压缸式板材拉伸装置及其成形方法与流程

本发明属于机械工程领域，尤其涉及用于三维曲面工件塑性成形的装置及成形方法。

背景技术：

目前，一部分三维板材件可以通过拉伸成形实现，其中大部分飞机蒙皮件都需要拉伸成形来完成。拉伸成形主要依靠拉形设备，目前我国飞机制造公司的多数拉形机是进口设备，不但价格不菲，而且大型或超大型拉形机无法引进，因而大型三维板材件的拉伸成形受到制约。近些年来国内部分研究机构在拉形设备方面进行了相关研究，但是并没有取得突破性进展。因而发明一种技术可靠、价格低廉的拉形设备将有利于拉形成形在相关领域的快速发展。

中国专利“一种大型薄壁件的拉形和电磁复合渐进成形方法及装置”公开号为104785621A，公开了一种大型薄壁件的拉形和电磁复合渐进成形方法及装置，该方法将驱动板置于待变形板料上方，用压板和托板夹持住驱动板和待变形板料，通过升降油缸带动托板移动使得驱动板和待变形板料初步拉弯和绷紧，实现拉形过程，调整电磁线圈的位置，使其正对待变形驱动板进行放电，线圈绕凸模轴线在驱动板的表面旋转一周，实现同一高度下待变形板料与凸模贴合，随后油缸再次下降并将板料拉弯，线圈放电使待变形板料再次变形并与凸模贴合，依次类推，实现板料的拉形-放电-再拉形-再放电的交替成形过程，直到板料变形结束。本发明可改善材料流动的均匀性，降低板料的减薄率，实现大型难变形材料的柔性加工和精确塑性制造。

中国专利“一种基于模具型面延伸的纵向拉形加载轨迹设计方法”公开号为104391482A，公开了一种基于模具型面延伸的纵向拉形加载轨迹设计方法。其步骤为，步骤一：模具型面延伸，在成形过程中，毛料在夹钳的作用下，包覆模具型面，使材料成形具有零件曲面的形状；步骤二：钳口位置和空间姿态计算，通过模具型面延伸得到毛料在成形过程中最终的包覆情况，将延伸曲面两端的曲线分别进行处理；(1)钳口曲线离散(2)计算夹钳平面(3)计算曲钳口角度；步骤三：拉形设备运动求解，拉形中间步的加载轨迹设计，可以通过最终的设备参数进行推算；(1)夹钳俯仰角度计算(2)拉伸作动筒伸长计算。本发明为蒙皮纵向拉形的轨迹设计和轨迹优化提供指导作用。但是本发明未涉及相关的机械结构。

中国专利“四自由度混联式多头柔性拉形机”公开号为104174733A，公开了一种四自由度混联式多头柔性拉形机，由底座、左牵引装置、右牵引装置、左夹板机构、右夹板机构组成。左牵引装置、右牵引装置的底部固定在底座上，分别用于支撑左夹板机构和右夹板机构，左牵引装置与右牵引装置的结构完全相同，均为{4RPU-UPR}结构的四自由度混联机构。用于夹持与固定板料的左夹板机构、右夹板机构的结构也完全相同。与现有技术相比，本发明的牵引装置采用四自由度混联机构和分层次调节及拉形作业方式，使拉形件上各位置点易于实现柔性变形，减少工艺余量，提高成形质量和材料的利用率。本发明不仅运动自由度多、所需液压缸的数量少，还具有柔性度高、控制简单、设备制造成本低等优点。但是该发明的液压缸数量大，同时其采用了液压缸有杆腔作业，出力大，耗能高，效率低。

中国专利“高柔性多头拉形机”公开号为101690960A，公开了一种高柔性多头拉形机，该机主要由机架、拉料机构、夹料机构和万向机构组成，机架的两侧分别排列着一排多个拉料机构、夹料机构和万向机构；所述拉料机构分别由三个液压缸组成，其中一个液压缸水平布置，另一个液压缸竖直布置，第三个液压缸倾斜布置；所述三个液压缸(2)一端分别与机架铰接，另一端分别通过液压缸联接体共同与万向机构和夹料机构联接。该发明每一个拉伸单元采用了3个拉缸构成，会存在过约束的问题，同时每一个单元多一个液压缸，从而制造成本和对液压系统的响应要求较高，更重要的是该发明采用了拉缸的作用，在同样出力前提下，该发明耗能明显要大。

中国发明专利“板材拉形机”公开号为101559442，该发明公开了一种用于板类件三维曲面成形的塑性加工设备，该机主要由机架和左右两侧夹持机构、下压机构组成，所述的机架支撑左、右两侧的夹持机构和下压机构。所述的夹持机构分为上、下部分，各个部分均由多个夹持装置排列成一排，所述的下压机构由多个下压装置排列成一排或多排。该发明虽然采用了压缸出力的方式，但是，压缸的出力只能是向下，不能控制液压缸调整方向，使板材变形不均匀。

