用于复杂曲母线构件旋压成形的工装及其使用方法与流程

本发明涉及机械制造及其自动化技术领域，具体是提出了用于铝合金薄壁复杂曲母线构件旋压成形的工装及其使用方法。

背景技术：

旋压是一种先进的金属省力近净塑性成形方法，因其具有柔性好、效率高、成本低、工艺及装备简单等优点，适合多种金属材料的成形制造；同时经旋压加工制造的零件相对于原材料的硬度、抗拉强度和屈服强度也会得到提高，零件的服役性能优越，因此旋压不仅在航空、航天、航海、兵器等高端产业占有重要地位，而且在汽车、化工、乐器、厨具等民用领域也得到了广泛应用。

在工厂中一次完整的数控旋压加工过程主要包括了：生产准备—安装模具--加工程序调试--旋压加工--模具拆卸--产品检验。目前，在生产中模具的安装和拆卸主要依靠工人和借助吊具进行人工作业，然而在整个旋压生产中模具的安装和拆卸往往占据了大量的时间，尤其在大型零件的旋压生产中，模具质量和体积较大，模具的安装和拆卸需要耗费大量的工作时间，这些因素显著降低了生产效率。另一方面，经常反复的旋压模具安装和拆卸也增加了工人的劳动强度，特别是在大型旋压模具的安装和拆卸时不仅大大增加了人工作业的劳动强度还不可避免的增加了作业的危险性。其次，旋压模具在与数控机床主轴对接安装的过程中，需要多次反复的位姿调整，加之重复的装配不可避免的会使连接主轴磨损从而导致机床精度降低。当前，“数字化制造、智能制造”逐步成为了工业发展的必然方向，在数控旋压加工行业提高生产效率、节约生产成本、降低工人的劳动强度和危险性已经成为了迫切需要解决的课题。

目前，关于模具自动装卸装置大多集中在其他机械加工领域，针对数控旋压机床模具自动装卸工装及其使用方法亟待发展。

在公开号为cn108817297a的发明专利中公开了一种带有辅助模具装卸载的热锻设备，该发明中的装卸载模具方法采用上下料机械手来进行辅助模具的装卸载。在公开号为cn207695346u的实用新型专利中公开了一种便于拆卸的铝挤压机模具结构，属于铝型材加工设备领域，主要是解决铝挤压机模具更换装卸不便的问题。在公告号为cn202212748u的实用新型发明专利中公开了一种挤压机模具装卸专用装置，其主要结构包括电机、摇臂架、摇臂、立杆，从而方便的实现挤压机拆卸模具。在公开号为cn107377745a的发明专利中公开了一种具有易装卸装置的数控冲孔模具，通过在外侧壁上开设内置限位翻转板的横向和纵向装配槽，使得模具的功能性和实用性大大提升。在公开号为cn106670398a的发明专利中公开了一种射芯机的模具自动装卸系统，通过设置agv小车构建装模小车，可以实现从模具库至射芯机的全过程自动模具装卸。在公开号为cn107214913a的发明专利中公开了一种塑料成型模具装卸机，该发明提供了一种全自动一体式的塑料成型模具装卸装置。在公开号为cn104338883b的发明专利中公开了一种车轮旋转锻造压力机装卸模具小车，主要用于解决车轮旋转锻造压力机在装卸模具时所存在的装卸效率低的问题。在公开号为cn104439162a的发明专利中公开了一种低压铸造铝合金车轮模具装卸方法，该发明克服了现有技术装卸效率低的不足，提供一种结构简单、操作便捷、安全可靠、高质高效的低压铸造铝合金车轮模具装卸方法。在公开号为us4571320a的美国发明专利公开了一种利用机器人在板材压力成形设备上加载和卸载上模与下模之间板料的方法和装置。在公开号为us5527174a的美国发明专利中公开了一种在注塑机模具内装料和卸料的装置和方法。在公开号为us3635327a的美国发明专利中公开了一种用于装卸载荷的装备(如冲床上的模具)，同时通过运动执行机构能够在输送机上下位置之间精确地移动载荷。陈胜在(压套机模具更换小车.科技资讯，2013(07):110)中介绍了一种压套机模具更换小车，其有效的提高了生产效率，为企业带来了可观的经济效益；杨金岭等在(车轮锻造模具转运、装卸装置的创新设计.模具技术，2016(05):52-55)中设计了一种车轮锻造模的转运装卸装置，整个装置运作过程可用plc实现，不仅操作方便，而且价格便宜，维修成本低。

