专利名称：板材高压水射流柔性渐进成形方法及装置的制作方法
板材高压水射流柔性渐进成形方法及装置
技术领域：
本发明涉及板材加工技术领域，特别是涉及一种板材高压水射流柔性渐进成形方法及装置。
背景技术：
金属板材成形在制造业中有着广泛的应用，特别是在汽车、宇航、船舶、兵工、家电和日用品等工业部门。在传统金属板材成形方法中，模具必不可少，模具成形方法生产效率高、加工件的精度高，多年来一直占据着主导地位，但缺点是模具设计制造周期长，维护费用高，往往成形一个零件需要多个模具，对于样机或小批量产品的试制和生产很不经济。
发明内容基于此，有必要提供一种板材高压水射流柔性渐进成形方法及装置，以达到实现板材无模化成形的目的，降低生产成本。为此，提出一种板材高压水射流柔性渐进成形方法，其特征在于板材在平面内沿既定轨迹作进给运动，通过喷射装置将高压水作用于板材表面并对其进行渐进加工，其中，喷射装置在加工过程中转动且在既定范围内摆动，使得高压水柱亦在既定范围内摆动且以水柱轴向为轴心转动，进而完成对板材的加工。在优选的实施例中，所述板材沿既定轨迹作X轴方向和Y轴方向的水平运动。在优选的实施例中，所述喷射装置上还连接有推杆，所述推杆的一例固定有固定套，所述固定套连接有两伺服电机，以分别驱动喷射装置转动和摆动。在优选的实施例中，所述喷射装置系安装在可沿Z轴方向上下移动的喷射装置固定座上。在优选的实施例中，所述喷射装置固定座与丝杠机构连接，并通过伺服电机驱动丝杠的移动，进而带动喷射装置固定座在Z轴方向上移动。此外，还提供了一种板材高压水射流柔性渐进成形装置，其包括固定板材的工作台，用以带动板材在平面内沿既定轨迹作进给运动；与工作台相对设置的喷射装置，所述喷射装置用以与高压水源连接，其中所述喷射装置连接有两驱动装置，以分别驱动喷射装置转动和摆动，进而对固定在工作台上的板材进行加工。在优选的实施例中，所述喷射装置连接有推杆，所述推杆的一例固定有固定套，两驱动装置连接于所述固定套，以分别驱动喷射装置绕Z轴转动及相对于X轴摆动，其中两驱动装置为两伺服电机。在优选的实施例中，所述喷射装置系安装在喷射装置固定座上，所述喷射装置固定座与丝杠机构连接，并通过伺服电机驱动丝杠移动，进而带动喷射装置固定座在Z轴方向上移动。在优选的实施例中，还包括机架，所述工作台通过两丝杠与机架活动连接，以分别
3沿既定轨迹作X轴方向和Y轴方向的水平运动，其中两丝杠分别连接有驱动所述两丝杠移动的伺服电机。在优选的实施例中，还包括高压系统、水循环系统和数控系统，其中高压系统包括与水循环系统连接用于产生高压水及通过高压软管与喷射装置相连的高压泵、压力表及溢流阀；水循环系统包括水箱、管道泵、低压水管、过滤器及高压软管，所述管道泵用以将水从水箱抽出，流经低压水管和过滤器，进入高压泵产生高压水；所述数控系统包括控制单元， 所述控制单元通过对伺服电机的控制实现对喷射装置或工作台的运动控制。上述板材高压水射流柔性渐进成形方法及装置，利用高压水流作用于板材表面， 将高压水流的动能转化为作用于板材的压力，通过渐进成形的方式完成对板材的加工，不需要使用模具，降低生产成本。
图1为板材高压水射流柔性渐进成形方法的原理图；图2为板材高压水射流柔性渐进成形方法的数控系统原理图；图3为板材高压水射流柔性渐进成形装置的示意图。图4为图3中A部分的放大图。
具体实施方式
