液压支撑及辅助加热的板料渐进成形装置及其成形方法

摘要

本发明公开了一种液压支撑及辅助加热的板料渐进成形装置，包括：一上部开口的容器，其中能够盛放液体；一板料成形夹具，固定设置于容器开口边缘，用于夹持需要成形的板料；一压力控制系统，用于将液体导入容器中，并控制容器中液体的设定压力值；一温度控制电路，用于控制容器中液体在设定温度值。本发明同时还公开了利用该装置的成形方法。该装置及其成形方法用具有一定压力的液体代替支撑模型，能够实现金属板料的无模渐进成形，可大幅改善普通渐进成形过程中所出现的板料变形不均的问题，且较好的控制塑料板料成形过程中的温度，从而可简化整个工艺过程，提高板料的成形性能，提高制品的成形质量。

说明书

技术领域

本发明涉及板料渐进成形加工技术，尤其是一种液压支撑及辅助加热的板料渐进成形 装置及其成形方法。

背景技术

金属板料数控渐进成形技术采用快速原型制造技术“分层制造”的思想，以CAD模型 驱动，采用现有的通用CAM技术和装备，即可加工任意形状的金属板材零件，非常适合加 工单件或小批量的薄壳类产品。

完全无模无支撑的渐进成形，即负成形，板料底部无任何支撑，但只能用来成形形状 比较简单且精度较低的零件。若需成形形状较复杂且精度较高的零件，需在板料底部添加 支撑模型，即正成形。正成形方式所用的支撑模型，其轮廓状与所成形的零件的形状一致 或接近。虽然支撑模型跟传统冲压模具相比，结构更简单，但若采用支撑模型进行渐进成 形，依然要经历模型的设计和制造过程，无法实现真正的无模制造。

有文献报道，渐进成形过程中，当金属板料的温度升高时，可以在一定程度上降低板 料的变形抗力，降低制品的残余应力，提高板料的成形性能。目前所报道的板料加热方式 主要有激光加热、电阻加热和红外灯加热。但是激光加热效率低且设备复杂昂贵，而电阻 加热和红外灯加热则存在加热不均，板料温度不易控制等问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种液压支撑及辅助加热的板料渐 进成形装置及其成形方法，该装置及其成形方法用具有一定压力的液体代替支撑模型，能 够实现金属板料的无模渐进成形，可大幅改善普通渐进成形过程中所出现的板料变形不均 的问题，且较好的控制塑料板料成形过程中的温度，从而可简化整个工艺过程，提高板料 的成形性能，提高制品的成形质量。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种液压支撑及辅助加热的板料渐进成形装置，包括：

一上部开口的容器，其中能够盛放液体；

一板料成形夹具，固定设置于容器开口边缘，用于夹持需要成形的板料；

一压力控制系统，用于将液体导入容器中，并控制容器中液体的设定压力值；

一温度控制电路，用于控制容器中液体在设定温度值。

进一步的，还包括一通过管路与容器内部液体相通的溢流阀，溢流阀用来控制容器中 液体的流泄，保持容器内的压力恒定，溢流阀的出口连通至液压箱。

所述容器为上部开口的密封箱体。

所述板料成形夹具包括上下配合使用的上板料成形夹具和下板料成形夹具，上、下板 料成形夹具之间咬合用于固定夹持需要成形的板料边缘。

所述下板料成形夹具与容器开口边缘接触处通过密封件密封，防止液体泄漏。

所述压力控制系统，包括：

液压箱，用于盛放液体；

液压泵，用于抽取液压箱中的液体；

电磁换向阀，通过管道连通液压泵和容器，用于将液压箱的液体导入容器或回流至液 压箱中；

单向阀和压力表，分别串联于电磁换向阀与容器连通的管道上，压力表的数值变化超 过设定范围能够使电磁换向阀换位。

所述电磁换向阀为两位三通电磁换向阀；所述液压箱为油箱。

所述温度控制电路，包括：

由依次串联的电源、温度控制器、开关和加热电阻组成导电回路；加热电阻设置于容 器内的液体中，电源、温度控制器和开关均设置于容器外。

一种液压支撑及辅助加热的板料渐进成形方法，包括：

1)准备工作，建立三维CAD模型，并利用其CAM功能将CAD模型沿加工路径方向离散， 生成加工轨迹文件；

将板料下料，使板料的几何中心与成形夹具的几何中心重合，压住板料四周装夹；

2)设定温度和压力参数，设定压力表的上限和下限，设定溢流阀的溢流压力，用温度 控制器设定加热电阻温度的上限值和下限值；

3)接通液压回路，使液压回路内的压力达到预定值；初始加工时，回路内液压力低于 压力表下限值，电磁换向阀通电换位，液压泵向液压回路泵油，使箱体内液面升高至储满； 继续泵油，回路内压力迅速升高，至压力表上限值时，电磁换向阀断电换位，液压泵所泵 出的油不再送入液压回路，直接泄入油箱；

