一种半球形壳件的渐进成形辅助成形装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种半球形壳件的渐进成形辅助成形装置，该方法包括如下步骤：步骤1：设计基础路径；加工目标半球形壳件，选择若干组不同口径的半球形壳件，设计以上目标半球形壳件的渐进成形路径作为基础路径；步骤2：提取关键变量；不同口径半球件的成形路径中的关键变量分别为：b、r1、r2、a2、r3、b3；其中：首道次路径中，倾角为41°的直线与y轴交点坐标为(0，b)，r1为第二道次圆弧半径值，r2为第三道次上部圆弧半径值，a2为第三道次上部圆弧圆心x轴坐标，r3为第三道次下部圆弧半径值，b3为第三道次下部圆弧圆心y轴坐标。有利于渐进成形工艺向批量化、智能化方向发展。
【专利说明】
一种半球形壳件的渐进成形辅助成形装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及板料渐进成形领域，特别涉及一种半球形壳件的渐进成形方法以 及相应的辅助成形装置。
【背景技术】
[0002] 板料渐进成形工艺采用了快速原型制造技术中的分层制造的思想，将待成形的零 件离散为一系列二维平面进行逐层成形，通过预先编制的数控程序驱动成形设备对板料进 行分层逐点成形。与传统板料成型工艺相比，由于其柔性成形的特点，制造周期大大缩短， 且无需模具或仅需要简单的模具；同时，由于成形过程为分层逐点成形，能有效发挥材料的 塑性。板料渐进成形技术适用于零件的单件或小批量生产，该技术可满足当前市场的多元 化、个性化的灵活市场经济形势。
[0003] 对于成形角较小的浅锥件、浅覆盖件等工件，可通过一次成形，方便快捷的得到目 标工件;对于成形角较大的深锥件、球形件以及筒形件等工件，需经过多个道次成形，成形 路径设计较为繁琐，且需经过多次检验与修改，才能成功制得目标工件。成形路径无法通过 等比例缩放实现目标工件的等比例缩放，重新设计路径需耗费大量时间与精力。
【发明内容】
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[0004] 技术问题:本实用新型的目的是提供一种半球形壳件的渐进成形辅助成形装置。
【发明内容】
[0005] :为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种半球形壳件的渐进成形 辅助成形装置，该装置包括：
[0006] 工作台、设置在工作台上的钢块、设置在钢块上的支撑底座、覆盖在支撑底座的外 轮廓支撑板、覆盖于外轮廓支撑板上的压板、置于压板中部的板料、设在板料中部且与板料 相连的工具头;压板、外轮廓支撑板四周靠近边缘处设置有围成矩形的一圈圆孔，在支撑 底座相应的位置有相对应的螺栓孔，该螺栓孔用于放置螺栓；
[0007]该装置还包括钢楔，且该钢楔通过长螺栓固定在工作台上，钢块垫设在钢楔下面； 钢楔上标明还设有压块；
[0008] 压块与钢楔通过锯齿咬合固定，其固定高度可调节，通过更换钢块的高度调节加 工空间；
[0009] 支撑底座下端设有凸缘，通过长螺栓、压块、钢楔的组合将支撑底座固定于工作台 上。
[0010]优选的，工具头包括直杆部分、与直杆部分一端连接的锥形过渡部分以及与锥形 过渡部分另一端相连的球头部分。
[0011]优选的，直杆部分的直径与球头部分的直径相等。
[0012] 有益效果:本实用新型具有的优点和积极效果是：
[0013] (1)通过基本路径的归纳，在一定范围内可获得半球形壳件成形路径的方程表达 式，可迅速得到此范围内任意口径半球形壳件的成形路径，同时可获得工具头半径、轴向进 给量等加工参数，可实现同一类工件的快速加工成形，省去了路径设计的繁琐过程，有利于 渐进成形工艺向批量化、智能化方向发展。
[0014] (2)成形工具头的头部与杆部通过锥形过度，可有效避免直杆部分对成形过程的 干涉作用，通过逐点接触、逐点加工、逐点变形，最大限度发挥板料的塑性，充分体现渐进成 形工艺的优点。
