專利名稱：板類零件水射流多點快速成形方法及多點成形機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
板類零件的水射流多點快速成形方法及成形機是一套利用高壓水射流對板材進行加工成 形的方法及其機械裝置，適合于各種批量的覆蓋件的成形，屬于機械工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，就覆蓋件和板材加工的專利技術(shù)而言，CN1136991A公開了一種表面覆蓋件的壓塑 成型工藝。采用工程塑料板材經(jīng)預(yù)處理后，在專用設(shè)備上通過高壓空氣的壓塑在單面模具上 成型；CN85109489公開了一種薄板產(chǎn)品成型工藝。通過與產(chǎn)品成l:l比例，可按成型件劃分方 案分解的木質(zhì)主模型翻制出各薄板零件之成型凸模，再以配有壓邊圈模架并敷有間隙層及壓 邊圈漏板槽的凸模沉浸于鉍錫合金熔液中的形式制取凹模及壓邊圈；CN1111175公開了一種 可變型腔曲面的模具制造方法，借更換金屬型面鑲塊實現(xiàn)改變模具型腔曲面的汽車覆蓋件沖 模制造方法；CN1507968公開了一種采用熱沖壓裝置加工鎂合金板材的方法；CN1400070 和CN2502819公開了一種汽車覆蓋件壓制成型模具及其制作方法；CN1488473和CN1583373公 開了一種用金屬電弧噴涂法快速制造汽車覆蓋件模具的方法；CN1453081采用集數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖 床和數(shù)控激光切割機功能于一體的沖切復(fù)合機完成金屬板材的孔加工，并切割外形。以上的 專利技術(shù)大部分是利用模具進行覆蓋件及板材的加工，由于昂貴的模具制造成本使這些方法 較適合于大批量生產(chǎn)。
CN1157204 、 CN02109865. 4、 CN00110773. 9、 CN02109866. 2和CN02273508.9公開了一種 板材多點成形裝置，由上下多個可以調(diào)整的基本體和壓邊裝置組成，基本體可沿軸向自由移 動，并可在任意位置定位，壓邊裝置裝在上下基本體控制單元群的外圍，以此完成板材的加 工。盡管以上方法具有較大的柔性，理論上可以加工各種形狀的板材，但從本質(zhì)上講仍是利 用外力使板材在模具中成形，只不過所依賴的模具是由可變動的基本體構(gòu)成的。
CN03146992. 2公開了一種金屬板材數(shù)控逐次成形方法及其裝置。方法使用球頭工具作為 成形工具，用夾具把板材四周固定在數(shù)控機床的工作臺上，利用三維軟件根據(jù)產(chǎn)品外形生成 的NC代碼來控制球頭工具和工作臺做相對運動，球頭工具對板材局部進行逐次擠壓，使板材 塑性變形逐次逼近產(chǎn)品的外形尺寸，最終使板材成形為所需產(chǎn)品。加工時以工具運動軌跡所200810177936.6
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形成的包絡(luò)面代替模具的型面來逐次成形零件，因此無需使用模具。此方法由于受材料變形 速度的限制，生產(chǎn)效率低。同時，由于球頭工具與數(shù)控機床工作臺的相對運動軌跡簡單，無 法實現(xiàn)復(fù)雜形狀覆蓋件的成形，也較難實現(xiàn)橫向加工。
