專利名稱：板材電致塑性漸進成形裝置及其成形方法
技術領域：
本發明屬于板料漸進成形加工技術領域，尤其是涉及一種板材電致塑性漸進成形裝置及其成形方法。
背景技術：
電致塑性效應(electroplastic effect)是指材料(包括各種金屬材料、陶瓷材料、超導材料、粉末冶金制品等)在運動電子(電流或電場)作用下，變形抗力急劇下降，塑性明顯提高的現象，是一種包含焦耳熱效應、磁壓縮效應和純電塑性效應等多種物理效應共同作用的結果。電致塑性效應最初是在1963年由前蘇聯學者Troitskii在作表面活化劑的研究時發現的，之后前蘇聯和美國學者都進行了大量的研究。高密度的電流可使材料內部原子運動的能量升高，改變金屬中位錯的激活能，加快位錯的運動速度，有利于打開位錯間的纏結和克服其滑移面上的障礙，因而可以顯著降低材料的流動應力，提高其塑性變形能力。近年來，已在汽車、航空、航天等領域的成形加工中取得了良好的應用效果。板料漸進成形(Incremental forming)是在數控設備上通過計算機程序控制形狀簡單的成形工具，利用其運動軌跡對金屬板料進行連續局部塑性成形的加工方法。該技術是日本學者松原茂夫于20世紀90年代初提出的，該技術特點是引入快速原型制造技術“分層制造”的思想，將復雜的三維數字模型沿高度方向等間距離散化，分解成一系列二維等高線斷面層，斷層面與實體的交線即為所需的加工軌跡，利用數控設備驅動成形壓頭沿等高線層面上的加工軌跡運動，使板材沿成形軌跡逐次變形，通過對板料進行的逐次局部變形代替整體成形，最終將板料加工為目標產品。該工藝不需要針對產品制作專門的模具，特別適合小批量、多品種以及快速原型制造，具有柔性程度高、成形極限高和加工成本低等優點，是一項非常有發展前景的板料成形技術。對現有漸進成形技術及裝置的檢索發現德國波鴻魯爾大學(Ruhr-University of Bochum)H. Meier等通過在板料兩邊設置兩個6軸串聯機器人形成雙壓頭板料漸進成形裝置，可同時加工具有凸起和凹陷特征的工件，但未考慮降低板料的變形抗力，需要的成形載荷大，成形幾何精度差。比利時魯汶大學(Katholieke Universiteit Leuven) J. R. Duflou等提出了一套采用激光輔助加熱漸進成形的裝置，在板料的一側設置一個6軸的機器人夾持壓頭運動，另一側設置一個3軸的同步激光加熱裝置對壓頭和板料的接觸區域進行動態加熱，降低了成形力，提高了空間加工精度，但這種裝置采用了兩套運動機構， 控制復雜，板料對激光有反射作用，加熱效率低，而且激光器的價格昂貴。南京航空航天大學高霖等提出了一種板料電加熱數控漸進成形裝置，可以顯著降低加工力，減小了板料的回彈，但由于采用了單壓頭成形，成形尺寸精度不高，流經板料成形區的電流大小與其它區域相同，成形區的材料屈服應力和硬化指數與鄰近區域相比下降程度不大，漸進成形的局部化效應不顯著，而且主要是利用電流的熱效應，工件成形溫度高，材料易過度軟化不利于成形，表面氧化嚴重，影響了成形件的表面質量。以上所述裝置都未考慮到將材料的電致塑性效應引入到漸進成形中，難以低成本、高效加工出高精度、高表面質量的產品。