基于高压水射流柔性渐进成形方法可以实现对板材的无模化加工，提出了一种高压水射流柔性渐进成形方法及装置。高压水射流柔性渐进成形方法及装置的基本构想是利用喷射装置将高压水产生的压力作用于板材，在渐进式加工过程中，使喷射装置产生旋转和摆动两个自由度，进而可以改变高压水射流与板材加工面之间的角度，使高压水射流具有更高的柔性，故可降低产品开发周期，同时由于高压水射流具备了柔性，可以方便实现内凹等复杂特征的加工，形成复杂零件。为此，提出一种板材高压水射流柔性渐进成形方法，特征在于板材在平面内沿既定轨迹作进给运动，通过喷射装置将高压水作用于板材表面并对其进行渐进加工，其中，喷射装置在加工过程中转动且在既定范围内摆动，使得高压水柱亦在既定范围内摆动且以水柱轴向为轴心转动，进而完成对板材的加工。另外，提出一种板材高压水射流柔性渐进成形装置，包括固定板材的工作台，用以带动板材在平面内沿既定轨迹作进给运动；与工作台相对设置的喷射装置，所述喷射装置用以与高压水源连接，其中所述喷射装置连接有两驱动装置，以分别驱动喷射装置转动和摆动，进而对固定在工作台上的板材进行加工。下面结合具体实施例，对板材高压水射流柔性渐进成形方法和装置进行具体的描述。首先请参照图1至图2，详细描述板材高压水射流柔性渐进成形方法及装置的原理。实现板材高压水射流柔性渐进成形加工的高压水射流柔性渐进成形装置通常包括有高压系统、水循环系统、执行系统和数控系统四部分。所述高压系统由高压泵5，压力表7，溢流阀8和喷射装置9组成。高压泵5用于
4产生高压水，压力表7用于显示水的压力值，最终高压水由喷射装置9喷出，为了保证安全， 采用溢流阀装置，当水压超过允许值时，溢流阀8自动打开迅速降压。所述水循环系统由水箱1，管道泵2，低压水管3，过滤器4和高压软管6组成。水箱1用于储水，水从水箱1出发，由管道泵2抽出，流经低压水管3和过滤器4，进入高压泵 5产生高压水，经过高压软管6，由喷射装置9喷出，喷射出的水，由另一个回收泵13抽回水箱1，由过滤器4过滤后，再进入下一个循环使用，其中喷射装置9具有三个自由度，沿Z轴移动，绕Z轴旋转及绕X轴摆动。沿Z轴移动的目的在于完成对板材某层加工面的加工后调整喷射装置9与板材之间的距离以便对板材的下一层加工面进行加工；绕Z轴旋转及绕 X轴摆动的目的在于在加工过程中调整喷射装置9与板材加工面之间的角度，从而改善高压水的柔性。所述执行系统由夹具10和工作台11组成。金属板材工件夹持在夹具10上，夹具 10固定在工作台11上，工作台可实现X和Y方向的进给运动，进而带动板材沿既定轨迹在平面内运动。所述数控系统包括控制台12。在同一控制单元上集成了设备的运行停止控制，喷射装置9、工作台11的运动控制和高压水压力的调节控制。高压水射流柔性渐进成形装置 100使用Z轴伺服电机14、A轴伺服电机27和C轴伺服电机沈分别控制喷射装置9的上下运动、绕X轴的摆动和绕Z轴的转动，其中C轴和Z轴一样系在竖直方向。另外，利用X轴伺服电机23、γ轴伺服电机21分别控制工作台11在现X和Y方向的进给运动。控制台12 通过变频伺服电机控制高压泵5的流量和压力。数控系统实现了全零件成形时的自动化加工；控制集中，操作方便，在同一控制面板即可进行所有的控制操作。金属板材高压水射流柔性渐进成形原理如附图1所示。设备启动后，将水箱1注满水，由管道泵2抽出，流经低压水管3和过滤器4，进入高压泵5产生高压水，经过高压软管6，由喷射装置9喷出，对工作台11上夹具10夹持的板材工件进行成形加工；控制台12 按设定的程序运行，一方面调节高压水的压力和流量，另一方面控制喷射装置9和工作台 11的运动，将板材加工成要求的形状。喷射出的水在工作台11的底部汇集，利用回收泵13 将其抽回水箱1，由过滤器4过滤后，再进入下一个循环使用。请参考附图3和附图4，提供了一种利用上述原理制成的板材高压水射流柔性渐进成形装置100，所述板材高压水射流柔性渐进成形装置100包括机架25，安装在机架25上的工作台11、喷射装置9。