水射流具有介質(zhì)成本低、清潔、環(huán)境友好、對被加工材料無熱損傷等優(yōu)點，水射流成形 方法在加工過程中無機械接觸、適應(yīng)性好、材料損耗少、清潔無污染、配合數(shù)控執(zhí)行機構(gòu)可 精確加工任意復(fù)雜形狀工件。就水射流加工方面的專利技術(shù)而言，CN87100891公開了一種磨 料水射切割方法及裝置；CN93111731.3公開了一種超高壓水射流萬能切割機； CN200410077756. 2公開了一種水射流蔬菜水果清洗切割機；CN89102888. 9公開了一種磨料水 射流切割器的磨料回收裝置；CN00136371.9公開了 一種高壓水射流可控自旋轉(zhuǎn)鉆 頭；CN03122733.3公開了一種水射流連續(xù)推進的定向鉆機；CN200380101452.9公開了一種 使用水射流對許多最終的三維產(chǎn)品進行液力包封的方法；CN200410040040. 5公開了一種利 用超高壓水射流滅菌方法；CN200510037864. 1公開了一種電廠凝汽器高壓水射流在線清洗機 器人技術(shù)；CN90101517. 2公開了一種高壓水射流鑄件清砂法及其設(shè)備；CN01129872. 3公開 了一種脈沖空化水射流超細粉碎裝置。以上方法大多將水射流用于材料的切割、清洗、鉆孔、 包封、滅菌、粉碎等，還有利用水射流進行注漿、除銹、除塵、混凝土切割及路面破壞、水 力采煤等方面的報道。
CN00817317. 6公開了一種利用水射流/水針處理薄片材料的裝置，對利用高壓水射流處 理薄片裝置進行了改進，發(fā)明了新型的孔板，由其上的孔形成了可直接射到待處理材料表面 的水針，解決了工業(yè)上高壓場合的應(yīng)用問題，允許在壓力高達400巴或更高的高壓下提供水 流，使用數(shù)百小時后孔板不會損壞。從本發(fā)明專利所提供的裝置來看，其應(yīng)用范圍為小尺寸 的薄片類零件，其形成的水射流/水針的分布由帶有微孔的板和插入體決定，因此，不同的帶
有微孔的板和插入體對應(yīng)一定的水射流/水針，只能完成固定形狀的薄片材料的成形，加工零 件發(fā)生變化時需相應(yīng)更換裝置。
在已公開的專利中，沒有與本發(fā)明內(nèi)容相近的采用高壓水射流對板類零件進行多點快速 成形及板類零件水射流多點快速成形機的內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種適合于板類零件的多點快速成形方法以及快速成形機，實現(xiàn) 板類零件的無模化、柔性化、快速化、智能化制造及可控成形，提高板類零件的成形效率， 改善其成形質(zhì)量。為實現(xiàn)以上目的，發(fā)明利用計算機控制多個壓力、流速和流量可調(diào)的水射 流發(fā)生裝置，用高壓泵產(chǎn)生高壓，將高壓水射流噴射到板材上使其變形，變形的路徑及形狀
等在控制下完成，通過此方法可以得到任意形狀的板類零件。如附圖1所示，1為高壓水射 流，2為加工的零件。多個高壓水射流同時作用于板材表面使其產(chǎn)生變形，由于板材的塑性 使變形后的表面呈現(xiàn)連續(xù)的空間曲面。變形過程可以多次進行直至最終成形，得到所需形狀 的零件。
本發(fā)明采用的水射流是連續(xù)的多個高壓水射流，并且采用的是水射流的基本段，其工作 范圍相對較大。水射流的流速及動壓力沿軸向逐漸減少，其變化呈雙曲線關(guān)系；在垂直于軸 心的截面上，軸向流速與動壓力從最大值迅速減至邊界上的最小值，其變化呈高斯曲線關(guān)系。
水經(jīng)過高壓泵獲得了高壓，壓力首先驅(qū)動水自高壓泵至噴嘴，又使其以給定的速度通過 噴嘴。當(dāng)高壓水射流到達待加工表面時，高壓水射流以其速度形成的能量轉(zhuǎn)變成沖擊壓力作 用在待加工板材表面上，它們決定了到達待加工表面的射流功率和射流的作業(yè)效率。而高壓 泵控制著水射流的流量，噴嘴出口截面面積控制著水射流流速，當(dāng)然。自噴嘴至待加工表面 的距離，以及噴嘴與零件的相對位移速度，也是影響成形效果的重要參數(shù)。
對連續(xù)高壓水射流，忽略兩點間的高度差，在噴嘴出口截面內(nèi)外兩點應(yīng)用伯努利方程得
A 2 p2 2
在噴嘴內(nèi)外兩點間應(yīng)用連續(xù)方程得