整体来看，上述发明创造主要集中在其他制造领域且都不属于数控旋压加工领域，并且上述发明中的热锻设备、挤压机、数控冲压机、射芯机、注塑机、车轮旋转锻造压力机、铝合金车轮低压铸造等设备的总体结构、功能和布局与旋压机床存在着巨大差异，工艺技术上有着本质区别，从而导致了上述发明创造无法在旋压塑性加工中使用，同时不难看出在机械制造及其自动化技术领域，追求高效化、数字化、智能化已逐步成为了制造业的主流发展方向。目前，在数控旋压加工中旋压模具的安装和拆卸仍然是凭借工人和起重机械设备进行人工作业，存在着生产效率低、劳动强度大、危险系数高、易造成机床磨损等缺点。综上所述，一方面为了提高生产效率，降低工人的劳动强度和工况危险系数，保护机床，另一方面为了实现设备制造工序的集成化、数字化，迫切需要提出用于铝合金薄壁复杂曲母线构件旋压成形的工装及其使用方法以实现该类构件旋压成形过程的模具自动装卸。

技术实现要素：

为了有效的提高数控旋压成形制造的生产效率，并减轻工人的劳动强度、降低危险系数和减小机床设备的损耗，同时也有利于旋压成形制造向数字化、自动化、智能化方向迈进，本发明提出了一种用于复杂曲母线构件旋压成形的工装及其使用方法。

本发明提出的用于铝合金薄壁复杂曲母线构件旋压成形的工装包括模具加持固定单元、第一液压缸、滑轨和第二液压缸。其中，所述第一液压缸的下端通过滑块卡装在所述滑轨的上表面；所述第二液压缸安装在该滑块的一侧表面；所述第一液压缸与第二液压缸之间相互垂直。在所述第一液压缸的上端端面安装有模具加持固定单元。

所述模具夹持固定单元的上表面为半圆弧面，并且在半圆弧面上有周向延伸的卡槽。所述卡槽宽度方向的中心线与该模具夹持固定单元宽度方向的中心线重合；所述卡槽的半径与位于曲母线模具端头的模具法兰的半径相同。

所述模具锁紧法兰包括模具锁紧法兰和锁紧盘液压缸。在该模具锁紧法兰的一个表面均布有四个柱销，该柱销与所述主轴法兰表面的条形通孔的大圆弧配合；在各所述柱销一侧分别有一个螺帽沉孔。在该模具锁紧法兰另一个表面对称的安装有两个锁紧盘液压缸。

在机床主轴端头的主轴法兰表面加工有4个均布的条形通孔，并使该条形通孔的长度方向与该主轴法兰的周向一致。所述条形通孔的内表面为弧面，并且该弧面的曲率与该主轴法兰的曲率相同。所述条形通孔两端均为圆弧状，并且一端的圆弧大，其半径大于所述模具法兰上的四个螺栓上螺帽的半径，并与模具锁紧法兰上分布的四个柱销同轴同径；所述条形通孔另一端的圆弧小，其半径大于四个螺栓的半径。所述条形通孔一端大圆弧半径的中心a与条形通孔另一端小圆弧半径的中心b与主轴法兰中心o之间的连线所形成的夹角α为15°。

在该模具法兰与机床主轴贴合的端面上安装有四个螺栓，并使各螺栓的中心分别与所述主轴法兰上条形通孔的小圆弧的中心同轴。装配时，将所述模具法兰上的给螺栓分别装入所述主轴法兰上条形通孔中大圆弧内并逆时针旋转15°，使各螺栓分别进入所述主轴法兰上条形通孔中小圆弧内，使该模具法兰的端面与主轴法兰的端面贴合，以限制模具在中心轴线上的运动。