發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種高效節能、加工精度高、表面質量好的板材電致塑性漸進成形裝置及其成形方法。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種板材電致塑性漸進成形裝置， 其特征在于，包括五軸數控成形機床、六軸并聯機器人加工系統、板料成形夾具、高能脈沖電源、紅外線測溫儀、機床內置的壓縮空氣冷卻系統，其中所述的五軸數控成形機床的主軸末端安裝上成形壓頭，所述的六軸機器人加工系統設置于五軸數控成形機床的工作臺面上，其頂部設有下成形壓頭并正對上成形壓頭，所述的板料成形夾具固定于五軸數控成形機床的工作臺上，待加工板料設置在上成形壓頭與下成形壓頭之間并通過板料成形夾具夾緊固定，所述的高能脈沖電源的正負極分別通過大載流導線連接上成形壓頭和下成形壓頭，使高能脈沖電源、上成形壓頭、下成形壓頭和板料構成電流回路，所述的紅外線測溫儀的攝像頭對準板料的中心區域，所述的壓縮空氣冷卻系統對準板料的成形區。所述的五軸數控成形機床為加高立柱的擺動主軸式立式數控機床。所述的板料成形夾具是由從上到下依次設置的壓邊圈、空心支撐臺、支柱以及底座構成，所述的板料固定于壓邊圈和空心支撐臺之間，板料與壓邊圈和空心支撐臺之間均設有絕緣墊片。所述的高能脈沖電源能夠輸出高電流低電壓，高能脈沖峰值電流> 3000A，頻率為 50-1000HZ可調節，輸出電壓可調。所述的上成形壓頭通過上成形壓頭固定塊固定在五軸數控成形機床的主軸末端， 并在上成形壓頭固定塊上方設有上絕緣墊片，所述的下成形壓頭通過下成形壓頭固定塊固定在六軸機器人加工系統頂部，并在下成形壓頭固定塊下方設有下絕緣墊片，所述的大載流導線固定于上成形壓頭固定塊和下成形壓頭固定塊，從而連接上成形壓頭和下成形壓頭，使電流回路在高能脈沖電源、上成形壓頭、下成形壓頭和板料之間，并通過上絕緣墊片和下絕緣墊片使電流回路與其它部分可靠絕緣。所述的紅外線測溫儀實時記錄成形板料的溫度，通過調整壓縮空氣冷卻系統輸出的壓縮空氣的流動速度來調整板料的成形溫度。所述的壓縮空氣冷卻系統輸出的壓縮空氣的流動方向與板料成45士3°。一種板材使用上述裝置使電致塑性雙壓頭漸進成形方法，其特征在于，包括以下步驟(1)五軸數控成形機床主軸的末端安裝上成形壓頭，六軸并聯機器人加工系統頂部加裝下成形壓頭，采用編程軟件將三維造型軟件建立的模型沿加工路徑方向離散，并生成各等高線層面上的加工軌跡；(2)大載流導線設置于上成形壓頭固定塊、下成形壓頭固定塊上，使高能脈沖電源、上成形壓頭、下成形壓頭和板料構成電流回路，將絕緣墊片置于上成形壓頭固定塊、下成形壓頭固定塊的表面以及壓邊圈與空心支撐臺之間確保電流回路與其它部分可靠絕緣， 設置好高能脈沖電源的脈沖頻率、占空比；(3)用壓邊圈壓住板料四周，調整板料成形夾具的位置，使之處于上成形壓頭與下成形壓頭之間；
(4)將上、下各等高線層面上的加工軌跡分別輸入到五軸數控成形機床和六軸機器人加工系統中，并對準上成形壓頭和下成形壓頭，使其加工坐標相一致，其中下加工軌跡向上增加板料厚度10%的偏移量，保證在成形過程中上成形壓頭、下成形壓頭始終都與板料充分接觸，保證電流回路閉合；(5)啟動五軸數控成形機床和六軸機器人加工系統，即時調整上成形壓頭、下成形壓頭沿著生成的加工軌跡到達相應的位置以保持緊密相鄰的狀態，打開高能脈沖電源，設置預定的電流和電壓，打開紅外線測溫儀開關和壓縮空氣冷卻系統閥門，通過空氣的流動速度來控制成形溫度，完成電致塑性漸進成形。與現有技術相比，本發明采用雙壓頭漸進成形，同時通過弓I入電致塑性效應，在成形區材料具有較低的屈服應力和硬化指數，塑性變形能力明顯提高，漸進成形的局部化效應顯著，可以大幅降低漸進成形力，并且通過壓縮空氣的冷卻，避免了板料的表面氧化以及過度軟化，極大提高了成形件的幾何精度和表面質量，并且成本低、高效節能，特別適用于常溫條件下成形特性差或強度高的鎂合金、鋁合金、鈦合金和高強度鋼等板料的加工。
