一种基于辅助加热的工件渐进成形弯曲设备

1.本实用新型涉及工件成型技术领域，特别涉及一种基于辅助加热的工件渐进成形弯曲设备。


背景技术：

2.目前，针对工件的曲面成形加工，主要有冷成形工艺和热成形工艺。冷成形工艺主要有辊弯法、机械冲压法以及无模成形法。热成形工艺主要有水火弯板法。
3.对于恒定曲率单向板加工通常采用辊弯法，此方法在加工过程存在较大回弹，且无法加工3d复杂自由曲面。对于3d复杂自由曲面零件通常采用机械冲压法，此方法由于冲头和模具形状的限制，此方法不能加工大曲率的曲面，同时加工过程对工人操作经验依赖程度高。无模成形法，例如工件多点成形加工工艺，此方法由于其成形装置需要在工具头和支撑台模拟出传统的模具上下模的形状再进行冲压，因此成形装置结构比较复杂，生产制作成本也比较高，无法适用于大尺寸、多批量的复杂工件成形加工，适用范围窄。冷成形工艺存在成形力大、回弹大并且加工工件表面质量等缺点。
4.水火弯板工艺是利用金属工件局部受高温冷却后产生塑性收缩变形的原理加工所需要的曲面，在加工过程中，高温热源在金属表面沿加热线移动对工件局部加热，使在工件表面和板厚方向产生一定的温度分布，加热区间的局部金属受热膨胀，受到四周冷金属的阻碍，产生塑性变形。热源后面一定距离处为水跟踪冷却，受热膨胀的金属冷却变形，而影响曲板局部瞬态温度场和位移的因素比较多，所以要确定曲板的最终局部变形十分困难，目前主要依靠有经验的工人师傅手工完成。此外，该加工工艺劳动环境恶劣，且金属工件一次成形率较低，难以实现精度控制。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种基于辅助加热的工件渐进成形弯曲设备。
6.根据本实用新型的第一方面实施例，提供一种基于辅助加热的工件渐进成形弯曲设备，包括支撑单元、若干冲压单元以及加热单元，支撑单元形成有支撑区域，所述支撑区域用于放置支撑待加工工件，所述支撑区域包括长度方向和宽度方向，各所述冲压单元能够沿第一方向运动以对所述工件进行点加工，所述第一方向与所述支撑区域垂直设置，所述支撑单元和/或所述冲压单元能够沿所述长度方向和所述宽度方向运动以对所述工件进行面加工，加热单元用于对所述工件待加工部分进行局部加热，以改变所述工件待加工部分的塑性。
7.有益效果：此基于辅助加热的工件渐进成形弯曲设备，通过冲压单元按照预先定义的加载路径对待加工工件进行冲压，冲压单元施加的力使得工件受到超过其屈服强度的应力，导致工件产生塑性变形，但不会破坏工件或在工件表面形成凹痕，将工件逐步弯曲成各种复杂曲面形状，最终得到目标形状工件，并且通过加热单元对工件的待加工部分进行
局部加热，使得工件的塑性提高，同时能够减小工件成型过程中的回弹现象，从而提高了工件的成形性。
8.根据本实用新型第一方面实施例所述的基于辅助加热的工件渐进成形弯曲设备，所述加热单元为电磁加热单元，所述电磁加热单元包括加热器和感应加热线圈。
9.根据本实用新型第一方面实施例所述的基于辅助加热的工件渐进成形弯曲设备，所述加热线圈为点状结构或者条状结构。
10.根据本实用新型第一方面实施例所述的基于辅助加热的工件渐进成形弯曲设备，所述加热单元还包括温度控制系统，所述温度控制系统包括温控器和测温仪，所述测温仪用于测量所述工件温度，所述温控器用于接收所述测温仪信号并控制所述加热器输出功率。
11.根据本实用新型第一方面实施例所述的基于辅助加热的工件渐进成形弯曲设备，所述支撑单元为柔性支撑单元，所述柔性支撑单元包括多根支撑柱和固定结构，各所述支撑柱间隔排列形成所述支撑区域，各所述支撑柱可沿所述第一方向移动，各所述固定结构设置在所述支撑柱顶端，所述固定结构用于固定所述工件。
12.根据本实用新型第一方面实施例所述的基于辅助加热的工件渐进成形弯曲设备，各所述支撑柱包括支柱部和关节部，所述关节部底端和所述支柱部顶端通过球面轴承转动连接，所述支柱部可沿所述第一方向移动，所述关节部顶端安装所述固定结构。