本发明提出的使用所述用于铝合金薄壁复杂曲母线构件旋压成形工装的具体过程是：

步骤1、第一道次预制件旋压成形中装夹锥形模具，具体是：

ⅰ、锥形模具的吊装放置：通过第二液压缸使模具夹持定位机构移动至数控旋压机床主轴的机床主轴法兰前。通过所述模具夹持定位机构中的第一液压缸使该模具加持固定单元竖直上升，使安放在该模具加持固定单元上的锥形模具的中心线与机床主轴同轴。在所述锥形模具顶部中心和尾部圆周上的螺纹孔内分别安装吊环。将该锥形模具吊装至所述的模具夹持定位机构上，并使该锥形模具末端的法兰嵌入所述的模具夹持定位机构的模具加持固定单元内的卡槽中，完成该锥形模具的吊装放置。

所述成形模具分为锥形模具和曲母线模具。其中所述锥形模具用于铝合金薄壁复杂曲母线构件成形中第一道次旋压成形该铝合金薄壁复杂曲母线构件的预制件，曲母线模具用于铝合金薄壁复杂曲母线构件成形中第二道次旋压成形该铝合金薄壁复杂曲母线构件。

ⅱ、锥形模具与主轴的连接：使主轴法兰圆周上的条形孔中的大圆弧的中心分别与该锥形模具的模具法兰上的螺钉中心同轴。在所述模具法兰上安装4个螺栓。通过第二液压缸使所述的模具夹持定位机构沿水平方向运动至所述的模具法兰和主轴法兰完全贴合，且所述模具法兰上的4个螺栓的螺帽均进入所述主轴法兰的4个条形通孔中一端的大圆弧内。

ⅲ、锥形模具的锁紧：

所述的模具法兰和主轴法兰完全贴合后，使所述的数控旋压机床主轴逆时针旋转15°，从而使所述4个螺栓的螺帽均进入所述条形通孔中另一端的小圆弧内，以限制模具在中心轴线方向上的运动。

通过位于所述模具锁紧法兰上的两个锁紧盘液压缸使该模具锁紧法兰向所述机床主轴法兰运动，并使位于该模具锁紧法兰表面的各柱销分别插入所述条形通孔的大圆弧内、使所述螺栓的螺帽分别嵌入该模具锁紧法兰表面的4个螺帽沉孔内；通过各所述柱销限制所述螺栓从该条形通孔的小圆弧中滑出，并通过该螺栓螺帽嵌入锁紧法兰的螺帽沉孔以限制柱销从条形通孔的大圆弧滑出，从而实现锥形模具的完全夹紧固定。

启动所述第一液压缸和第二液压缸，使所述的模具夹持定位机构的模具加持固定单元向下运动的同时沿滑轨水平运动，退回到机床主轴下方。

ⅳ、预制件的旋压成形

将所述3a21高强铝合金薄壁复杂曲母线构件旋压初始圆板坯料固定在所述锥形模具的顶端。启动数控旋压机床，按设定的旋压参数对所述坯料进行第一道次旋压成形。第一道次旋压结束后，得到半锥角为30度的锥形预制件。

ⅴ、锥形模具的拆卸

取下得到的锥形预制件，拆卸锥形模具。拆卸中，通过第一液压缸和第二液压缸，使所述模具加持固定单元移动至待拆卸的锥形模具的下方，并使该锥形模具的法兰嵌入所述模具加持固定单元上表面的卡槽内，以实现对该锥形模具的夹持。通过所述模具锁紧法兰上的两个缸使该模具锁紧法兰向远离所述的主轴法兰一端运动，从而使该模具锁紧法兰上的柱销与所述条形通孔的大圆弧内脱出、使所述螺栓的螺母与该模具锁紧法兰上的螺帽沉孔分离。使所述的数控旋压机床主轴顺时针旋转15°，从而使所述4个螺栓转移至各条形通孔中的大圆弧内，是模具法兰与机床主轴法兰分离。通过所述第二液压缸使所述夹持定位机构沿滑轨水平移动远离机床主轴。将锥形模具吊离机床。至此完成第一道次预制件旋压成形中用锥形模具的安装与拆卸。

