专利名称：高压水射流板材渐进成形与切割装置的制作方法
技术领域：
本发明涉 及的是一种板料加工技术领域的装置，具体是一种高压水射流板材渐进成形与切割装置。
背景技术：
金属板材在航空、航天、汽车、船舶等制造业有着广泛的应用，传统的板材冲压成形方法适用于大批量的生产加工，而针对小批量、多品种以及样品的试制加工，近年来兴起了一种板材的渐进成形方法。该方法不需要针对产品制作专门的冲压模具，具有加工方式灵活、成形极限高、加工成本低的特点，特别适合小批量金属板材的加工生产。当前的渐进成形方法主要通过加工工具与板材的硬接触传递成形力，工具与板材之间存在摩擦，成形所需时间较长，加工工具也存在磨损，应变不够均勻。此外，工具与板材之间的润滑剂也会对板材造成污染，加工方式不够清洁。近年来，通过高压水实现板材渐进成形的方法也有一些探索。B. Jurisevic等人在《International Journal of Advanced Manufacturing Technology))(国际先进制造技术)2006 年 31 期上发表的“Water jetting technology :an alternative in incremental sheet metal forming，，(7jC身寸流技术一种板材渐进成形的替代方法)一文中，对高压水射流渐进成形方法进行了可行性实验ο Cheng 等在 2010 年 Second International Conference on Computer Modeling and SimUlati0n(第二届计算机建模与仿真国际会议)中也对高压水射流渐进成形进行了初步实验。这些实验中板材的变形量非常小，加工形状简单，喷头与板材之间相对运动的自由度较低，难以加工具有复杂几何特征的板材，也尚未实现板材成形后的后续孔、洞特征的加工以及切边。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种高压水射流板材渐进成形与切割装置，能够对形状复杂并包含细微特征的金属板材进行成形，实现成形与切割的一体化。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括五轴成形单元、板料夹具、下支撑模、水槽、底座、超高压水泵与高压水喷嘴；其中五轴成形单元安装于底座之上，板料夹具安装于水槽内，下支撑模安装于板料夹具之内并与水槽相连接，水槽固定于底座上；高压水喷嘴安装于五轴成形单元的成形臂末端并通过高压管与超高压水泵连接。所述的五轴成形单元采用龙门结构或悬臂结构，由成形臂、立柱、滑块、龙门架构成，其中成形臂安装于立柱之上并相对立柱在X方向摆动、Z方向转动，立柱安装于滑块上并沿Z方向平动，滑块安装于龙门架上并沿Y方向平动，龙门架安装于底座之上并沿Z方向平动。所述的高压水喷嘴采用成形用喷嘴或切割用喷嘴，其中切割用喷嘴与现有水切割装置喷头相同；成形用喷嘴直径大于切割用喷嘴且内腔截面采用圆形、椭圆形或扁条形从而形成对应水柱。
所述的板料夹具由压边圈与空心的支撑台构成，其中板料固定设置于压边圈与支撑台之间，支撑台固定设置于水槽内。所述的下支撑模上设有对应板材切割线的切割槽，当进行板料切割操作时不会损坏支撑模。该装置工作时，板材通过板料夹具安放于水槽内，板材需露出水面，板材下可根据实际需要安放支撑模；水在超高压水泵的作用下从喷嘴射出，成形臂带动高压水喷嘴按一定轨迹作相对于板材的五轴运动；板料在高压水的作用下发生变形或破裂，从而实现板材的渐进成形与切割。本发明所述装置的工作过程如下 1)建模，采用编程软件按三维数字模型生成成形加工轨迹与切割加工轨迹；2)用板料夹具装夹板料；3)将水泵水压调至使板材可发生变形但不至破裂的压力，喷头采用成形用大直径喷头；4)渐进成形时水射流在五轴成形单元的带动下按成形加工轨迹运动，使板材渐进变形；5)将水泵水压调高至可使板材破裂的压力并更换切割用小直径水喷头、根据板材厚度可适当加装辅助磨料；6)进行特征孔洞边特征的水切割，切割时五轴单元按切割加工轨迹运动，切出孔洞特征及边界，完成板料加工。与现有技术相比，本发明的优点在于较常规的渐进成形方法由于不存在摩擦，喷头可实现更高的移动速率，成形时间较短；由于水压给定，成形后板料厚度较比采用传统渐进成形时更加均勻；由于可以改变水射流与支撑模的角度，可以对内凹特征进行成形；由于以水为成形介质，可通过支撑模上对一些细微特征进行成形；支撑模受力远小于常规冲压，模具成本低。此外，由于没有润滑剂的介入，成形方式清洁，无环境污染问题。