13.根据本实用新型第一方面实施例所述的基于辅助加热的工件渐进成形弯曲设备，所述柔性支撑单元还包括连接梁，所述支撑柱设置在所述连接梁上，所述支撑柱通过直线驱动件驱动运动，所述支撑柱的底部设置有推力球轴承。
14.根据本实用新型第一方面实施例所述的基于辅助加热的工件渐进成形弯曲设备，各所述支撑柱沿所述宽度方向和所述长度方向均匀排布设置。
15.根据本实用新型第一方面实施例所述的基于辅助加热的工件渐进成形弯曲设备，所述基于辅助加热的工件渐进成形弯曲设备还包括机床单元，所述机床单元包括工作台和能够沿所述第一方向移动的连接柱，所述连接柱末端与所述冲压单元连接，所述支撑单元设置在所述工作台上，所述工作台能够沿所述长度方向和所述宽度方向移动。
16.根据本实用新型第一方面实施例所述的基于辅助加热的工件渐进成形弯曲设备，所述基于辅助加热的工件渐进成形弯曲设备还包括三维扫描系统，所述三维扫描系统包括投影组件和摄像组件，所述摄像组件设置在所述投影组件两侧，所述投影组件用于投射扫描光到所述工件上，所述摄像组件接收反射光。
附图说明
17.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步地说明；
18.图1为本实用新型实施例基于辅助加热的工件渐进成形弯曲设备结构示意图；
19.图2为图1的侧视图；
20.图3为图2的部分结构放大图；
21.图4为本实用新型实施例机床单元部分结构示意图。
具体实施方式
22.本部分将详细描述本实用新型的具体实施例，本实用新型之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本实用新型的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
23.在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
24.在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
25.本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
26.参照图1，一种基于辅助加热的工件渐进成形弯曲设备，包括支撑单元100、若干冲压单元200以及加热单元300。其中，支撑单元100形成有支撑区域，支撑区域用于放置支撑待加工工件，支撑区域包括长度方向和宽度方向，各冲压单元200能够沿第一方向运动以对工件进行点加工，第一方向与支撑区域垂直设置，支撑单元100和/或冲压单元200能够沿长度方向和宽度方向运动以对工件进行面加工，加热单元300用于对工件待加工部分进行局部加热，以改变工件待加工部分的塑性。
27.具体地，工件可以为金属板材弯曲成马鞍形板、帆板或者双向曲率板等。为了改进现有的金属板材在室温下成形回弹大和成形性低的问题，设置加热单元300进行局部加热，升高温度会使金属板材的塑性提高，同时能够减小金属板材成形过程中回弹的现象，从而提高了金属板材的成形性。
28.此基于辅助加热的工件渐进成形弯曲设备，通过冲压单元200进行一系列步进冲压完成。首先，将金属板材放置在支撑单元100的支撑区域上。然后，用冲压单元200按照预先定义的加载路径对金属板材进行冲压加工，使金属板材一步接一步地实现渐进弯曲，在每个冲压步中，冲压单元200施加的力使得工件受到超过其屈服强度的应力，导致金属板材产生塑性变形，但是不会破坏金属板材或者在金属板材的表面形成凹痕，将金属板材逐步弯曲成各种复杂曲面的形状，最终得到目标形状的工件。
29.参照图1，具体地，加热单元300为电磁加热单元。电磁加热单元包括加热器310和感应加热线圈320。本实施例中，根据金属板材的厚度，电磁加热单元采用高频电磁感应加热器。高频电磁感应加热器输入电压为380v，输出电流为33a，输出振荡功率为30kw，输出振荡频率为30-100khz。加热器310产生的交变电流通过感应加热线圈产生交变磁场，导磁性物体置于其中切割交变磁力线，从而在物体内部产生交变的涡流，涡流使物体内部的原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能，从而起到加热物品的效果。电磁加热单元解决了电热片，电热圈等电阻式通过热传导方式加热的效率低下问题。电磁加热单元可