工作台11上设有固定板材的夹具10 ；所述工作台11通过Y轴丝杠20和X轴丝杠 22连接在机架25上，Y轴丝杠20和X轴丝杠22分别装设有驱动所述两丝杠分别在X和Y 方向实现移动的Y轴伺服电机21和X轴伺服电机23。喷射装置9，其固定在喷射装置固定座16上，而喷射装置固定座16通过Z轴丝杠 15安装在机架25上。板材高压水射流柔性渐进成形装置100通过Z轴伺服电机14驱动Z 轴丝杠15在Z轴方向上移动，进而带动喷射装置9在Z轴方向上移动，最终实现调整喷射装置9与板材加工面之间的角度，实现高压水的柔性。在具体的实施方式中，所述喷射装置9连接有推杆四，所述推杆四的一例固定有固定套观，两驱动装置连接于所述固定套28，以分别驱动喷射装置9绕Z轴转动及相对于 X轴摆动，其中两驱动装置即为前面叙述过的C轴伺服电机沈和A轴伺服电机27。
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在较佳的实施方式中，工作台11周围还设置有透明防护罩19，防止水流溅出，同时又方便操作者观察加工状况。机架25上还可以设置外壳罩M，用于进一步增强安全保护。在较佳的实施方式中，高压水射流柔性渐进成形装置100还包括高压系统、水循环系统和数控系统，其中高压系统包括与水循环系统连接用于产生高压水及通过高压软管 6与喷射装置9相连的高压泵5、压力表7及溢流阀8 ；水循环系统包括水箱1、低压水管3、 过滤器4，当然还可以设置一管道泵，所述管道泵用以将水从水箱抽出，流经低压水管3和过滤器4，进入高压泵5以产生高压水；所述数控系统包括控制台12，所述控制台12是一变频控制柜，变频控制柜在同一控制单元上集成了设备的运行停止控制，喷射装置9、工作台 11的运动控制和高压水压力的调节控制。在较佳的实施方式中，高压系统、水循环系统和数控系统等是整合在机架25上， 使高压水射流柔性渐进成形装置100成为一台完整的自动化加工设备，只需要接通电源就可以使用，因此，实际应用时，通常会整合在一起。当然，高压系统、水循环系统和数控系统也可以单独设置，如高压泵5等元件不需要整合在机架25上，使用时只需要将喷射装置9 接上高压水源即可，这样的方式也是可行的，只是自动化程度相对较低而已。高压水射流柔性渐进成形装置100启动后，先将水箱1中注满水，管道泵将水从水箱1中抽出，流经低压水管3，由过滤器4过滤后，进入高压泵5，增压成高压水，通过高压软管6由喷射装置固定座16上的喷射装置9喷出，对固定在夹具10上的板材工件进行冲击。 数控系统按照设定的加工轨迹，分别通过X轴伺服电机23、Y轴伺服电机21，驱动X轴丝杠 22、Υ轴丝杠20，最终带动工作台12移动，以实现板材工件Χ、Υ方向的进给运动。加工完一层后，Z轴伺服电机14驱动Z轴丝杠15，带动喷射装置9沿Z轴移动至指定高度，再进行下一层加工，如此循环，直至将零件成形成所需形状。C轴伺服电机沈，通过固定套观和固定在其上的推杆四，驱动喷射装置9绕Z轴旋转，A轴伺服电机27，通过推杆四，驱动喷射装置9绕X轴摆动，亦可称为在既定范围内旋转，喷射装置9具有三个自由度，因此具有较好的柔性，可成形复杂零件。在成形中，还可实时动态的调节高压水的压力和流量，压力调节一般通过控制台12，即变频控制柜精确调节，粗调也可使用溢流阀8手动调节，压力表7实时的显示工作压力。为了保证安全，喷射装置9、夹具10和金属板材工件都置于防护罩19 内，防护罩19采用强化玻璃加密封装置，即保证工作时水流不会外溅又不妨碍操作者实时观察零件的成形过程。防护罩19底部还设有蓄水槽，通过管道泵和低压水管3将蓄水槽的水回流到水箱1中，实现循环利用。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种板材高压水射流柔性渐进成形方法，其特征在于板材在平面内沿既定轨迹作进给运动，通过喷射装置将高压水作用于板材表面并对其进行渐进加工，其中，喷射装置在加工过程中转动且在既定范围内摆动，使得高压水柱亦在既定范围内摆动且以水柱轴向为轴心转动，进而完成对板材的加工。