圖1為板料電致塑性雙成形壓頭漸進成形示意圖。 圖中標號名稱1高能脈沖電源，2大載流導線，3五軸數控成形機床，4上絕緣墊片 I，5上成形壓頭固定塊，6上成形壓頭，7數控機床內置的壓縮空氣冷卻系統，8板料，9板料成形夾具，10壓邊圈，11空心支撐臺，12支柱，13底座，14下成形壓頭，15下成形壓頭固定塊，16下絕緣墊片II，17六軸并聯機器人加工系統，18紅外線測溫儀，19絕緣墊片III。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作具體詳細說明，本實施例是以本發明技術方案為前提下進行實施，描述了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例如附圖1所示，板材電致塑性漸進成形裝置包括五軸數控成形機床3、六軸并聯機器人加工系統17、板料成形夾具9、高能脈沖電源1、紅外線測溫儀18、數控機床內置的壓縮空氣冷卻系統7，其中五軸數控成形機床3主軸的末端安裝上成形壓頭6，上成形壓頭6 通過上成形壓頭固定塊5固定在五軸數控成形機床3的主軸末端，并在上成形壓頭固定塊 5上方設有上絕緣墊片14，板料8位于上成形壓頭6下方并通過板料成形夾具9固定，板料成形夾具9安裝于五軸數控成形機床3的工作臺上，板料成形夾具9是由從上到下依次設置的壓邊圈10、空心支撐臺11、支柱12以及底座13構成，所述的板料8固定于壓邊圈10 和空心支撐臺11之間，板料8與壓邊圈10和空心支撐臺11之間均設有絕緣墊片11119。六軸機器人加工系統17置于板料8之下且設置于五軸數控成形機床3工作臺面上，六軸機器人加工系統17的頂部設有下成形壓頭14并正對板料8，所述的下成形壓頭14 通過下成形壓頭固定塊15固定在六軸機器人加工系統17的頂部，并在下成形壓頭固定塊 15下方設有下絕緣墊片1116，高能脈沖電源1通過大載流導線2分別設置于上成形壓頭固定塊5和下成形壓頭固定塊15上，從而連接上成形壓頭6和下成形壓頭14，使高能脈沖電源1、上成形壓頭6、下成形壓頭14和板料8構成電流回路，并通過上絕緣墊片14和下絕緣墊片Π16使電流回路與其它部分可靠絕緣，紅外線測溫儀18的攝像頭對準板料8的中心區域，所述的壓縮空氣冷卻系統7對準板料的成形區，輸出的壓縮空氣吹向板料的成形區， 其流動方向與板料8成45士3°。所述的五軸機床3采用加高立柱的擺動主軸式立式數控機床。所述的板料成形夾具9是由壓邊圈10、空心支撐臺11、支柱12以及底座13構成， 其中板料8固定于壓邊圈10和空心支撐臺11之間。所述的高能脈沖電源1能夠輸出高電流低電壓，高能脈沖峰值電流> 3000A，頻率為50-1000Hz可調節，輸出電壓可調。所述的電流回路在高能脈沖電源1、上成形壓頭6、下成形壓頭14和板料8之間， 通過上絕緣墊片14、下絕緣墊片1116和絕緣墊片11119，實現電流回路與其它部分可靠絕緣。