一種管壁數(shù)控漸進(jìn)翻孔成形的工具頭與方法
【專利摘要】一種管壁數(shù)控漸進(jìn)翻孔成形的工具頭與方法，屬于金屬成形領(lǐng)域。工具頭為桿狀圓柱體，下端有一段大直徑的圓柱段，桿狀圓柱體與大直徑圓柱段之間通過具有不同錐角的多段圓錐面過渡。成形方法包括以下步驟：（1）管坯呈水平狀態(tài)且預(yù)制孔朝上緊固在設(shè)備臺面上；（2）工具頭伸入預(yù)制孔，錐角較大的圓錐面從水平方向擠壓管壁，完成管壁向上翻轉(zhuǎn)的第一次預(yù)成形；（3）錐角較小的圓錐面從水平和向上的垂直方向擠壓管壁，進(jìn)行管壁翻轉(zhuǎn)的后續(xù)預(yù)成形；（4）利用工具頭上圓錐面以外的直壁部分，將預(yù)成形所得傾斜管壁進(jìn)行整形，得到所需翻邊形狀與尺寸。本發(fā)明可在工具頭和管坯一次裝夾后實(shí)現(xiàn)多種孔形的翻孔，同時避免了失穩(wěn)起皺等缺陷。
【專利說明】一種管壁數(shù)控漸進(jìn)翻孔成形的工具頭與方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬塑性成形領(lǐng)域，尤其涉及一種管壁數(shù)控漸進(jìn)翻孔成形的工具頭與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]漸進(jìn)成形是一種采用“分層制造”的思想，將三維鈑金件的傳統(tǒng)沖壓整體成形變?yōu)閿?shù)控機(jī)床上利用簡單工具頭，按CAD模型進(jìn)行逐層漸進(jìn)成形的數(shù)字化柔性制造技術(shù)，可以在無需專用鋼質(zhì)模具的情況下得到形狀復(fù)雜的金屬薄板件。由于該方法能夠充分適應(yīng)現(xiàn)代制造多品種、少批量的要求，近年來得到了極大的關(guān)注。但目前該法主要用于板料成形，較少用于管材的成形。
[0003]2007 年，日本學(xué)者 Teramae 等(T.Teramae, K.Manabeb, K.Ueno, K.Nakamura,
H.Takeda.Journal of Materials Processing Technology, 2007,191:24-29)提出了一種利用工具頭對管壁上的預(yù)制孔進(jìn)行無模漸進(jìn)翻孔成形的方法，采用了現(xiàn)有漸進(jìn)成形普遍使用的桿狀圓柱體工具頭，可在程序控制下完成普通沖壓方式很難實(shí)現(xiàn)的管壁預(yù)制孔的翻孔成形。與板料漸進(jìn)成形時工具頭的工作區(qū)域通常為圓柱體的半球形底部不同，管壁漸進(jìn)翻孔成形時工具頭的工作區(qū)域?yàn)閳A柱體的側(cè)面。由于在成形管坯頂部的預(yù)制孔軸線方向兩側(cè)的區(qū)域時，工具頭對管壁的側(cè)向壓力與管壁處于近似平行的狀態(tài)，造成管壁變形的方向存在不確定性，如果形成向下的初始翻轉(zhuǎn)就會導(dǎo)致翻孔失?。煌瑫r，由于工具頭作用在管壁材料上的側(cè)向壓力很大，管壁極易失穩(wěn)起皺，也會使得翻孔失敗。為了解決這一問題，Teramae等將工具頭先以傾斜狀態(tài)從預(yù)制孔內(nèi)部進(jìn)行側(cè)向進(jìn)給，使管坯頂部預(yù)制孔軸線方向兩側(cè)的管壁材料形成上翹的初始變形，然后再采用常規(guī)垂直狀態(tài)的工具頭完成整個孔壁的翻轉(zhuǎn)。工具頭這一系列的復(fù)雜動作，無法在普通漸進(jìn)成形設(shè)備上直接完成，需要利用多軸聯(lián)動的機(jī)床；或者不改變工具頭而將管坯進(jìn)行多次不同方向的裝夾。由于對裝夾方式和夾持裝置要求很苛刻，實(shí)用性較差`。