進一步推得高壓水射流流量為
《f =v.」=2.k/2^
當(dāng)高壓水射流流量及壓力確定后，射流功率可由下列關(guān)系式求出
P = 16.67;^
水射流對工件表面的打擊力為-
上面諸式中
P!、 p2——噴嘴內(nèi)外靜壓力，MPa;
v。 v2——噴嘴內(nèi)外液體平均流速，m/s; p——水的密度，kg/m3;
P2——噴嘴內(nèi)外水的密度，A = P2=p = 998/tg/V . 仏——射流流量，L/min;
g——水射流體積流量，mVs; d——噴嘴出口直徑，mm; A——噴嘴截面積，mm2， ^d;;
4
P——水射流功率，W;
; ——水射流壓力，MPa;
F——射流作用在物體上的打擊力，N; -7jC射流流速，m/s;
-——水射流方向變化的角度。
據(jù)此便可以計算高壓水射流流量、壓力、功率以及高壓水射流對工件表面的打擊力。不 同板材的屈服強度是不同的，根據(jù)屈服強度可知其所需的變形力，高壓水射流對工件表面的 打擊力超過其所需的變形力時，板材就可發(fā)生變形。根據(jù)高壓水射流對工件表面的打擊力， 系統(tǒng)便可以設(shè)計各種工藝參數(shù)，如高壓水射流的壓力、流速、流量、工作范圍等，并且進行 參數(shù)控制。
設(shè)備通過調(diào)整板材兩側(cè)水射流的作用位置與參數(shù)控制來達到加工最佳效果。


圖1為水射流多點成形原理圖。
圖2為立式水射流多點快速成形機原理圖。 圖3為立式成形機單元群布置水平投影。 圖4為臥式水射流多點快速成形機原理圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖內(nèi)容進一步說明本發(fā)明的具體內(nèi)容
實施例1:為立式水射流多點快速成形機，其結(jié)構(gòu)原理圖見附圖2所示。立式水射流多 點快速成形機采用四柱形密封壓機結(jié)構(gòu)，主體是一個由方形密封壓機結(jié)構(gòu)形成的工作腔。整 個裝置由計算機系統(tǒng)l、上成形控制單元2、上設(shè)備單元群3、板材4、夾緊定位裝置5、下 設(shè)備單元群6、下成形控制單元7、水回收循環(huán)單元、電機驅(qū)動單元等組成。設(shè)備單元群布置 方式的水平投影如附圖3所示，根據(jù)不同要求可以布置數(shù)量不等的水射流發(fā)生裝置，這些水 射流發(fā)生裝置可以在軸X上移動，軸X可以在軸Y上移動，軸X和軸Y處于水平面內(nèi)，這樣 就可以實現(xiàn)在水平方向調(diào)整水射流發(fā)生裝置位置的目的，上、下設(shè)備單元群在Z方向(垂直方
向)由絲桿帶動上、下運動，最終可以實現(xiàn)水射流發(fā)生裝置X、 Y、 Z三個方向的位置調(diào)節(jié)，方 便不同大小、不同形狀零件的加工。軸X、軸Y和軸Z通過不同的電機進行驅(qū)動。在工作腔 的下部設(shè)有水回收循環(huán)裝置，使用過的水經(jīng)過過濾后可以循環(huán)使用。成形控制單元2和7、 水回收循環(huán)單元、電機驅(qū)動單元由計算機統(tǒng)一控制。
工作時，首先將下料后的板材在工作腔內(nèi)定位夾緊，計算機系統(tǒng)根據(jù)所需制造的板類零 件形狀計算出各種相應(yīng)參數(shù)，如水射流發(fā)生裝置的位置、水流速度、強度、水流量等，由 電機驅(qū)動單元將水射流發(fā)生裝置調(diào)整到指定位置，成形控制單元控制加工過程，水循環(huán)控制 單元保證水的回收和供給。為了減少應(yīng)力和變形，對于變形量較大的零件，需進行多次變形， 使其保持一定的變形系數(shù)。此外，變形過程中還考慮了材料的回彈，這些都可以在軟件中完 成。當(dāng)水射流作用到材料表面時，將水射流能量束的能量傳遞給板材，使其產(chǎn)生塑性變形， 得到所需形狀的零件。