4)接通温度控制电路，使箱体内的液体温度达到预定值；接通电源后，若箱体内液体 温度低于温度控制器所设定的温度下限值，则通过加热电阻为液体加热，待其温度升高至 温度控制器所设定的上限值时，由温度控制器自动断开电路，加热电阻停止加热；

5)加工工具在机床的控制下进行逐点渐进成形；成形工具按照步骤1)生成的加工轨 迹数据，进行逐点渐进成形；

加工过程中，由温度控制电路控制成形过程中液体温度，若液体温度降到温度下限值 以下，则温度控制器自动重新接通回路，进行电阻加热；若温度升高至温度上限值，温度 控制器自动断开电路，停止加热；

加工过程中，由压力控制系统控制成形过程中箱体内的压力，由于板料变形导致箱体 可储存液体的空间变小，液体压力急剧增加，若液体压力高于溢流阀所设定的压力值，则 箱体内的液体通过溢流阀泄流；即液体压力保持在不高于液流阀所设定的压力值内；

若加工过程中液体压力降低，低于压力表规定的下限值，则通过电磁换向阀换位，使 液压泵重新接通液压回路，补充液体达到设定压力值；

6)成形完成后，用手动开关断开温度控制电路，关闭液压泵停止液体输送。

所述步骤1)中的板料采用厚度为1.5mm的镁合金AZ31板，板料下料成230×230mm， 成形夹具压住板料四周15mm装夹。

所述步骤2)中温度和压力参数具体设定为，设定压力表的上限和下限分别为2.6Mpa 和2.5Mpa，设定溢流阀的溢流压力为2.7Mpa；温度控制器设定加热电阻温度的上限值和下 限值分别为190℃和180℃。

本发明中，板料成形夹具包括上下配合使用的上板料成形夹具和下板料成形夹具均为 现有装置，温度控制器也是现有的设备，市场中可以购买到，在此不再赘述。

本发明的板料成形夹具固定于箱体，且添加密封零件，防止液体泄漏；箱体内的液体 需根据具体成形需要保持设定的压力和温度；压力控制系统用来设定并保证箱体内的液压 力；温度控制电路用来设定并保证箱体内液体的温度。

压力控制系统包括压力表、电磁换向阀、液压泵、油箱、单向阀和溢流阀；压力表用 来设定的箱体内液体的压力，并控制电磁换向阀的换位，进而控制液压泵所泵出的液体的 流向；液压泵用来补充液压回路损失的液体，补充和保证箱体内的液体压力；单向阀用来 防止箱体内的液体倒流，保护液压泵；溢流阀用来控制稳定液体的流泄，以保持液压回路 内的压力恒定。

温度控制电路主要包括加热电阻和温度控制器；加热电阻用来加热箱体内的液体，使 其温度升高；温度控制器用来设定箱体内液体的温度，并控制液体温度不超过设定值。

本发明的有益效果是：

现有技术成形形状较复杂的零件时，需先加工支撑模，现有的技术对于板料的加热不 均匀；本发明采用液压支撑及辅助加热板料，用具有一定压力的液体代替支撑模型，同时 保证板料各处的支撑压力相同，且处于合理的温度范围内。改善了无支撑模成形时精度不 够的问题，又省略了支撑模渐进成形时制造支撑模的过程，可实现无模渐进成形复杂零件。 能够实现金属板料的无模渐进成形，可大幅改善普通渐进成形过程中所出现的板料变形不 均的问题，且较好的控制塑料板料成形过程中的温度。本发明采用液体作为导热介质，利 用液体热惯性好且温度分布均匀的特点，解决了现有温热渐进成形中所出现的加热不均， 温度难以保持的问题，从而可简化整个工艺过程，提高室温下难加工板料的成形性能，提 高制品的成形质量。本发明对于提高材料成型极限，实现小到中批量的复杂形状产品的渐 进成形加工尤有意义。

附图说明

图1为液压支撑及辅助加热的板料渐进成形装置的示意图。

图中标号名称：1油箱，2液压泵，3两位三通电磁换向阀，4单向阀，5压力表，6板 料成形夹具(下)，7板料(变形后)，8板料成形夹具(上)，9成形工具，10板料(未变 形)，11密封元件，12加热电阻，13开关，14温度控制器，15交流电源，16液体，17箱 体，18溢流阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如附图1所示，液压支撑及辅助加热的板料渐进成形装置中：

板料成形夹具(下)6和板料成形夹具(上)8配合固定于箱体17开口边缘处，上、 下板料成形夹具之间咬合用于固定夹持需要成形的板料(未变形)10边缘，下板料成形夹 具与容器开口边缘接触处通过密封元件11密封，防止液体泄漏。箱体17内的液体(液压 油)需根据具体成形需要保持在设定的压力和温度范围内，由各液压元件组成压力控制系 统，保证箱体17内的液压力，通过温度控制电路，改变箱体17内的油温，进而控制板料 的变形温度。