[0004]因此，雖然管壁無模數(shù)控漸進(jìn)翻孔成形相對于傳統(tǒng)的沖壓方法具有獨(dú)特優(yōu)勢，但現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了其實(shí)際應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的，在于提供一種管壁數(shù)控漸進(jìn)翻孔成形的工具頭與方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的方案是:在漸進(jìn)成形設(shè)備上，采用一種特殊形式的工具頭，其特征在于，所述工具頭為桿狀圓柱體，桿狀圓柱體的下方末端有一段直徑增大的圓柱段，上端的桿狀圓柱體與下端的大直徑圓柱段之間通過兩段和兩段以上的圓錐面進(jìn)行過渡連接；以圓錐面與工具頭軸線所夾的單邊內(nèi)側(cè)的錐角為準(zhǔn)，所述圓錐面與工具頭軸線所夾的錐角范圍在10~60°之間，且均不相同，從上到下依次遞增或依次遞減；各段圓錐面在工具頭軸線方向的投影高度大于3倍管壁厚度。[0007]利用本發(fā)明的工具頭進(jìn)行管壁數(shù)控漸進(jìn)翻孔成形的方法，包括以下步驟:
(I)將帶有預(yù)制孔的管坯利用夾具緊固在漸進(jìn)成形設(shè)備的工作臺面上，管坯軸線處于水平狀態(tài)，預(yù)制孔一側(cè)朝上；
(2 )通過程序控制工具頭的運(yùn)動，使工具頭的下端從管坯上方伸入預(yù)制孔內(nèi)，工具頭上錐角最大的圓錐面從預(yù)制孔內(nèi)與管壁接觸，并從水平方向擠壓管壁，利用圓錐面的斜面將管壁進(jìn)行第一次向上翻轉(zhuǎn)的預(yù)成形，得到向上傾斜的管壁形狀；通過工具頭的連續(xù)運(yùn)動，完成預(yù)制孔周邊孔壁的第一次預(yù)成形；
(3)通過程序控制工具頭的運(yùn)動，使工具頭上錐角較小的圓錐面從預(yù)制孔內(nèi)與管壁接觸，并從水平和垂直向上的方向擠壓管壁，利用圓錐面的斜面使管壁進(jìn)行向上翻轉(zhuǎn)的第二次預(yù)成形，得到向上斜度更大的管壁形狀；通過工具頭的連續(xù)運(yùn)動，使預(yù)制孔周邊孔壁完成第二次預(yù)成形；調(diào)節(jié)工具頭在垂直方向的高度，使工具頭上錐角更小的圓錐面從預(yù)制孔內(nèi)與管壁接觸，對管壁進(jìn)行向上翻轉(zhuǎn)的第三次和更多次的預(yù)成形，預(yù)成形次數(shù)與圓錐面的數(shù)量一致；
(4)工具頭在程序控制下，按照設(shè)定的軌跡沿水平和垂直方向運(yùn)動，利用工具頭上圓錐面以外的圓柱體直壁部分，也就是上端的桿狀圓柱體和下端的大直徑圓柱段的直壁部分，將多次預(yù)成形得到的傾斜管壁進(jìn)行整形，使傾斜管壁成為垂直向上的形狀；通過工具頭的連續(xù)運(yùn)動，完成整個預(yù)制孔的翻轉(zhuǎn)，同時保證所要求的尺寸。
[0008]本發(fā)明的有益效果是，利用數(shù)控漸進(jìn)成形機(jī)床并結(jié)合簡單的工具頭，可以通過程序?qū)崿F(xiàn)管壁圓形、橢圓型等各種孔形的翻孔，無需制造專用模具；工具頭和管坯一次裝夾以后，就可以完成整個翻孔，不需改變工具頭裝夾狀態(tài)和軸線方向，可以在普通數(shù)控漸進(jìn)成形機(jī)床上進(jìn)行；利用具有不同錐角的多段圓錐面依次對管壁進(jìn)行翻轉(zhuǎn)預(yù)成形，不僅避免了成形管坯頂部預(yù)制孔兩側(cè)區(qū)域時，管壁材料在變形方向上存在的不確定性，同時也大大減小了工具頭作用在管壁材料上的側(cè)向壓力，從而有效避免了管壁的失穩(wěn)起皺。