以准确地控制金属板材的局部加热温度，能够更好地局部控制需要冲压部位的金属板材的温度。
30.容易理解地，感应加热线圈320为点状结构或者条状结构。进一步地，感应加热线圈320可以采用圆点状线圈结构。即感应加热线圈320的加热部分为条状或者圆点状，这样设置可以更好地发挥不同加热方式的效果。并且更重要的是，通过对感应加热线圈320的形状的设置，可以适合不同形状的目标成形板加热，大大提高了本设备的适用范围。
31.如图1，当然，容易理解地，感应加热线圈320可以通过机械臂夹持，机械臂可以带动感应加热线圈320移动至工件待加热部位进行加热，非常方便控制加热位置和加热温度。
32.参照图1，当然，加热单元300还包括温度控制系统330，温度控制系统330包括温控器331和测温仪332，测温仪332用于测量工件温度，温控器331用于接收测温仪信号并控制加热器输出功率。进一步地，温度控制系统330可以采用红外温度控制系统。红外温度控制系统主要包括红外温控器和光纤测温仪，红外温控器是闭环功率控制，光纤测温仪为完全同轴激光瞄准，测温范围为300-1000℃，重复精度为1℃。
33.参照图1，支撑单元100为柔性支撑单元，柔性支撑单元包括多根支撑柱110和固定结构120，各支撑柱110间隔排列形成支撑区域，各支撑柱110可沿第一方向移动，各固定结构120设置在支撑柱110顶端，固定结构120用于固定工件。
34.容易理解地，各支撑柱110沿宽度方向和长度方向均匀排布设置。支撑柱110沿着支撑区域的长度方向和宽度方向阵列均匀排布设置，这样可以方便调节各支撑柱110的设置，同时也可以使得金属板材的支撑力更加均匀，使得弯曲成形的效果更加好。
35.在一个具体实施例中，支撑柱110的数量为12根，支撑柱110阵列设置在，支撑柱110的排列方式为4
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3，其中x轴指长度方向，y轴指宽度方向。支撑柱110的数量和排列也可以根据不同的情况进行调整，相邻的支撑柱110沿x轴或者y轴的中心距离均为120mm，每根支撑柱110的沿着z轴的垂直行程均为90mm。
36.固定结构120可以采用磁铁、电磁铁或者螺栓、螺钉等紧固件。固定结构120设置在支撑柱110的顶部，固定结构120的形状可以根据加工的需要设置。当金属板材能够被磁铁吸附的时候，采用电磁或者电磁铁，方便安装和拆卸。当金属板材不能被磁铁吸附，采用螺栓或者螺钉等紧固件。在本实施例中，固定结构120为圆形的电磁块，在成形的过程中，可以用电磁块对金属板材进行吸附固定。
37.如图3，其中，各支撑柱110包括支柱部111和关节部112，关节部112底端和支柱部111顶端通过球面轴承113转动连接，支柱部111可沿第一方向移动，关节部112顶端安装固定结构120。在本实施例中，电磁块放置在关节部112上，关节部112可以围绕球面轴承113的关节中心进行旋转，从而可以保证金属板材与电磁块表面在成形过程中始终接触。
38.参照图2和图3，柔性支撑单元100还包括连接梁，支撑柱110设置在连接梁上，支撑柱110通过直线驱动件130驱动运动，支撑柱110的底部设置有推力球轴承。具体地，柔性支撑单元100包括相对设置的支撑块，支撑块上设置有多个沿着支撑块长度方向设置的安装孔，连接梁的两端分别与支撑块上的安装孔对应安装。连接梁上面安装有多个并排设置的支撑柱110。其中，直线驱动件130为电机，电机可以驱动支撑柱110升降运动。在整个成形的过程中，根据成形的金属板材的形状单独调整每个支撑柱110的高度，以确保所有的支撑柱110都能够灵活地接触和夹紧金属板材。