步骤2、第二道次成形铝合金薄壁复杂曲母线构件中曲母线模具的装夹，具体是：

ⅰ、曲母线模具的吊装放置

重复步骤1中吊装锥形模具的过程，完成曲母线模具吊装放置。

ⅱ、曲母线模具与主轴的连接：

重复步骤1中锥形模具与主轴连接的过程，完成曲母线模具与主轴的连接。

ⅲ、曲母线模具的锁紧：

重复步骤1中锥形模具锁紧的过程，完成曲母线模具的锁紧。

ⅳ、铝合金薄壁复杂曲母线构件的旋压成形：

重复步骤1中预制件旋压成形的过程，完成铝合金薄壁复杂曲母线构件的旋压成形。

ⅴ、曲母线形模具的拆卸

取下得到的铝合金薄壁复杂曲母线构件，重复步骤1中拆卸锥形模具的过程，将所述曲母线形模具拆下。

至此完成第二道次铝合金薄壁复杂曲母线构件旋压成形中曲母线模具的安装与拆卸。

所述成形模具分为锥形模具和曲母线模具。其中所述锥形模具用于铝合金薄壁复杂曲母线构件成形中第一道次旋压成形该铝合金薄壁复杂曲母线构件的预制件，曲母线模具用于铝合金薄壁复杂曲母线构件成形中第二道次旋压成形该铝合金薄壁复杂曲母线构件。

本发明通过所述的用于铝合金薄壁复杂曲母线构件旋压成形的工装及其使用方法，可实现数控旋压加工模具的自动装卸，以缩短模具装卸时间，从而降低生产成本和工人的劳动强度及危险系数，同时还能有效防止机床的磨损。

与现有技术向比较，本发明的有益效果为：

本发明通模具夹持定位机构、模具与主轴连接件和模具锁紧法兰，在数控系统顺序动作控制下经过模具的吊装夹持、模具与主轴连接、模具锁紧等完成装夹；拆卸时，在数控系统顺序动作的控制下经过模具的解锁、模具和主轴分离、模具吊离等完成模具的拆卸。采用本发明能够实现数控旋压成形制造过程中的中型或大型曲母线模具、锥形模具、柱面模具的自动装卸，保证模具与主轴的可靠连接与锁死，有效减少中、大型模具装卸时间，消除模具装卸过程中对操作工人们的潜在砸伤、碰撞等人身意外伤害，减少因模具反复装卸而引起的机床磨损。因此，相对于当前大部分数控旋压成形制造业，本发明可以明显的提高生产效率、降低了工人的劳动强度和危险系数，有效地减缓数控旋压机床主轴和模具配合面的磨损，提高模具的安装精度，同时也有利于进一步有效地提高数控旋压成形制造业加工工序的自动化、集成化、数字化。

附图说明

图1为主轴法兰的结构示意图；其中，1a是主视图，1b是俯视图。

图2为加持固定单元的结构示意图；其中，2a是主视图，2b是俯视图。

图3为模具夹持定位机构示意图。

图4为模具与主轴的连接示意图。

图5为模具锁紧法兰的结构示意图。

图6为工装的使用示意图；其中，6a是工装的初始位置示意图，6b是工装与机床主轴装配前的位置示意图，6c是曲母线模具与工装的配合示意图，6d是机床主轴连接的示意图，6e是曲母线模具与机床主轴连接的示意图，6f是机床主轴法兰与模具法兰对接示意图，6g是模具锁紧法兰与机床主轴法兰连接的示意图，6h是通过工装连接后的曲母线模具和机床主轴，6i是加工中的曲母线模具，6j是锥面模具与工装的配合示意图，6k是柱面模具与工装的配合示意图。

图7是本发明的流程图。

图中：1.条形通孔；2.模具加持固定单元；3.第一液压缸；4.第二液压缸；5.滑轨；6.曲母线模具；7.模具法兰；8.机床主轴法兰；9.机床主轴；10.螺钉；11.柱销；12.螺帽沉孔；13.锁紧盘液压缸；14.模具锁紧法兰；15.锥形模具；16.柱面模具。

具体实施方式

实施例1：

本实施例是一种在通过数控旋压机床成形铝合金薄壁复杂曲母线构件时用于装卸成形模具的工装，包括模具夹持定位机构和模具锁紧法兰，并通过该模具夹持定位机构与模具锁紧法兰的配合使用，实现对成形模具的装夹。

所述的模具夹持定位机构包括模具加持固定单元2、第一液压缸3、滑轨5和第二液压缸4。其中，所述第一液压缸的下端通过滑块卡装在所述滑轨5的上表面；所述第二液压缸安装在该滑块的一侧表面；所述第一液压缸与第二液压缸之间相互垂直。在所述第一液压缸3的上端端面安装有模具加持固定单元2。