[0009]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是利用本發(fā)明的工具頭對管壁翻孔時，向上翻轉(zhuǎn)的預(yù)成形和整形的示意圖。工具頭有兩段圓錐面；
圖2是利用本發(fā)明的工具頭對管壁翻孔的三維示意圖，工具頭有兩段圓錐面；
圖3是本發(fā)明的工具頭示意圖，工具頭上端的桿狀圓柱體與下端的大直徑圓柱段之間通過兩段圓錐面過渡連接，圓錐面與工具頭軸線所夾的錐角從上到下依次遞增；
圖4是本發(fā)明的工具頭示意圖，工具頭上端的桿狀圓柱體與下端的大直徑圓柱段之間通過兩段圓錐面過渡連接，圓錐面與工具頭軸線所夾的錐角從上到下依次遞減；
圖5是本發(fā)明的工具頭示意圖，工具頭上端的桿狀圓柱體與下端的大直徑圓柱段之間通過三段圓錐面過渡連接，圓錐面與工具頭軸線所夾的錐角從上到下依次遞增；
圖6是本發(fā)明的工具頭示意圖，工具頭上端的桿狀圓柱體與下端的大直徑圓柱段之間通過三段圓錐面過渡連接，圓錐面與工具頭軸線所夾的錐角從上到下依次遞減；
圖7是本發(fā)明的工具頭示意圖，與工具頭軸線所夾錐角從上到下依次遞增的多段圓錐面用光滑圓弧面代替； 圖8是本發(fā)明的工具頭示意圖，與工具頭軸線所夾錐角從上到下依次遞減的多段圓錐面用光滑圓弧面代替。
[0011]圖1到圖8中，1-帶預(yù)制孔的管坯，2 -工具頭。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面以在漸進(jìn)成形設(shè)備上對外徑38mm、壁厚0.5mm的不銹鋼管還上預(yù)制孔進(jìn)行翻孔為例，說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。工具頭形狀參見圖3，總長度為80mm，上端桿狀圓柱體的直徑為10mm，下端的大直徑圓柱段的直徑為15mm。上端的桿狀圓柱體與大直徑圓柱段之間通過兩段圓錐面進(jìn)行過渡連接，上、下兩段圓錐面與工具頭軸線所夾單邊錐角依次為15°和30°，上、下圓錐面在工具頭軸線方向投影的高度依次為3.6mm和1.8mm。
[0013]利用上述工具頭對管壁進(jìn)行數(shù)控漸進(jìn)翻孔成形的具體步驟為:
(I)將管坯利用夾具緊固在漸進(jìn)成形設(shè)備的工作臺面上，管坯軸線處于水平狀態(tài)，預(yù)制孔一側(cè)朝上；
(2 )通過程序控制工具頭的運(yùn)動，使工具頭的下端從管坯上方伸入預(yù)制孔內(nèi)，工具頭上錐角為30°的圓錐面從預(yù)制孔內(nèi)與管壁接觸，并從水平方向擠壓管壁，利用圓錐面的斜面將管壁進(jìn)行第一次向上翻轉(zhuǎn)的預(yù)成形，得到向上傾斜的管壁形狀；通過工具頭的連續(xù)運(yùn)動，完成預(yù)制孔周邊孔壁的第一次預(yù)成形；
(3)通過程序控制工具頭的運(yùn)動，使工具頭上錐角為15°的圓錐面從預(yù)制孔內(nèi)與管壁接觸，并從水平和垂直向上的方向擠壓管壁，利用圓錐面的斜面使管壁進(jìn)行向上翻轉(zhuǎn)的第二次預(yù)成形，得到向上斜度更大的管壁形狀；通過工具頭的連續(xù)運(yùn)動，使預(yù)制孔周邊孔壁完成第二次預(yù)成形。
[0014](4)工具頭在程序控制下，按照設(shè)定的軌跡沿水平和垂直方向運(yùn)動，利用工具頭下端的直徑為15mm的圓柱段的直壁部分，將兩次預(yù)成形得到的傾斜管壁進(jìn)行整形，使傾斜管壁成為垂直向上的形狀；通過工具頭的連續(xù)運(yùn)動，完成整個預(yù)制孔的翻轉(zhuǎn)，同時保證所要求的尺寸。