所述的紅外測溫儀18實時記錄成形板料8的溫度，通過調整壓縮空氣的流動速度來保證板料在合適的溫度下成形，避免板料的表面氧化以及過度軟化。 電致塑性雙壓頭漸進成形過程如下(1)產品尺寸為500mmX500mm，采用厚度為Imm的鈦板；(2)五軸數控成形機床主軸的末端和六軸并聯機器人加工系統的頂部分別安裝直徑為IOmm的上成形壓頭和下成形壓頭，利用NX6. 0軟件的CAD功能建立三維CAD模型，并利用其CAM功能將CAD模型沿加工路徑方向離散，并生成各等高線層面上的加工軌跡；(3)大載流導線固定于上成形壓頭固定塊、下成形壓頭固定塊，使高能脈沖電源、 上成形壓頭、下成形壓頭和板料構成電流回路，將上絕緣墊片I、下絕緣墊片II置于上成形壓頭固定塊、下成形壓頭固定塊表面保證電流回路與其它部分可靠絕緣，設置好電源脈沖頻率、占空比；(4)將板料下料成530 X 530mm，用壓邊圈壓住板料四周15mm，調整板料夾具的位置，使之處于上成形壓頭與下成形壓頭之間；(5)將上、下各等高線層面上的加工軌跡分別輸入到五軸數控成形機床和六軸機器人加工系統中，并對準上成形壓頭、下成形壓頭，使其加工坐標相一致，其中下加工軌跡向上增加板料厚度10%的偏移量，使上成形壓頭、下成形壓頭和板料充分接觸，并對板料形成一定的擠壓；(6)啟動五軸數控成形機床和六軸并聯機器人加工系統，即時調整上成形壓頭、下成形壓頭沿著生成的加工軌跡到達相應的位置以保持緊密相鄰的狀態，打開脈沖電源，設置預定的電流和電壓，打開紅外線測溫儀開關和壓縮空氣閥門，通過空氣的流動速度來控制成形溫度約在50°C左右，完成電致塑性漸進成形；(7)漸進成形完成后，關閉高能脈沖電源，上成形壓頭、下成形壓頭離開板料，停止五軸數控成形機床和六軸并聯機器人加工系統，將成形件取下。
權利要求
1.一種板材電致塑性漸進成形裝置，其特征在于，包括五軸數控成形機床、六軸并聯機器人加工系統、板料成形夾具、高能脈沖電源、紅外線測溫儀、機床內置的壓縮空氣冷卻系統，其中所述的五軸數控成形機床的主軸末端安裝上成形壓頭，所述的六軸機器人加工系統設置于五軸數控成形機床的工作臺面上，其頂部設有下成形壓頭并正對上成形壓頭， 所述的板料成形夾具固定于五軸數控成形機床的工作臺上，待加工板料設置在上成形壓頭與下成形壓頭之間并通過板料成形夾具夾緊固定，所述的高能脈沖電源的正負極分別通過大載流導線連接上成形壓頭和下成形壓頭，使高能脈沖電源、上成形壓頭、下成形壓頭和板料構成電流回路，所述的紅外線測溫儀的攝像頭對準板料的中心區域，所述的壓縮空氣冷卻系統對準板料的成形區。
2.根據權利要求1所述的一種板材電致塑性漸進成形裝置，其特征在于，所述的五軸數控成形機床為加高立柱的擺動主軸式立式數控機床。
3.根據權利要求1所述的一種板材電致塑性漸進成形裝置，其特征在于，所述的板料成形夾具是由從上到下依次設置的壓邊圈、空心支撐臺、支柱以及底座構成，所述的板料固定于壓邊圈和空心支撐臺之間，板料與壓邊圈和空心支撐臺之間均設有絕緣墊片。
4.根據權利要求1所述的一種板材電致塑性漸進成形裝置，其特征在于，所述的高能脈沖電源能夠輸出高電流低電壓，高能脈沖峰值電流> 3000A，頻率為50-1000HZ可調節， 輸出電壓可調。