所述模具夹持固定单元2为块状，其上表面为半圆弧面，并且在半圆弧面上有周向延伸的卡槽。所述卡槽宽度方向的中心线与该模具夹持固定单元宽度方向的中心线重合；所述卡槽的半径与位于曲母线模具端头的模具法兰7的半径相同。

所述模具锁紧法兰包括模具锁紧法兰14和锁紧盘液压缸13。在该模具锁紧法兰的一个表面均布有四个柱销11，该柱销与所述主轴法兰8表面的条形通孔1的大圆弧配合；在各所述柱销一侧分别有一个螺帽沉孔12。在该模具锁紧法兰14另一个表面对称的安装有两个锁紧盘液压缸13。

为实现通过所述的用于铝合金薄壁复杂曲母线构件旋压成形的工装将成形模具与机床主轴连接，本实施例对位于所述成形模具端头的模具法兰7和位于机床主轴9端头的主轴法兰8分别进行了改进，具体是：

所述主轴法兰8的改进：在该主轴法兰的表面加工有4个均布的条形通孔1，并使该条形通孔的长度方向与该主轴法兰的周向一致。所述条形通孔的内表面为弧面，并且该弧面的曲率与该主轴法兰的曲率相同。所述条形通孔两端均为圆弧状，并且一端的圆弧大，其半径大于所述模具法兰7上的四个螺栓10螺帽的半径，并与模具锁紧法兰14上分布的四个柱销11同轴同径；所述条形通孔另一端的圆弧小，其半径大于四个螺栓10的半径。所述条形通孔一端大圆弧半径的中心a与条形通孔另一端小圆弧半径的中心b与主轴法兰中心o之间的连线所形成的夹角α为15°。

所述模具法兰7的改进：在该模具法兰与机床主轴贴合的端面上安装了四个螺栓，并使各螺栓的中心分别与所述主轴法兰8上条形通孔1的小圆弧的中心同轴。

装配时，将所述模具法兰上的给螺栓分别装入所述主轴法兰8上条形通孔中大圆弧内并逆时针旋转15°，使各螺栓分别进入所述主轴法兰8上条形通孔中小圆弧内，使该模具法兰的端面与主轴法兰的端面贴合，以限制模具在中心轴线上的运动。

实施例2

本实施例是一种在铝合金薄壁复杂曲母线构件旋压成形过程中装夹成形模具的方法。

所述成形模具分为锥形模具15和曲母线模具6。其中所述锥形模具15用于铝合金薄壁复杂曲母线构件成形中第一道次旋压成形该铝合金薄壁复杂曲母线构件的预制件，曲母线模具6用于铝合金薄壁复杂曲母线构件成形中第二道次旋压成形该铝合金薄壁复杂曲母线构件。

所述铝合金薄壁复杂曲母线构件旋压初始圆板坯料的材质为3a21高强铝合金，圆板直径为520mm，厚度为2mm。采用多道次成形，其中第一道次使用锥形模具15旋压成形加工出半锥角为30度的预制件，第二道次使用曲母线模具6进行成品件的旋压成形。

本实施例的具体过程是：

步骤1、第一道次预制件旋压成形中装夹锥形模具，具体是：

ⅰ、锥形模具的吊装放置：通过第二液压缸4使模具夹持定位机构移动至数控旋压机床主轴9的机床主轴法兰前。通过所述模具夹持定位机构中的第一液压缸3使该模具加持固定单元2竖直上升，使安放在该模具加持固定单元上的锥形模具15的中心线与机床主轴9同轴。在所述锥形模具顶部中心和尾部圆周上的螺纹孔内分别安装吊环。将该锥形模具吊装至所述的模具夹持定位机构上，并使该锥形模具末端的法兰7嵌入所述的模具夹持定位机构的模具加持固定单元2内的卡槽中，完成该锥形模具的吊装放置。

ⅱ、锥形模具与主轴的连接：使主轴法兰8圆周上的条形孔1中的大圆弧的中心分别与该锥形模具的模具法兰7上的螺钉中心同轴。在所述模具法兰7上安装4个螺栓10。通过第二液压缸4使所述的模具夹持定位机构沿水平方向运动至所述的模具法兰7和主轴法兰8完全贴合，且所述模具法兰上的4个螺栓10的螺帽均进入所述主轴法兰8的4个条形通孔1中一端的大圆弧内。