[0015]工具頭上的多段圓錐面，也可以采用光滑圓弧面的形式，參見圖7和圖8，加工過程與上述相同。管坯緊固在漸進(jìn)成形設(shè)備的工作臺面上以后，首先用工具頭光滑圓弧面上斜角較大的部分從預(yù)制孔內(nèi)與管壁接觸，并從水平方向擠壓管壁，將管壁進(jìn)行向上翻轉(zhuǎn)的第一次預(yù)成形；完成預(yù)制孔周邊的第一次預(yù)成形以后，改變工具頭垂直方向的高度，用工具頭光滑圓弧面上斜角相對較小的部分與管壁接觸，并按照與前面相同的方式進(jìn)行后續(xù)的預(yù)成形；按照上述過程完成翻孔的預(yù)成形后，利用工具頭的直壁部分對預(yù)成形得到的傾斜管壁進(jìn)行整形并修正尺寸，通過工具頭的連續(xù)運(yùn)動，直到滿足管壁翻孔的最終要求。
【權(quán)利要求】
1.一種管壁數(shù)控漸進(jìn)翻孔成形的工具頭，其特征在于，所述工具頭為桿狀圓柱體，桿狀圓柱體的下方末端有一段直徑增大的圓柱段，上端的桿狀圓柱體與下端的大直徑圓柱段之間通過兩段和兩段以上的圓錐面進(jìn)行過渡連接。
2.如權(quán)利要求一所述的一種管壁數(shù)控漸進(jìn)翻孔成形的工具頭，其特征在于，以圓錐面與工具頭軸線所夾的單邊內(nèi)側(cè)的錐角為準(zhǔn)，所述圓錐面與工具頭軸線所夾的錐角范圍在10?60°之間，且均不相同，從上到下依次遞增或依次遞減；各段圓錐面在工具頭軸線方向的投影高度大于3倍管壁厚度。
3.一種利用權(quán)利要求一所述工具頭進(jìn)行的管壁數(shù)控漸進(jìn)翻孔成形方法，其特征在于，包括以下步驟: (I)將帶有預(yù)制孔的管坯利用夾具緊固在漸進(jìn)成形設(shè)備的工作臺面上，管坯軸線處于水平狀態(tài)，預(yù)制孔一側(cè)朝上； (2 )通過程序控制工具頭的運(yùn)動，使工具頭的下端從管坯上方伸入預(yù)制孔內(nèi)，工具頭上錐角最大的圓錐面從預(yù)制孔內(nèi)與管壁接觸，并從水平方向擠壓管壁，利用圓錐面的斜面將管壁進(jìn)行第一次向上翻轉(zhuǎn)的預(yù)成形，得到向上傾斜的管壁形狀；通過工具頭的連續(xù)運(yùn)動，完成預(yù)制孔周邊孔壁的第一次預(yù)成形； (3)通過程序控制工具頭的運(yùn)動，使工具頭上錐角較小的圓錐面從預(yù)制孔內(nèi)與管壁接觸，并從水平和垂直向上的方向擠壓管壁，利用圓錐面的斜面使管壁進(jìn)行向上翻轉(zhuǎn)的第二次預(yù)成形，得到向上斜度更大的管壁形狀；通過工具頭的連續(xù)運(yùn)動，使預(yù)制孔周邊孔壁完成第二次預(yù)成形；調(diào)節(jié)工具頭在垂直方向的高度，使工具頭上錐角更小的圓錐面從預(yù)制孔內(nèi)與管壁接觸，對管壁進(jìn)行向上翻轉(zhuǎn)的第三次和更多次的預(yù)成形，預(yù)成形次數(shù)與圓錐面的數(shù)量一致； (4)工具頭在程序控制下，按照設(shè)定的軌跡沿水平和垂直方向運(yùn)動，利用工具頭上圓錐面以外的圓柱體直壁部分，也就是上端的桿狀圓柱體和下端的大直徑圓柱段的直壁部分，將多次預(yù)成形得到的傾斜管壁進(jìn)行整形，使傾斜管壁成為垂直向上的形狀；通過工具頭的連續(xù)運(yùn)動，完成整個預(yù)制孔的翻轉(zhuǎn)，同時保證所要求的尺寸。
【文檔編號】B21D19/00GK103521607SQ201310480432
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月15日
【發(fā)明者】溫彤, 楊臣, 陳霞, 劉瀾濤 申請人:重慶大學(xué)