5.根據權利要求1所述的一種板材電致塑性漸進成形裝置，其特征在于，所述的上成形壓頭通過上成形壓頭固定塊固定在五軸數控成形機床的主軸末端，并在上成形壓頭固定塊上方設有上絕緣墊片，所述的下成形壓頭通過下成形壓頭固定塊固定在六軸機器人加工系統頂部，并在下成形壓頭固定塊下方設有下絕緣墊片，所述的大載流導線固定于上成形壓頭固定塊和下成形壓頭固定塊，從而連接上成形壓頭和下成形壓頭，使電流回路在高能脈沖電源、上成形壓頭、下成形壓頭和板料之間，并通過上絕緣墊片和下絕緣墊片使電流回路與其它部分可靠絕緣。
6.根據權利要求1所述的一種板材電致塑性漸進成形裝置，其特征在于，所述的紅外線測溫儀實時記錄成形板料的溫度，通過調整壓縮空氣冷卻系統輸出的壓縮空氣的流動速度來調整板料的成形溫度。
7.根據權利要求1所述的一種板材電致塑性漸進成形裝置，其特征在于，所述的壓縮空氣冷卻系統輸出的壓縮空氣的流動方向與板料成45士3°。
8.一種根據上述任一權利要求所述裝置的電致塑性雙壓頭漸進成形方法，其特征在于，包括以下步驟(1)五軸數控成形機床主軸的末端安裝上成形壓頭，六軸并聯機器人加工系統頂部加裝下成形壓頭，采用編程軟件將三維造型軟件建立的模型沿加工路徑方向離散，并生成各等高線層面上的加工軌跡；(2)大載流導線設置于上成形壓頭固定塊、下成形壓頭固定塊上，使高能脈沖電源、上成形壓頭、下成形壓頭和板料構成電流回路，將絕緣墊片置于上成形壓頭固定塊、下成形壓頭固定塊的表面以及壓邊圈與空心支撐臺之間確保電流回路與其它部分可靠絕緣，設置好高能脈沖電源的脈沖頻率、占空比；(3)用壓邊圈壓住板料四周，調整板料成形夾具的位置，使之處于上成形壓頭與下成形壓頭之間；(4)將上、下各等高線層面上的加工軌跡分別輸入到五軸數控成形機床和六軸機器人加工系統中，并對準上成形壓頭和下成形壓頭，使其加工坐標相一致，其中下加工軌跡向上增加板料厚度10%的偏移量，保證在成形過程中上成形壓頭、下成形壓頭始終都與板料充分接觸，保證電流回路閉合；(5)啟動五軸數控成形機床和六軸機器人加工系統，即時調整上成形壓頭、下成形壓頭沿著生成的加工軌跡到達相應的位置以保持緊密相鄰的狀態，打開高能脈沖電源，設置預定的電流和電壓，打開紅外線測溫儀開關和壓縮空氣冷卻系統閥門，通過空氣的流動速度來控制成形溫度，完成電致塑性漸進成形。
全文摘要
本發明涉及一種板材電致塑性漸進成形裝置及其成形方法，包括五軸數控成形機床、六軸并聯機器人加工系統、板料成形夾具、高能脈沖電源、紅外線測溫儀、機床內置的壓縮空氣冷卻系統，其中所述的五軸數控成形機床的主軸末端安裝上成形壓頭，所述的六軸機器人加工系統設置于機床工作臺面上，其頂部設有下成形壓頭，所述的板料成形夾具固定于機床工作臺上，所述的高能脈沖電源的正負極分別通過大載流導線連接上成形壓頭和下成形壓頭，使高能脈沖電源、上成形壓頭、下成形壓頭和板料構成電流回路，所述的紅外線測溫儀的攝像頭對準板料的中心區域，所述的壓縮空氣冷卻系統對準板料的成形區。與現有技術相比，本發明具有高效節能、加工精度高、表面質量好等優點。
文檔編號B21D31/00GK102527830SQ20121002906
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月9日 優先權日2012年2月9日
發明者徐棟愷, 曹簡, 李細鋒, 陸彬, 陳軍 申請人:上海交通大學