[0015] (3)压板与外轮廓支撑板的内径接近于目标工件的口部直径，且其夹持面设置有 沿切向方向的锯齿状防滑纹，可有效防止板料滑动，避免成形区域以外的板料发成变形，减 小半球形件成形过程中口部下沉和底部下沉现象，大大提高目标工件的成形精度。
【附图说明】
[0016] 图1是R=50时成形路径示意图，
[0017]图2是参数化成形路径示意图，
[0018]图3是成形工具头示意图，
[0019] 图4是压板、外轮廓支撑板及支撑底座示意图，
[0020] 图5是锯齿形防滑纹示意图，
[0021]图6是成形装置示意图，
[0022] 图7是线性拟合图。
[0023] 其中，1为工具头，2为板料，3为压板，4为外轮廓支撑板，5为支撑底座，6为螺栓，7 为长螺栓，8为压块，9为钢楔，10为矩形钢块，11为工作台。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图对本实用新型做进一步说明。
[0025] 本实用新型以不同比例的半球形壳件为目标工件，通过总结其成形规律，探索不 同比例的半球形壳件成形路径中的关键变量，实现不同比例的半球形壳件成形路径的快速 获得，并通过简易模具的搭配，配合相应的成形设备，设计一套半球形壳件的辅助成形装 置。
[0026] 本实用新型提供了一种半球形壳件的渐进型成型方法制成的辅助成形装置，该装 置包括：
[0027] 工作台11、设置在工作台11上的钢块10、设置在钢块10上的支撑底座5、覆盖在支 撑底座5的外轮廓支撑板4、覆盖于外轮廓支撑板4上的压板3、置于压板3中部的板料2、设在 板料2中部且与板料2相连的工具头1;压板3、外轮廓支撑板4四周靠近边缘处设置有围成矩 形的一圈圆孔，在支撑底座5相应的位置有相对应的螺栓孔，该螺栓孔用于放置螺栓6;
[0028] 该装置还包括钢楔9,且该钢楔9通过长螺栓7固定在工作台11上，钢块10垫设在钢 楔9下面;钢楔9上标明还设有压块8;
[0029] 压块8与钢楔9通过锯齿咬合固定，其固定高度可调节，通过更换钢块10的高度调 节加工空间；
[0030] 支撑底座5下端设有凸缘，通过长螺栓7、压块8、钢楔9的组合将支撑底座5固定于 工作台11上。
[0031] 工具头1包括直杆部分、与直杆部分一端连接的锥形过渡部分以及与锥形过渡部 分另一端相连的球头部分。
[0032]直杆部分的直径与球头部分的直径相等。
[0033] 详细言之，
[0034] 1、基础路径的设计
[0035]以目标工件的壁厚均匀程度作为加工成功与否的判定条件，根据体积不变原则 (ν_=ν^)计算成形后板料的理论壁厚，设为t，并实际测量目标工件的壁厚，当其壁厚 分布在(0.85~1.15)t范围之内，认为工件加工成功，否则加工失败。选择5组不同口径的半 球形件，其口部半径分别为〇. 5R、R、1.2R. 1.5R、2R，通过反复模拟和实验相结合的方法，设 计以上目标工件的渐进成形路径作为基准路径。
[0036]以R = 50mm为例，板料初始厚度to取0.84臟，则板料变形部分的体积V = 3ir2tQ，根据 体积不变原理，可求出目标工件的平均壁厚t = 0.42mm，考虑到实际加工过程存在的误差因 素，认为目标工件的壁厚分在在(0.85~1.15)t范围之内，即0.357~0.483mm，可认为目标 工件壁厚均匀。
[0037]首道次成形时，工件的壁厚分布服从正弦定理，即t = to(9O°-0)，0为成形角。当成 形角较大时，工件侧壁会出现减薄带，成形角过小时，后续成形道次间夹角变大，造成变形 不均与。对于出时壁厚为〇.84mm的1060铝板，其临界成形角0 S = 47°，当成形角θ>47°时，目 标工件的壁厚分布不满足设定的初始条件，减薄带出现在轴向深度8~10_左右;其极限成 形角Θ Ρ = 68°，当成形角θ>68°时，目标工件会在减薄带的位置发生破裂。
[0038]本目标工件采用四道次成形：