技术实现要素：

本发明提供一种压缸式板材拉伸装置及其成形方法，目的在于简化成形机构、降低设备制造成本、提高拉形机的出力水平。

本发明采取的技术方案是：压缸式板材拉伸装置，该装置双侧对称布置，其中一侧包括至少一个机械臂组件、一套模具、以及固定底座，所述的机械臂组件包含双侧支撑板、转轴、主压力液压缸、方向控制液压缸以及夹紧器，所述的双侧支撑板装配在固定底座上；主压力液压缸的缸筒外侧安装有转轴，主压力液压缸的活塞杆端部装配关节轴承杆；方向控制液压缸的缸筒端部带有铰接孔，方向控制液压缸的活塞杆端部有关节轴承杆；夹紧器由夹紧液压缸、滑块、上销轴、侧销轴以及本体构成，其特征在于：所述的主压力液压缸通过转轴与双侧支撑板相连，关节轴承杆与夹紧器的上销轴连接；方向控制液压缸的缸筒端部铰接孔与转轴相连接，转轴与双侧支撑板连接，关节轴承杆与夹紧器的侧销轴连接。

所述的方向控制液压缸用于控制主压力液压缸的摆动。

所述的夹紧器的夹紧液压缸固定在本体上，并与滑块连接，夹紧液压缸推动滑块用于夹持板材。

所述的夹紧器可以周向摆动。

使用所述压缸式板材拉伸装置的成形方法，包括下列步骤：

(1)夹紧器调平，加装板材

活塞杆收缩将夹紧器夹口最低点调整到和模具型面最高点等高的位置，同时用方向控制液压缸调整主压力液压缸处于垂直位置，此时加装板材，推动夹紧器的液压缸通过滑块压紧板材并锁死，准备拉伸成形；

(2)预拉伸

活塞杆收缩，使主压力液压缸偏离垂直位置，同时给主压力液压缸加力，促使板材产生塑形变形；

(3)曲面成形

进一步增大主压力液压缸的压力，同时通过方向控制液压缸控制主压力液压缸的压力和位移方向，促使板材逐渐的靠近模具表面，且使板材的边缘轮廓逐渐形成与模具边缘轮廓一致的形状；

(3)保压

锁住各个液压缸，保持30多秒；同时测量板材表面的贴膜尺寸；

(4)卸载

当贴膜尺寸达到要求，使液压缸卸载压力，板材夹紧边松弛，取下成形件。

所述的拉伸的板材的厚度为1-10mm，板材曲面包含了凹、凸形状。

所述的板材包含了钢板、铝、镁、铜及其相关的金属材料。

本发明采用了液压缸无杆腔出力大的特点，同时该力的方向可以通过控制液压缸实现控制，进而实现板材在不同阶段都以拉、压多种变形的组合方式，从而促进了板材的局部均匀变形。

本发明优点是结构新颖，借鉴了离散柔性成形技术的特点，采用了压缸调整板材断面的轮廓形状，可以用较小液压缸代替较大直径的拉缸，较用液压拉缸成形力提高40％以上，节约了制造成本，实现板材拉伸的低成本成形。

附图说明

图1是采用单侧一组机械臂组件对称布置的板材拉伸装置结构示意图；

图2是主压力液压缸的结构示意图；

图3是方向控制液压缸的结构示意图；

图4是夹紧器结构示意图；

图5是采用单侧五组机械臂组件对称布置的板材拉伸装置结构示意图；

图6是板材夹紧器水平调平后预装载板材示意图；

图7是板材预拉伸过程示意图；

图8是板材逐渐靠模曲面成形过程示意图；

图9是板材成形保压和卸载的示意图；

图中：1.机械臂组件 2.模具 3.固定底座 11.双侧支撑板 12.转轴 13.主压力液压缸 14.方向控制液压缸 15.夹紧器 16.板材 131.缸筒 132.转轴 133.活塞杆 134.关节轴承杆 141.缸筒 142.铰接孔 143.活塞杆 144.关节轴承杆 151.夹紧液压缸 152.滑块 153.上销轴 154.侧销轴 155.本体。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容及其工作过程。

如图1以及图5所示，一种压缸式板材拉伸装置，该装置双侧对称布置，其中一侧包括至少一个机械臂组件1、一套模具2、以及固定底座3，所述的机械臂组件1包含了双侧支撑板11、转轴12、主压力液压缸13、方向控制液压缸14以及夹紧器15，所述的双侧支撑板11装配在固定底座3上；主压力液压缸13的缸筒131外侧安装有转轴132，主压力液压缸13的活塞杆133端部装配关节轴承杆134；方向控制液压缸14的缸筒141端部带有铰接孔142，方向控制液压缸14的活塞杆143端部有关节轴承杆144，夹紧器15由夹紧液压缸151、滑块152、上销轴153、侧销轴154以及本体155构成，所述的主压力液压缸13通过转轴132与双侧支撑板11相连，关节轴承杆134与夹紧器15的上销轴153连接；方向控制液压缸14的缸筒141端部铰接孔142与转轴12相连接，转轴12与双侧支撑板11连接，关节轴承杆144与夹紧器15的侧销轴154连接。