图1是带支撑模的高压水射流板料渐进成形装置。图2是不带支撑模的高压水射流板料渐进成形装置。图3是通过转动水射流实现细微特征加工成形示意图。图4是通过水射流配合支撑模实现板材切割加工成形示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图2所示，本实施例包括五轴成形单元1、板料夹具2、下支撑模3、水槽4、底座 5、超高压水泵6与高压水喷嘴7 ；其中五轴成形单元1安装于底座5之上，板料夹具2安装于水槽4内，下支撑模3安装于板料夹具2之内并与水槽4相连接，水槽4固定于底座5 上；高压水喷嘴7安装于五轴成形单元1的成形臂8末端并通过高压管与超高压水泵6连接。所述的五轴成形单元1采用龙门结构或悬臂结构，由成形臂8、立柱9、滑块10、龙门架11构成，其中成形臂8安装于立柱9之上并相对立柱9绕X方向摆动、Z方向转动， 立柱9安装于滑块10上并沿Z方向平动，滑块10安装于龙门架11上并沿Y方向平动，龙门架11安装于底座5之上并沿Z方向平动。
其中Y方向为五轴成形单元1的水平移动方向，Z方向为五轴成形单元1的竖直移动方向。所述的高压水喷嘴7采用成形用喷嘴或切割用喷嘴，其中成形用喷嘴7直径大于切割用喷嘴7且内腔截面可采用圆形、椭圆形或扁条形并生成对应水柱。所述的板料夹具2由压边圈12与空心的支撑台13构成，其中板料固定设置于压边圈12与支撑台13之间，支撑台13固定设置于水槽4内。如图1所示，所述的下支撑模3上设有对应板材切割线的切割槽14。如图3和图4所示，本装置的成形及切割过程如下1)产品尺寸为IOOmmX 100mm，采用厚度为0. Imm铝板；2)使用三维造型软件(如NX，DELCAM)对产品进行数字化建模，并使用数控软件对板料8表面生成连续的成形轨迹，相邻轨迹间间距1. 5mm ；3)使用数控加工CAM软件对板料的孔，边等需铣削的特征生成切割轨迹；4)将水泵6水压调至20MPa，采用直径为2mm成形用圆形喷嘴7 ；5)板料下料成120mmX 120mm见方，用成形夹具2夹住板料四周IOmm ；6)输入数控成形轨迹代码；7)开动机床，计算机控制各伺服电机使成形臂8带动喷嘴7按输入的轨迹运动，喷嘴7喷出的高压水使板料产生变形，实现渐进成形；8)将水压调高至lOOMPa，喷头换直径为0. 2mm切割用喷嘴7 ；9)输入数控切割轨迹代码；10)开动机床，计算机控制各伺服电机使成形臂8带动喷嘴7按输入的轨迹运动， 通过喷嘴7喷出的高压水切割板料，完成切边；11)成形完成，将板料取下。
权利要求
1.一种高压水射流板材渐进成形与切割装置，其特征在于，包括五轴成形单元、板料夹具、下支撑模、水槽、底座、超高压水泵与高压水喷嘴；其中五轴成形单元安装于底座之上，板料夹具安装于水槽内，下支撑模安装于板料夹具之内并与水槽相连接，水槽固定于底座上；高压水喷嘴安装于五轴成形单元的成形臂末端并通过高压管与超高压水泵连接。
2.根据权利要求1所述的高压水射流板材渐进成形与切割装置，其特征是，所述的五轴成形单元采用龙门结构或悬臂结构，由成形臂、立柱、滑块、龙门架构成，其中成形臂安装于立柱之上并相对立柱绕X方向摆动、Z方向转动，立柱安装于滑块上并沿Z方向平动， 滑块安装于龙门架上并沿Y方向平动，龙门架安装于底座之上并沿Z方向平动，Y方向为五轴成形单元的水平移动方向，Z方向为五轴成形单元的竖直移动方向。
3.根据权利要求1所述的高压水射流板材渐进成形与切割装置，其特征是，所述的高压水喷嘴采用成形用喷嘴或切割用喷嘴，其中成形用喷嘴直径大于切割用喷嘴且内腔截面采用圆形、椭圆形或扁条形并生成对应水柱。
4.根据权利要求1所述的高压水射流板材渐进成形与切割装置，其特征是，所述的板料夹具由压边圈与空心的支撑台构成，其中板料固定设置于压边圈与支撑台之间，支撑台固定设置于水槽内。
5.根据权利要求1所述的高压水射流板材渐进成形与切割装置，其特征是，所述的下支撑模上设有对应板材切割线的切割槽。
全文摘要
一种板料加工技术领域的高压水射流板材渐进成形与切割装置，包括五轴成形单元、板料夹具、下支撑模、水槽、底座、超高压水泵与高压水喷嘴；其中五轴成形单元安装于底座之上，板料夹具安装于水槽内，下支撑模安装于板料夹具之内并与水槽相连接，水槽固定于底座上；高压水喷嘴安装于五轴成形单元的成形臂末端并通过高压管与超高压水泵连接。本发明利用水射流的强大冲击力，对板材进行渐进成形，并可通过控制水射流的压力与水射流的粗细，对板料的细微特征进行成形与切割，成形效率与成形质量远远高于现有的渐进成形方法。此外，本发明所述渐进成形方式无需润滑剂，不对环境构成污染，是一种清洁的板料成形方式。
文档编号B24C3/02GK102218706SQ201110071919
公开日2011年10月19日 申请日期2011年3月24日 优先权日2011年3月24日
发明者曹简, 陆彬, 陈军 申请人:上海交通大学