[0039]首道次路径设计:首道次路径由三段直线组成，自上而下的成形方式。由于板料口 部材料受到压板的作用而不易发生变形，因此初始成形角91取05+(4°~6°)，此处0 1取51°。 由于初始成形角大于临界成形角，在轴向深度8~10mm的位置会出现减薄带，因此在成形深 度b达到8mm左右时，成形角减至41°，防止减薄带的出现。为了解决目标工件底部下沉的缺 陷，首道次的成形深度控制在0.88R，此处取44mm，同时底部区域的成形角降至35.5°，成形 深度h 2约为8~10mm，增大底部区域材料厚度，以防止后续自下而上挖槽加工时出现破裂。
[0040] 第二道次路径设计:第二道次路径由一段圆弧组成，采用自上而下的成形方式。其 初始成形角，即圆弧顶部切线与水平方向夹角θ 2 = θ1+(12°~14°)，其成形半径^取（1.8~ 2)R，此处取96mm。为了解决目标工件底部下沉的缺陷，第二道次的成形深度控制在0.94R， 此处取47mm。
[0041] 第三道次路径设计：第三道次由两段相切的圆弧组成，采用自下而上的挖槽加工 方式，可有效增加底部区域材料的变形。其初始成形角θ 3 = θ2+(12°~14°)。两段圆弧的轴向 加工深度基本相同，上部圆弧半径?取（1.2~1.4)R，此处取62mm，上部圆弧半径Γ3取(0.8~ 1) R，此处取44mm。成形深度同第二道次。
[0042] 第四道次为目标工件的母线，采用自上而下的成形方式。
[0043]其成形路径如图1所示。
[0044] 2、关键变量的提取
[0045] 由于目标工件均为回转体工件，因此，用回转体的母线代表其成形路径，如图2所 示。半球形壳件通过四道次成形，首道次由三段折线组成，其成形角依次为51°、41°、35.5° ; 第二道次由一段圆弧组成，其圆弧半径为η;第三道次由两段圆弧组成，其圆弧半径为r2、 r3;末道次为目标工件的母线。
[0046] 半球形壳件在成形过程中存在一定程度的底部下沉现象，一方面由于板料夹持的 边缘部分存在滑动现象，另一方面是由于成形力较大时对板料产生轴向的拉深作用。为了 保证目标工件尺寸的精确程度，在前三道次分别降低其成形深度，留出板料的下沉空间，如 图2所示，首道次成形深度为0.88R，第二三道次的成形深度为0.94R，第四道次加工出精确 的目标工件尺寸。
[0047] 为了快速获得不同口径半球形壳件的成形路径，需要将图2中的成形路径进行方 程化表示。首道次成形路径中的三段折线的表达形式为三个线性方程组成的分段函数，由 右向左，三段折线的已知量分别为：（1)倾斜角51°，交点A(R，0); (2)倾斜角41°，设其延长线 与y轴交于点B(0，b)，其中b为未知数；（3)倾斜角为35.5°，交点C(0,0.88R)。第二道次为一 段圆弧，其半径为r i，且过点A ( R，0 )，D ( 0，0 . 9 4 R )，其圆心点0 i的坐标为
，根据已知条件可表达出此段圆弧的表达 式。第三道次为两段相切的圆弧，由右向左，两段圆弧的已知量分别为：（1)半径为r2,过点A (R，0)，其圆心点03的坐标为
，其中a2为未知数；（2)半径为r3，过点D(0， 0.94R)，其圆心点03的坐标为
，其中b3为未知数。
[0048] 经过以上分析，不同口径半球件的成形路径中的关键变量分别为:b、η、r2、a2、r3、 b3。根据所建立的直角坐标系，可分别写出每个道次的成形路径方程的通式，结果如式（1) ~(3)所示：
[0053]其中R的取值范围为(0,2R)。
[0054] 根据不同成形路径中的已知参数，以球形件的口部半径R为未知变量，对b、n、r2、 a2、r3、b3进行线性拟合，拟合优度保证在0.99以上，将拟合方程代入上述表达式中，即可得 出半球形壳件成形路径方程的通式。另外，成形工具头半径取R/10,轴向进给量取R/100。
[0055] 3、辅助成形装置
[0056] 辅助成形装置由以下几部分组成：
