本发明涉及金属板材旋压成形领域，具体是一种协同自阻电加热的板材自增量旋压成形装置及方法。
背景技术：
钛和钛合金具有良好的机械性能，抗腐蚀性能好，比强度高，密度小，在工业领域占有重要的位置，尤其在航空航天和军工领域应用及其广泛，钛及其合金有着良好的塑性，但在常温下难以形变。
传统的火焰喷射加热旋压成形具有浪费能量、设备复杂、价格昂贵、且与机床本发体隔热处理困难缺点限制其展。
整体自阻加热渐进成形方法具有设备成本低、温度分布均匀，但加热时间长，成形精度不高，毛坯件形状要求较高，不适合较大尺寸毛坯成形。
成形锤渐进成形技术具有简单和成形速度快等特点，但由于成形锤不能做的无线的小，只能加工简单形状的工件，同时在表面留下锤痕，降低了制品的表面质量，还需要相应的后续处理。
喷丸成形具有工艺装备简单，不需要专用成形模具，同时表层残余压应力提高了零件抗疲劳性能。该方法的缺点是：成形机理复杂，工艺参数的选择要依靠庞大的实验数据库和操作经验。
激光加热方法具有加热速度快，但加热点随旋压位置的变化而不断变化，存在控制难度大的问题，而且激光设备成本更高。
技术实现要素：
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种协同自阻电加热的板材自增量旋压成形装置及方法，装置具有设备成本低、加热速度快、安全可靠等特点；可以方便的实现普通旋压成形和强力旋压成形两种加工方式；不同厚度和材质的常温下难以成形的板材都可以使用此方法，使用范围广的优点。
本发明提供了一种协同自阻电加热的板材自增量旋压成形装置，包括芯模、板材、加工刀具组、自阻加热工装和旋压成形装置。
所述的旋压成形装置包括依次套在旋压主轴前端的移动顶尖、转动顶尖和尾顶。
所述的芯模的一端经绝缘处理安装在三爪卡盘上，板材夹在芯模和尾顶之间，板材两侧涂抹有高温润滑剂。
所述的加工刀具组包括刀具座以及对称安装在刀具座上的电阻棒与旋压轮。
所述的协同自阻加热工装包括高频低压电源、碳刷架总成、碳刷杆、磁性固定架、电缆，其中，碳刷杆一端通过绝缘处理与碳刷架总成过盈配合，另一端通过螺纹配合与磁性固定架固定，磁性固定架与移动顶尖固定，碳刷架总成与尾顶滑动接触；高频低压电源正极通过电缆与碳刷架总成相接，负极与电阻棒的相连，高频低压电源、电缆、电阻棒、板材、尾顶和碳刷架总成组成回路电流，板材与电阻棒接触的地方温度升高，旋压轮挤压板坯塑性形变。
所述的电阻棒由工具头、壁筒、基座组成，工具头可沿壁筒内壁滑动伸缩，工具头中间设有轴肩，轴肩上装有304不锈钢压缩弹簧；壁筒通过螺栓与基座固定，基座一侧有直径为15mm的孔，用于安装电缆，电缆与工具头接触导通电流，基座的另一侧有8mm的螺纹孔，通过螺栓来固定电缆，基座通过螺栓固定在刀具座上。
所述的芯模与机床三爪卡盘之间、电阻棒与刀具座之间以及旋压轮与刀具座之间通过2mm云母绝缘垫片隔温绝缘，尾顶通过紧顶螺钉固定在转动顶尖上，尾顶5与转动顶尖之间通过3mm的高温绝缘垫片隔温绝缘。
所述的旋压轮与电阻棒位于同一个平面且相隔180度，两者关于主轴旋转轴线对称布置，且与主轴回转轴线成45度夹角。
所述的工具头半径和旋压轮圆角半径均为4mm，旋压轮和工具头材质为cr12mo。
所述的低压大电流输出电压不超过10v，直流电流不超过1000a。
所述的压缩弹簧螺距p为5mm，外径16mm，线径为2mm，原始高度为50mm，用于调节电阻棒的伸缩移动和受力状态；
所述的电阻棒与板材接触处设置有红外线温度传感器，红外线温度传感器和低压大电流电源均与温度控制器连接。
本发明还提供了一种协同自阻电加热的板材自增量旋压成形的方法，包括以下步骤：