2.根据权利要求1所述的板材高压水射流柔性渐进成形方法，其特征在于，所述板材沿既定轨迹作X轴方向和Y轴方向的水平运动。
3.根据权利要求1所述的板材高压水射流柔性渐进成形方法，其特征在于，所述喷射装置上还连接有推杆，所述推杆的一例固定有固定套，所述固定套连接有两伺服电机，以分别驱动喷射装置转动和摆动。
4.根据权利要求1所述的板材高压水射流柔性渐进成形方法，其特征在于，所述喷射装置系安装在可沿Z轴方向上下移动的喷射装置固定座上。
5.根据权利要求4所述的板材高压水射流柔性渐进成形方法，其特征在于，所述喷射装置固定座与丝杠机构连接，并通过伺服电机驱动丝杠的移动，进而带动喷射装置固定座在Z轴方向上移动。
6.一种板材高压水射流柔性渐进成形装置，其特征在于，包括固定板材的工作台，用以带动板材在平面内沿既定轨迹作进给运动；与工作台相对设置的喷射装置，所述喷射装置用以与高压水源连接，其中所述喷射装置连接有两驱动装置，以分别驱动喷射装置转动和摆动，进而对固定在工作台上的板材进行加工。
7.根据权利要求6所述的板材高压水射流柔性渐进成形装置，其特征在于，所述喷射装置连接有推杆，所述推杆的一例固定有固定套，两驱动装置连接于所述固定套，以分别驱动喷射装置绕Z轴转动及相对于X轴摆动，其中两驱动装置为两伺服电机。
8.根据权利要求6所述的板材高压水射流柔性渐进成形装置，其特征在于，所述喷射装置系安装在喷射装置固定座上，所述喷射装置固定座与丝杠机构连接，并通过伺服电机驱动丝杠移动，进而带动喷射装置固定座在Z轴方向上移动。
9.根据权利要求7或8所述的板材高压水射流柔性渐进成形装置，其特征在于，还包括机架，所述工作台通过两丝杠与机架活动连接，以分别沿既定轨迹作X轴方向和Y轴方向的水平运动，其中两丝杠分别连接有驱动所述两丝杠移动的伺服电机。
10.根据权利要求9所述的板材高压水射流柔性渐进成形装置，其特征在于，还包括高压系统、水循环系统和数控系统，其中高压系统包括与水循环系统连接用于产生高压水及通过高压软管与喷射装置相连的高压泵、压力表及溢流阀；水循环系统包括水箱、管道泵、 低压水管、过滤器及高压软管，所述管道泵用以将水从水箱抽出，流经低压水管和过滤器， 进入高压泵产生高压水；所述数控系统包括控制单元，所述控制单元通过对伺服电机的控制实现对喷射装置或工作台的运动控制。
全文摘要
一种板材高压水射流柔性渐进成形方法，其特征在于板材在平面内沿既定轨迹作进给运动，通过喷射装置将高压水作用于板材表面并对其进行渐进加工，其中，喷射装置在加工过程中转动且在既定范围内摆动，使得高压水柱亦在既定范围内摆动且以水柱轴向为轴心转动，进而完成对板材的加工。上述板材高压水射流柔性渐进成形方法利用高压水流作用于板材表面，将高压水流的动能转化为作用于板材的压力，通过渐进成形的方式完成对板材的加工，不需要使用模具，降低生产成本。此外，还公开了一种板材高压水射流柔性渐进成形装置。
文档编号B21D26/021GK102430635SQ20111034767
公开日2012年5月2日 申请日期2011年11月4日 优先权日2011年11月4日
发明者何凯, 李全昌, 李赳华, 毛贺, 罗群 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院