39.可以理解地，考虑冲压单元的冲头在成形的过程中会对金属板材形成冲压例，为了保护电机，在支撑柱110的底部设置有推力球轴承。推力球轴承可以防止冲压单元的冲头的垂直冲压力直接传递给电机。通过在每个支撑柱110底部设置推力球轴承，可以传递冲压力到连接梁上，然后传递给位于两侧的支撑块，最后到工作台上。
40.柔性支撑单元在渐进弯曲成形工艺中起着关键作用。柔性支撑单元通过离散的矩阵布置的支撑柱110和高度可调的支撑柱110，可以在成形过程中为工件提供灵活的多功能支撑。
41.在本实施例中，柔性支撑单元的主要支撑动作有以下几种情况：
42.冲压单元200的冲头下压的时候，通过给定位移和速度大小确定冲压单元200的冲头移动距离。在整个过程中，旁边两组底部支撑柱110固定保持不动，而中间两组支撑柱110随着金属板材的变形而缓慢向下移动。
43.冲压单元200和支撑单元100同时运动。冲压单元200的冲头下压的过程中，两边的支撑柱110同时向上运动，给定位移和相对速度大小，而中间两组支撑柱110随着金属板材向下运动。
44.支撑柱110的相对位置提前调整好，并且支撑柱110保持固定不动，然后冲压单元200的冲头下压金属板材至支撑柱110所在位置。
45.当需要进行局部改进措施以提高成型的精度的时候，支撑单元100的局部运动。
46.参照图1和图4，在其中的一些实施例中，基于辅助加热的工件渐进成形弯曲设备还包括机床单元400，机床单元400包括工作台410和能够沿第一方向移动的连接柱420，连接柱420末端与冲压单元200连接，支撑单元100设置在工作台410上，工作台410能够沿长度方向和宽度方向移动。机床单元400的工作台410主要用于安装和承放支撑单元100，工作台410可以沿着支撑区域的长度方向和宽度方向移动，从而使得冲压单元200能够沿着长度方向和宽度方向对工件500进行加工。通过工作台410的移动，从而使得工件500移动，不需要冲压单元200移动，这样可以通过预定路径设置工件500相对冲压单元200的冲压部位进行移动，减小了加工的误差。
47.可以理解地，在一个具体的实施例中，机床单元400可以采用三轴数控机床。三轴数控机床包括工作台、立柱以及数控系统。其中，立柱具有沿着z轴的可移动主轴箱，第一方向为z轴的竖直方向。工作台能够沿着x轴和/或y轴方向自由移动。支撑待加工的工件500的柔性支撑单元100放置在工作台上，随着工作台的运动沿着x轴和/或y轴方向自由移动。同时，冲压单元200与立柱的主轴头固定在一起，随着主轴箱沿着z轴方向移动，并对工件500施加一定的作用力。数控系统主要是用于精确控制三个运动轴的运动，从而实现对工件500的渐进弯曲加工成形。
48.在其中的一些实施例中，基于辅助加热的工件渐进成形弯曲设备包括支撑单元100、若干冲压单元200200、加热单元300以及三维扫描系统，三维扫描系统包括投影组件和摄像组件，摄像组件设置在投影组件两侧，投影组件用于投射扫描光到工件500上，摄像组件接收反射光。三维扫描系统能够快速生成大量点云数据，通过对工件500表面的扫描，获得成形工件500的高清晰度三维图像。三维扫描图像反映了成形工件500的真实形状，可以与所设计的最终工件cad模型进行对比分析。
49.具体地，当工件500为金属板材的时候为例进行说明渐进弯曲成形的过程：根据金
属板材的期望形状建立cad模型，根据金属板材的期望形状将cad模型分解成为多个平行的样条，根据最小能量原理，对每一个样条求解冲压单元200的预定的加载路径，然后通过数控系统控制冲压单元200和工作台进行弯曲成形，在成形结束以后，采用三维扫描系统测量成形后的金属板材的曲面形状，并且通过三维扫描系统将成形后的金属板材的曲面形状作为点云数据进行成像并记录。根据点云数据重建cad模型，获得成形后的金属板材的cad模型与金属板材初始期望形状的cad模型的差值，当差值达到误差要求，则渐进成形弯曲过程结束，当差值超出了误差要求，则重新进行渐进成形弯曲加工。三维扫描系统作为反馈系统，可以消除渐进成形弯曲加工过程中的误差，提高加工的精度。
50.上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。