1)自阻电加热装置安装：芯模安装于三爪卡盘，通过云母绝缘垫片隔温绝缘；尾顶安装于转动顶尖，通过高温绝缘垫片6隔温绝缘；芯模、尾顶和板材对心压紧；碳刷架总成连接电源正极，碳刷架通过铜刷与尾顶周向滑动接触导通电流，碳刷架总成与碳刷杆过盈配合，未绝缘处理端碳刷杆与固定架采用螺纹配合固定，固定架固定于移动顶尖；电阻棒对称安装于旋压轮刀座，电阻棒与刀具座通过云母绝缘垫片隔温绝缘，电源负极与电阻棒相连，电流回路导通。
2)板料协同加热成形：给板料两侧喷涂高温润滑剂，板料随主轴以给定速度旋转，电阻棒缓慢靠近并接触板料，回路电流接通；电阻棒与板料接触的部位温度迅速上升并达到成形所需温度；随后，板料旋转半周与旋压轮接触，旋压轮以给定路径对板料进行挤压成形；此后，在数控系统驱动下，按照数控代码路径，电阻棒与旋压轮协同配合进行加热、等壁厚或减壁厚旋压成形，制造空间体积自增量回转构件。
所述的板料协同加热成形参数如下，机床主轴转速为80-90r/min，旋压轮和电阻棒的进给量为0.4-0.6mm/r，道次压深量为0.5-1.0mm，电流大小为400-500a，电阻棒与板材接触的局部温度为550-600摄氏度。
本发明有益效果在于：
1、解决了常温下难变形材料和成形力较大的板材旋压成形难题；
2、板材协同自阻电加热旋压工装结构简单，安全可靠，电流输出可调，能适应不同厚度和材质的板材加热旋压成形；
3、输出电流较大，有利于板材的迅速升温，板材加热时间短；输出电压值较低，对操作人员不会造成安全威胁；
4、高温降低了板材的所需成形力，降低了旋压机床的输出功率要求，同时也增大了板材的成形角度。
附图说明
图1是板材协同自阻加热旋压的装置示意图
图2电阻棒结构示意图
图3板材旋压过程示意图
图中标号名称：1三爪卡盘，2芯模，3板材，4旋压轮，5尾顶，6高温绝缘垫片，7紧顶螺钉，8转动顶尖，9移动顶尖，10磁性固定架，11碳刷杆，12碳刷架总成，13电缆，14高频低压电源，15温度控制器，16红外线温度传感器，17电阻棒，18云母绝缘垫片，19基座，20螺栓，21工具头，22压缩弹簧，23壁筒。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种协同自阻电加热的板材自增量旋压成形的装置如图1所示，包括芯模1、板材3、筒形件、加工刀具组、自阻加热工装和旋压成形装置。
所述的旋压成形装置包括依次套在旋压主轴前端的移动顶尖9、转动顶尖8和尾顶5。
所述的芯模2的一端经绝缘处理安装在三爪卡盘1上，板材3夹在芯模2和尾顶5之间，板材3两侧涂抹有高温润滑剂。
所述的加工刀具组包括刀具座以及对称安装在刀具座上的电阻棒17与旋压轮4。
所述的协同自阻加热工装包括高频低压电源14、碳刷架总成12、碳刷杆11、磁性固定架10、电缆13，其中，碳刷杆11一端通过绝缘处理与碳刷架总成12过盈配合，另一端通过螺纹配合与磁性固定架10固定，磁性固定架10与移动顶尖9固定，碳刷架总成12与尾顶3滑动接触；高频低压电源14正极通过电缆13与碳刷架总成12相接，负极与电阻棒17的相连，高频低压电源14、电缆13、电阻棒17、板材3、尾顶5和碳刷架总成12组成回路电流，板材3与电阻棒17接触的地方温度升高，旋压轮挤压板坯塑性形变。
所述的电阻棒结构如图2所示，由工具头21、壁筒23、基座19组成，工具头可沿壁筒23内壁滑动伸缩，工具头21中间设有轴肩，轴肩上装有304不锈钢压缩弹簧22；壁筒23通过螺栓20与基座固定，基座一侧有直径为15mm的孔，用于安装电缆，电缆与工具头接触导通电流，基座的另一侧有8mm的螺纹孔，通过螺栓来固定电缆，基座19通过螺栓固定在刀具座上。
所述的芯模2与机床三爪卡盘1之间、电阻棒17与刀具座之间以及旋压轮4与刀具座之间通过2mm云母绝缘垫片18隔温绝缘，尾顶3通过紧顶螺钉7固定在转动顶尖8上，尾顶5与转动顶尖8之间通过3mm的高温绝缘垫片6隔温绝缘。