ⅲ、锥形模具的锁紧：

所述的模具法兰7和主轴法兰8完全贴合后，使所述的数控旋压机床主轴9逆时针旋转15°，从而使所述4个螺栓10的螺帽均进入所述条形通孔1中另一端的小圆弧内，以限制模具在中心轴线方向上的运动。

通过位于所述模具锁紧法兰14上的两个锁紧盘液压缸13使该模具锁紧法兰向所述机床主轴法兰8运动，并使位于该模具锁紧法兰表面的各柱销分别插入所述条形通孔的大圆弧内、使所述螺栓10的螺帽分别嵌入该模具锁紧法兰表面的4个螺帽沉孔12内；通过各所述柱销限制所述螺栓从该条形通孔的小圆弧中滑出，并通过该螺栓螺帽嵌入锁紧法兰的螺帽沉孔以限制柱销从条形通孔的大圆弧滑出，从而实现锥形模具15的完全夹紧固定。

启动所述第一液压缸3和第二液压缸4，使所述的模具夹持定位机构的模具加持固定单元2向下运动的同时沿滑轨5水平运动，退回到机床主轴下方。

ⅳ、预制件的旋压成形

所述3a21高强铝合金薄壁复杂曲母线构件旋压初始圆板坯料的几何中心有与锥形模具配合的螺钉孔；该螺钉穿过该几何中心孔，将坯料固定在所述锥形模具15的顶端。启动数控旋压机床，采用常规的旋压方法，按设定的旋压参数对所述坯料进行第一道次旋压成形。第一道次旋压结束后，得到半锥角为30度的锥形预制件。

ⅴ、锥形模具的拆卸

取下得到的锥形预制件，拆卸锥形模具15。拆卸中，通过第一液压缸3和第二液压缸4，使所述模具加持固定单元2移动至待拆卸的锥形模具的下方，并使该锥形模具的法兰嵌入所述模具加持固定单元上表面的卡槽内，以实现对该锥形模具的夹持。通过所述模具锁紧法兰上的两个缸13使该模具锁紧法兰14向远离所述的主轴法兰8一端运动，从而使该模具锁紧法兰上的柱销11与所述条形通孔的大圆弧内脱出、使所述螺栓10的螺母与该模具锁紧法兰上的螺帽沉孔12分离。使所述的数控旋压机床主轴9顺时针旋转15°，从而使所述4个螺栓10转移至各条形通孔1中的大圆弧内，是模具法兰7与机床主轴法兰8分离。通过所述第二液压缸3使所述夹持定位机构沿滑轨水平移动远离机床主轴9。将锥形模具15吊离机床。至此完成第一道次预制件旋压成形中用锥形模具15的安装与拆卸。

步骤2、第二道次成形铝合金薄壁复杂曲母线构件中曲母线模具的装夹，具体是：

ⅰ、曲母线模具的吊装放置

重复步骤1中吊装锥形模具的过程，完成曲母线模具吊装放置。

ⅱ、曲母线模具与主轴的连接：

重复步骤1中锥形模具与主轴连接的过程，完成曲母线模具与主轴的连接。

ⅲ、曲母线模具的锁紧：

重复步骤1中锥形模具锁紧的过程，完成曲母线模具的锁紧。

ⅳ、铝合金薄壁复杂曲母线构件的旋压成形：

重复步骤1中预制件旋压成形的过程，完成铝合金薄壁复杂曲母线构件的旋压成形。

ⅴ、曲母线形模具的拆卸

取下得到的铝合金薄壁复杂曲母线构件，重复步骤1中拆卸锥形模具的过程，将所述曲母线形模具拆下。

至此完成第二道次铝合金薄壁复杂曲母线构件旋压成形中曲母线模具6的安装与拆卸。

经试验证明，本发明能够实现数控多道次旋压成形制造过程中的锥形模具、曲母线模具、柱面模具的自动装卸，可以大幅度减少旋压成形模具安装和拆卸所花费的时间，可以有效地避免在旋压成形模具装卸过程中给操作工人们带来的可能的潜在砸伤、碰撞等人身意外伤害，同时也减少因模具反复装卸而引起的机床磨损，从而显著的提高了旋压成形制造的效率并大大降低了生产成本。