[0057] (1)成形工具头其形状如图3所示，由直杆部分、锥形过渡部分、球头部分组成，其 中直杆的直径与球头部分的直径相等，即D 2 = 2RQ。使用锥形过度的作用是避免直杆部分与 板料的接触，防止产生干涉作用而干扰其成形过程。锥形部分的下端直径〇:约为0.8D2,锥 形部分的高度HiDi，材质为高速工具钢。
[0058] (2)压板、外轮廓支撑板以及支撑底座
[0059] 如图4所示，其中2为板料，3为压板，4为外轮廓支撑板，5为支撑底座，材质均为普 通碳素结构刚，6为螺栓。压板、外轮廓支撑板四周靠近边缘处设置有围成矩形的一圈圆孔， 在支撑底座相应的位置设置与螺栓6相对应的螺栓孔。
[0060] 通过紧固螺栓将板料紧紧的夹持在压板与外轮廓支撑板之间。图5为图4圆内的局 部放大图，在压板及外轮廓支撑板夹持板料一面设置有沿切向方向的锯齿状防滑纹，可有 效防止板料滑动，减小半球形件成形过程中底部下沉现象。
[0061 ]外轮廓支撑板的圆孔半径为R+(0.5~l)mm，其中R为半球形件的口径，压板的圆孔 半径与外轮廓支撑板相同。可减小成形区域以外的板料发成变形，同时可防止半球形壳件 口部发生下沉，大大提高目标工件的成形精度。
[0062]支撑底座下端设有凸缘，通过长螺栓、压块、钢楔的组合将支撑底座固定于机床的 工作台上，其中支撑底座下端垫有矩形钢块，目的为提高加工空间。其总体辅助成形装置如 图6所示。
[0063]板料选用1060铝板，板料的初始壁厚为0.84mm，根据体积不变原则(V麵t=V成垢） 计算成形后板料的理论壁厚为〇.42mm，考虑到成形过程中摩擦力不均匀等因素，当制件的 壁厚偏差在理论壁厚的15%范围内，即0.357~0.483mm时，可近似认为其壁厚均匀，制件加 工成功。选择5组不同口径的半球形件，其口部半径分别为25、50、60、75、100，通过反复模拟 和实验相结合的方法，设计以上目标工件的渐进成形路径作为基准路径。相应的试验参数 如下表所示。
[0064]表1不同口径下目标工件的试验加工参数
[0066] 提取不同口径半球形件成形路径中的关键变量，如表2所示，以半径R为自变量，根 据表2中的数据对各变量进行线性拟合，拟合结果如图7所示。式(4)为拟合结果的线性方程 式。通过计算，拟合方程的拟合优度均在0.99以上。将拟合方程式(7)代入式(1)~(3)，系数 保留两位小数，得到半球形件渐进成形路径的方程式，如式(5)~(8)所示：
[0067] 表2不同成形路径下方程关键变量数值
【主权项】
1. 一种半球形壳件的渐进成形辅助成形装置，其特征在于，该装置包括： 工作台（11)、设置在工作台（11)上的钢块（10)、设置在钢块（10)上的支撑底座（5)、覆 盖在支撑底座(5)的外轮廓支撑板(4)、覆盖于外轮廓支撑板(4)上的压板(3)、置于压板(3) 中部的板料(2)、设在板料(2)中部且与板料(2)相连的工具头（1);压板(3)、外轮廓支撑板 (4)四周靠近边缘处设置有围成矩形的一圈圆孔，在支撑底座(5)相应的位置有相对应的螺 栓孔，该螺栓孔用于放置螺栓(6); 该装置还包括钢楔(9)，且该钢楔(9)通过长螺栓(7)固定在工作台（11)上，钢块（10)垫 设在钢楔(9)下面;钢楔(9)上标明还设有压块(8); 压块(8)与钢楔(9)通过锯齿咬合固定，其固定高度可调节，通过更换钢块（10)的高度 调节加工空间； 支撑底座(5)下端设有凸缘，通过长螺栓(7)、压块(8)、钢楔(9)的组合将支撑底座（5) 固定于工作台（11)上。2. 根据权利要求1所述的一种半球形壳件的渐进成形辅助成形装置，其特征在于，工具 头（1)包括直杆部分、与直杆部分一端连接的锥形过渡部分以及与锥形过渡部分另一端相 连的球头部分。3. 根据权利要求2所述的一种半球形壳件的渐进成形辅助成形装置，其特征在于，所述 直杆部分的直径与球头部分的直径相等。
【文档编号】B21D5/00GK205413998SQ201521070146
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年12月18日
【发明人】高锦张, 陆文婷
【申请人】东南大学