所述的旋压轮4与电阻棒17位于同一个平面且相隔180度，两者关于主轴旋转轴线对称布置，且与主轴回转轴线成45度夹角。
所述的工具头21半径和旋压轮圆角半径均为4mm，旋压轮和工具头材质为cr12mo。
所述的低压大电流输出电压不超过10v，直流电流不超过1000a。
所述的压缩弹簧22螺距p为5mm，外径16mm，线径为2mm，原始高度为50mm，用于调节电阻棒的伸缩移动和受力状态；
所述的电阻棒17与板材3接触处设置有红外线温度传感器16，红外线温度传感器16和低压大电流电源14均与温度控制器15连接。
本发明还提供了一种协同自阻电加热的板材自增量旋压成形的方法，包括以下步骤：
1)自阻电加热装置安装：芯模安装于三爪卡盘，通过云母绝缘垫片18隔温绝缘；尾顶安装于转动顶尖，通过高温绝缘垫片6隔温绝缘；芯模、尾顶和板材对心压紧；碳刷架总成连接电源正极，碳刷架通过铜刷与尾顶周向滑动接触导通电流，碳刷架总成与碳刷杆过盈配合，未绝缘处理端碳刷杆与固定架采用螺纹配合固定，固定架固定于移动顶尖；电阻棒对称安装于旋压轮刀座，电阻棒与刀具座通过云母绝缘垫片18隔温绝缘，电源负极与电阻棒相连，电流回路导通。
2)板料协同加热成形（如图3所示）：给板料两侧喷涂高温润滑剂，板料随主轴以给定速度旋转，电阻棒缓慢靠近并接触板料，回路电流接通；电阻棒与板料接触的部位温度迅速上升并达到成形所需温度；随后，板料旋转半周与旋压轮接触，旋压轮以给定路径对板料进行挤压成形；此后，在数控系统驱动下，按照数控代码路径，电阻棒与旋压轮协同配合进行加热、等壁厚或减壁厚旋压成形，制造空间体积自增量回转构件。
所述的板料协同加热成形参数如下，机床主轴转速为80-90r/min，旋压轮和电阻棒的进给量为0.4-0.6mm/r，道次压深量为0.5-1.0mm，电流大小为400-500a，电阻棒与板材接触的局部温度为550-600摄氏度。
本发明一种具体实施方式如下：
根据体积不变原理和延伸率计算板材的尺寸和厚度，利用线切割机床切割出合理的板材。
在cad里面建立芯模和板材模型，绘制合理的旋压路径；将cad图形导入到mastercam9.1,利用其动态分析功能来确定直线和曲线的始点和终点，进而手工编写旋压程序，并将数控程序导入到旋压机床。
安装工装：先将芯模安装在三爪卡盘上，中间用高温绝缘材料绝缘隔温绝热；将尾顶通过m8螺栓固定在转动顶尖上，中间用高温绝缘材料隔开，尾顶可随转动顶尖一起转动；碳刷架总成与碳刷杆绝缘段过盈配合固定，碳刷杆另外一端与固定架螺纹配合，固定架通过螺栓固定在移动顶尖上，碳刷架总成上的铜刷与尾顶圆柱面滑动接触；将45度倾斜旋压轮和电阻棒对称安装在刀座上，旋压轮和电阻棒与刀座之间通过高温绝缘材料隔开；用电缆将高频低压电源、电阻棒、碳刷架总成连接起来；移动顶尖将板材对心夹紧在芯模和尾顶之间，芯模、板材和尾顶可随机床主轴一起转动，将红外线测温仪固定在同一个刀座，用来测量电阻棒与板材接触点温度。
启动旋压机床，板材随主轴转动，单独移动电阻棒与板材接触，接通回路电流，逐步升高回路电流，待红外线测温仪检测到温度达到500摄氏度左右记录电流数值关闭电流回路，关停机床。
启动数控旋压机床，移动旋压轮进行对刀，对刀结束后将旋压轮退到安全距离。
接通电流回路，启动旋压机床加热旋压板材，板材变形过程如附录图3所示，通过红外线测温仪将温度控制在550-600摄氏度左右，主轴转速为80-90r/min。
完成加工后关闭回路电流，将旋压轮和电阻棒退至安全距离关停机床，待零件恢复到室温时卸载下。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。