丝杠一端安装电机即可实现两个固定框的对称运动。由于丝杠机构有良好的自锁性能，工作可靠，故夹紧板材1后，丝杠电机3仅需提供较小的扭矩保证固定器不松动即可。

进一步的，待加工结束后，丝杠电机3驱动丝杠11从而控制固定器7的两个固定框向机架两侧移动。由于板材1成形后具有一定厚度，故两个固定框分别移至两侧后，需要有足够的距离使板材1顺利通过。然后入口辊子2、出口辊子4和导向轮5共同将已成形板材1送至出口处。

进一步需要说明的是，本实施例中的丝杠电机3和辊子电机8均为伺服电机。

进一步的，本发明还提供一种渐进成形加工工艺的实例，对该装置的加工修复过程进行进一步的说明：

使用本实例板材连续柔性渐进成形加工装置加工板材的方法为：

1.将所述三维连续渐进成形装置安装在数控机床上，

并检查联轴器是否连接牢固；

2.将卷材可靠固定于机器入口处，并调整高度；

3.将单层板材端部插入入口辊子中间，上下边缘送入导向轮的导向槽中，穿过加工区，另一端插入出口辊子中间，使辊子夹紧板材；

4.渐进成形系统开机，等待各参数稳定并处于正常值；

5.调节成形刀头置于初始位置；

7.辊压装置、导向轮共同运动，将板材送入加工区；

7.板材随辊压装置停止运动，固定器牢固夹持板材；

8.刀头开始工作，按照计算机预设路线对板材进行加工；

9.加工完成后，刀头自动回到初始位置，入口辊子、出口辊子、导向轮共同运动将板材送至出口；

10.后续工作依此类推。加工完成后取下板材，设备关机。

本发明在加工大型板材时，配合现有的机床进行加工，通过计算机控制成形刀头和辊压装置相互配合，仅需人工装夹一次，即可实现后续板材的连续渐进成形加工，这显著提高了加工效率。本发明可以通过辊压装置在板材上辊压出需要的图案，以实现宏观几何形状和表面织构的一体加工，同时辊压引入残余压应力还可提高材料抗疲劳性能；本发明实现了自动送料、自动固定、自动出料的一体化工作，免去了传统三维渐进成形在加工卷形板材时人工送料、固定的繁复过程，大幅减少了人力和时间成本的投入；也可以在流水线上与其他设备协同工作，形成全自动一体化的加工线。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。