實施例2:為臥式水射流多點快速成形機，其結(jié)構(gòu)原理圖見附圖4所示。同樣地，臥式水 射流多點快速成形機也采用四柱形密封壓機結(jié)構(gòu)，主體是一個由方形密封壓機結(jié)構(gòu)形成的工 作腔。整個裝置由計算機系統(tǒng)l、左成形控制單元2、左設(shè)備單元群3、板材4、夾緊定位裝 置5、右設(shè)備單元群6、右成形控制單元7、水回收循環(huán)單元、電機驅(qū)動單元等組成。其成形 控制和成形過程與立式成形機基本相同。
權(quán)利要求
1、一種板類零件的水射流多點快速成形方法。其特征在于采用多個可控水射流發(fā)生裝置組成設(shè)備單元群，將高壓水射流產(chǎn)生的載荷作用于板材來完成零件空間曲面的成形，成形過程的控制通過工件與噴射裝置的相對位置和時變載荷的變化來實現(xiàn)。
2、 一種板類零件的水射流多點快速成形機。其特征在于整個成形機為一個密封式框架 結(jié)構(gòu)；板材裝夾在設(shè)備中部的定位夾緊裝置上，并由壓邊圈固定；設(shè)備的不同部位各有一定 數(shù)量的水射流發(fā)生裝置；設(shè)備的底部設(shè)有帶孔隔板，安裝有水回收裝置，水經(jīng)過過濾后可以 循環(huán)使用。
3、 按權(quán)利要求2所述的板類零件的水射流多點快速成形機，包括立式和臥式二類。在立 式裝置中，板材水平裝夾在設(shè)備的中部，水射流發(fā)生裝置分列在設(shè)備的上部和下部；在臥式 裝置中，板材垂直裝夾在設(shè)備的中部，水射流發(fā)生裝置分列在設(shè)備的左側(cè)與右側(cè)。
4、 按權(quán)利要求2所述的板類零件的水射流多點快速成形機，其水射流發(fā)生裝置是由多個 高壓泵和噴射裝置組成的設(shè)備單元群，每個高壓泵通過高壓軟管與對應(yīng)的噴射裝置相連接， 噴射裝置由絲杠帶動實現(xiàn)上下移動，控制一束高壓水射流。
5、 按權(quán)利要求2所述的板類零件的水射流多點快速成形機，其控制系統(tǒng)的特征在于每 個水射流發(fā)生裝置有單獨的控制分系統(tǒng)，各分系統(tǒng)由一個總控制系統(tǒng)控制。成形機工作時， 根據(jù)加工零件的尺寸及形狀的不同，總控制系統(tǒng)進行計算及路徑規(guī)劃、水回收循環(huán)系統(tǒng)控制 等，各分控制系統(tǒng)執(zhí)行具體的操作，控制噴射裝置的位置、水射流的大小、方向、速度、流 量等相關(guān)參數(shù)。
全文摘要
板類零件水射流多點快速成形方法及多點成形機采用多個可控的高壓水射流作用于板材的表面，使其可控變形并最終得到所需零件形狀的工藝，其成形工藝通過水射流多點成形機來實現(xiàn)。水射流多點成形機由電機驅(qū)動單元、水循環(huán)控制單元、成形控制單元、水射流發(fā)生及控制單元、工作腔、工件夾緊定位裝置以及相應(yīng)的成形配套軟件等組成。其中水射流發(fā)生裝置是由多個高壓泵和噴射裝置組成的設(shè)備單元群，每個高壓泵控制一束高壓水射流。而成形過程的控制通過噴射裝置的不同位置和高壓水射流的壓力、流量和流速的變化產(chǎn)生時變載荷，并配合工件的移動來實現(xiàn)。本發(fā)明的工藝和裝備可以實現(xiàn)板類零件的柔性、快速成形，屬于機械工程領(lǐng)域。
文檔編號B21D26/021GK101391277SQ20081017793
公開日2009年3月25日 申請日期2008年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月19日
發(fā)明者劉淑珍, 林 周, 樊紅朝, 程曉民 申請人:寧波工程學(xué)院