压力控制系统包括压力表5、两位三通电磁换向阀3、液压泵2、油箱1、单向阀4和 溢流阀18；压力表5用来设定的箱体17内液体的压力，并控制电磁换向阀3的换位，进而 控制液压泵2所泵出的液体的流向；液压泵2用来补充液压回路损失的液体，补充和保证 箱体17内的液体压力；单向阀4用来防止箱体17内的液体倒流，保护液压泵2；溢流阀 18用来控制稳定液体的流泄，以保持液压回路内的压力恒定。

压力控制系统中:通过设定压力表5的上限值和下限值来控制两位三通电磁换向阀3的 换位，当油路压力低于压力表5的下限值时，两位三通电磁换向阀3通电，左位接入回路， 液压泵2所泵出液压油流入箱体17，以补充箱体17内的液体和保持液压力。当油路压力高 于压力表5的上限值时，电磁换向阀3断电，右位接入回路，液压泵2所泵出液压油流回 油箱1。

两位三通电磁换向阀3，通过管道连通液压泵2和箱体17，两位三通电磁换向阀3用 于将油箱1中的液体导入容器或回流至油箱1中。

工作过程中，由于箱体17内的压力较高，为了防止箱体17内的液体流出，在管路上 添加单向阀4来保护液压泵2。渐进成形过程中，由于板料变形导致箱体17可储存液体的 空间变小，液体压力急剧增加，为了加工安全，在油路上添加溢流阀18来控制箱体内稳定 泄油，以保持箱体内的压力恒定，溢流阀18的出口连通至油箱1。

温度控制电路由依次串联的交流电源15、温度控制器14、开关13和加热电阻12组成 导电回路；加热电阻12设置于箱体17内的液体中，用来加热箱体17内的液体，使其温度 升高；交流电源15、温度控制器14和开关13均设置于容器外。温度控制器14用来设定箱 体17内液体的温度，并控制液体温度不超过设定值。交流电源15也可以采用直流电源代 替。

温度控制电路中：设定温度控制器14的上限值和下限值，用串联加热电阻12对箱体 17内液压油进行加热，接交流电源15，通过开关13可手动闭合和断开温度控制电路。

液压支撑及辅助加热的板料渐进成形过程如下：

(1)准备工作。建立三维CAD模型，并利用其CAM功能将CAD模型沿加工路径方向离 散，生成加工轨迹文件。采用厚度为1.5mm的镁合金AZ31板，将板料下料成230×230mm， 使板料(未变形)10的几何中心与成形夹具的几何中心重合，压住板料四周15mm装夹。

(2)设定温度和压力参数。设定压力表的上限和下限分别为2.6Mpa和2.5Mpa，设定 溢流阀的溢流压力为2.7Mpa。用温度控制器设定电阻温度的上限值和下限值分别为190℃ 和180℃。

(3)接通液压回路，使液压回路内的压力达到预定值。初始加工时，回路内液压力低 于压力表下限值2.5Mpa，电磁换向阀通电换位，液压泵向液压回路泵油，使箱体内液面升 高至储满。继续泵油，回路内压力迅速升高，至压力表上限值2.6Mpa时，电磁换向阀断电 换位，液压泵所泵出的油不再送入液压回路，直接泄入油箱。

(4)接通温度控制电路，使箱体内的液体温度达到预定值。接通电源后，若箱体内液 体温度低于温度控制器所设定的温度下限值180℃，则通过加热电阻为液体加热，待其温度 升高至温度控制器所设定的上限值190℃时，由温度继电器自动断开电路，加热电阻停止加 热。

(5)加工工具在机床的控制下进行逐点渐进成形。成形工具9按照步骤(1)生成的 加工轨迹数据，进行逐点渐进成形。加工过程中，若液体温度降到180℃以下，则温度继电 器自动重新接通回路，进行电阻加热；若温度升高至190℃，温度继电器自动断开电路，停 止加热。加工过程中，由于板料7变形导致箱体可储存液体的空间变小，液体压力急剧增 加，若液体压力高于溢流阀所设定的压力2.7Mpa，则箱体内的液体通过溢流阀泄流。若加 工过程中液体压力降低，低于压力表规定的下限值2.5Mpa，则可通过电磁换向阀换位，使 液压泵重新接通液压回路，补充液体压力。

(6)成形完成后，可用手动开关断开温度控制电路，关闭液压泵停止液体输送。

现有技术成形形状较复杂的零件时，需先加工支撑模，现有的技术对于板料的加热不 均匀；本发明采用液压支撑及辅助加热板料，用具有一定压力的液体代替支撑模型，同时 保证板料各处的支撑压力相同，且处于合理的温度范围内。改善了无支撑模成形时精度不 够的问题，又省略了支撑模渐进成形时制造支撑模的过程，可实现无模渐进成形复杂零件。 能够实现金属板料的无模渐进成形，可大幅改善普通渐进成形过程中所出现的板料变形不 均的问题，且较好的控制塑料板料成形过程中的温度。本发明采用液体作为导热介质，利 用液体热惯性好且温度分布均匀的特点，解决了现有温热渐进成形中所出现的加热不均， 温度难以保持的问题，从而可简化整个工艺过程，提高室温下难加工板料的成形性能，提 高制品的成形质量。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的 限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需 要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。