所述的方向控制液压缸14用于控制主压力液压缸13的摆动。

所述的夹紧器15的夹紧液压缸151固定在本体155上，并与滑块152连接，夹紧液压缸151推动滑块152用于夹持板材16。

所述的夹紧器15可以周向摆动。

使用压缸式板材拉伸装置的成形方法，包括下列步骤：

(1)夹紧器15调平，加装板材16：

活塞杆133收缩将夹紧器15夹口最低点调整到和模具2型面最高点等高的位置，同时用方向控制液压缸14调整主压力液压缸13处于垂直位置，此时加装板材16，推动夹紧器15的液压缸151通过滑块152压紧板材16并锁死，准备拉伸成形；

(2)预拉伸：

活塞杆143收缩，使主压力液压缸13偏离垂直位置，同时给主压力液压缸13加力，促使板材16产生塑形变形；

(3)曲面成形：进一步增大主压力液压缸13的压力，同时通过方向控制液压缸14控制主压力液压缸13的压力和位移方向，促使板材16逐渐的靠近模具2表面，且使板材16的边缘轮廓逐渐形成与模具边缘轮廓一致的形状；

(4)保压：锁住各个液压缸，保持30多秒；同时测量板材表面的贴膜尺寸；

(5)卸载：当贴膜尺寸达到要求，使液压缸151卸载压力，板材夹紧边松弛，取下成形件。

所述的拉伸的板材16的厚度为1-10mm，板材16曲面包含了凹、凸形状。

所述的板材16包含了钢板、铝、镁、铜及其相关的金属材料。

参考图1和图5的成形过程中，主压力液压缸13输出压力，方向控制液压缸14控制主压力液压缸13的摆动，也就是主压力液压缸13的压力输出方向；主压力液压缸13和方向控制液压缸14共同促使夹紧器15以不同姿态夹持板材16并促使板材16发生变形。

参考图2所示：压缸式板材拉伸装置的主压力液压缸13由缸筒131、活塞杆133、转轴132以及关节轴承杆134构成，成形过程中，主压力液压缸13绕转轴132旋转。

参考图3所示：压缸式板材拉伸装置的方向控制液压缸14由缸筒141、活塞杆143以及关节轴承杆144构成，成形过程中，端部铰孔142绕转轴12转动，活塞杆143可以伸缩。

参考图4所示：压缸式板材拉伸装置的夹紧器15由夹紧液压缸151、滑块152、上销轴153、侧销轴154以及本体155构成，成形过程中，上销轴153与主力液压缸13连接，侧销轴154与方向控制液压缸14相连接，夹紧器15的位移大小主要是通过主力液压缸13驱动，其位移方向主要是通过方向控制液压缸14控制。

图5是采用单侧五组机械臂组件对称布置的板材拉伸装置。

参考图6至图9所示：成形过程中，夹紧器调平，加装板材：通过调整主力液压缸和方向控制液压缸实现夹紧器的夹口最低点与模具最高点持平或稍高，此时，添加板材后，通过夹紧液压缸151推动滑块152夹紧板材；预拉伸阶段，活塞杆143收缩，使主压力液压缸13偏离垂直位置，同时给主压力液压缸13加力，促使板材16产生塑形变形；曲面成形阶段：进一步增大主压力液压缸13的压力，同时通过方向控制液压缸14控制主压力液压缸13的压力和位移方向，促使板材16逐渐的靠近模具2表面，且使板材16的边缘轮廓逐渐形成与模具边缘轮廓一致的形状；保压和卸载阶段：锁住各个液压缸，保持30多秒；同时测量板材表面的贴膜尺寸，当贴模尺寸达到要求时，使液压缸151卸载压力，板材夹紧边松弛，取下成形件。

以上结合具体实施方式对本发明进行了详细描述，压缸式板材拉伸装置只需要增大主压力液压缸的输出压力就可以达到板材的塑性变形力，而方向控制液压缸主要是控制主压力液压缸的输出力的方向，比采用相同直径的拉缸输出的成形力大40％以上，同时夹紧器与主压力液压缸和方向控制液压缸通过关节轴承相连接，夹紧器不仅可以单独运动，而且可以实现自由摆头，更加有利于板材的曲面件拉伸成形。

很明显，以上描述以及附图中所示的内容均应被理解为是示例性的，而非意味着对本发明的限制。对于本领域的技术人员来讲，显然可以在本发明的基础上对其进行各种变形或修改。尽管说明书中分别给出了一组和五组的示范性例子，但如前所述，本领域的技术人员可以根据实际需要自由选择更少或更多的组数进行布置，等等。显然，这些变形或修改均应包含在本发明的范围内。