基于实时反馈的旋转超声复合渐进成形装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于实时反馈的旋转超声复合渐进成形装置及方法，包括一个板材渐进成形夹具单元，在板材渐进成形夹具单元的上方设有旋转超声刀柄加工单元，所述的旋转超声刀柄加工单元包括加工主轴，加工主轴与安装锥柄相连，在安装锥柄的圆柱孔内安装超声波换能器，所述超声波换能器的电极铜片通过导线与磁接收器的接收线圈相连，与所述的磁接收器相对的设有一个磁发生器，所述的磁发生器与超声波发生器相连；超声波换能器与变幅杆相连，所述的变幅杆与成形工具头相连；变幅杆外圆开有环形槽，用以粘贴作为力传感器使用的应变片，所述的应变片与信号采集发射模块相连，所述的信号采集发射模块与信息处理显示装置相连。

Rotating ultrasonic composite progressive forming device and method based on real time feedback

The invention discloses a rotary ultrasonic composite progressive forming device and real-time feedback based method, including a sheet metal incremental forming fixture unit rotary ultrasonic processing unit, a handle at the top of the sheet metal incremental forming fixture unit, the processing unit comprises a handle rotary ultrasonic machining spindle, spindle machining and installation of taper shank. Install the ultrasonic transducer in the cylindrical hole mounting taper shank, copper electrode of the ultrasonic transducer is connected through the receiving coil and the magnetic receiver wire, magnetic receiver and the relative is provided with a magnetic generator, the magnetic generator is connected with an ultrasonic generator; the ultrasonic transducer is connected with the horn, the horn the forming tool head is connected with the horn; outer circle has an annular groove, used as a strain gauge force sensor used in the paste. The strain gauge is connected with the signal acquisition and emission module, and the signal acquisition and emission module is connected with the information processing display device.

【技术实现步骤摘要】
基于实时反馈的旋转超声复合渐进成形装置及方法
本专利技术涉及一种对金属薄板同时施以超声振动和工具头旋转并具有实时反馈功能的旋转超声复合渐进成形装置及方法，属于塑性加工

技术介绍
渐进成形工艺作为一种新兴的柔性无模板料成形技术，采用“分层制造”的思想，无需模具，在开发时间和经济成本上都得到了优化，尤其是在小批量、定制化生产中。超声辅助渐进成形的提出主要针对渐进成形在加工薄板零件时的底部扭转、回弹现象等成形缺陷问题，从而达到提高成形几何精度和表面质量的目的。中国专利文献CN104690138A公开了《一种镁合金板材超声振动单点渐进成形装置及其渐进成形方法》。该方法的装置包括超声波振动系统、镁合金板材单点渐进成形系统和微电脑控制系统。超声波发生器经导线将高频电信号传递到换能器，继而传递到变幅杆，变幅杆与工具头焊接。首先，现有的超声辅助渐进成形技术为有线连接，能量损耗大且增加了工作的不稳定性并不利于工具头转速的引入；整个超声波振动系统采用的是各部件累加的方式，未能实现超声刀柄的通用化和系列化；由于成形力监测设备多为单独的台式压电式测力仪，没有与超声振动系统融合，因此超声参数的设定不能根据加工的实际需求来进行实时调整。再者，渐进成形技术在成形大角度零件时存在较大的限制，而且对于镁合金和钛合金等在室温下难成形的材料，未能找到一种操作简单、价格低廉的加热方式来加工镁合金和钛合金等难成形的材料。
技术实现思路
针对现有超声辅助渐进成形技术在装置的整体结构、连接方式和成形性能、可加工材料范围方面存在的不足，本专利技术提供一种可实现旋转超声复合渐进成形技术的装置及成形方法。本专利技术的特点在于使超声辅助渐进成形装置便于维修更换、通用化和系列化，同时采用无线能量传输方式来减少能量损耗并通过工具头高速旋转来实现局部加热。通过应变式传感器实时监测成形力，完成成形力的实时反馈，通过及时调整工艺参数，使成形力保持在合理大小范围及变化趋势，避免零件的破裂等缺陷产生。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：基于实时反馈的旋转超声复合渐进成形装置，包括一个工作台，在所述的工作台上安装有一个支撑架，在所述的支撑架上固定有待加工板材，在固定支撑架的上方设有旋转超声刀柄加工单元，所述的旋转超声刀柄加工单元包括加工主轴，所述的加工主轴与安装锥柄相连，在所述安装锥柄的圆柱孔内安装超声波换能器，所述超声波换能器的电极铜片通过导线与磁接收器的接收线圈相连，与所述的磁接收器相对的设有一个磁发生器，所述的磁发生器与超声波发生器相连；所述的超声波换能器与变幅杆相连，所述的变幅杆与成形工具头相连。所述变幅杆外圆开有环形槽，用以粘贴作为力传感器使用的应变片，所述的应变片与信号采集发射模块相连，所述的信号采集发射模块与信息处理显示装置通讯。进一步的，三组Wheatstone全电桥粘贴在环形槽上，每个电桥由四个应变片组成，用以测量轴向和两个弯曲方向的受力。环形槽上下各有一个带有内孔的圆柱形板，与变幅杆外圆相配合。圆柱形板与外侧圆筒形密封盖一起形成封闭空间，可放置电源和信号采集发射模块。采用集超声波发生器、换能器、变幅杆、成形工具头、无线电能传输装置、反馈装置及相关组件于一体的超声刀柄系统安装在现有的普通数控机床主轴内，将普通数控机床主轴的转动、在三维空间内的可控移动与超声刀柄系统的纵向振动结合在一起，实现渐进成形的高频断续挤压。进一步的，所述的安装锥柄与加工主轴的主轴孔相配合，使超声刀柄可以实现高速旋转，从而实现超声刀柄的通用化和系列化，便于维修和更换。进一步的，所述的加工主轴为数控机床的加工主轴。进一步的，所述的变幅杆与渐进成形工具头通过螺纹连接，并保证换能器、变幅杆、工具头和主轴同轴顺次连接。进一步的，所述的磁发生器与磁接收器均包括磁芯和线圈，两者保持一定的间隔径向对置。磁发生器内的发射线圈通过导线与超声波发生器相连接。磁发生器与磁接收器共同作为无线传输装置依据电磁感应原理无线传输电能量，从而减少之前因为摩擦接触损失的能量，并有利于自动换刀的实现和转速的引入。进一步的，所述的应变片通过导线与信号采集发射模块相连，然后信号采集发射模块将信号以无线Wi-Fi的形式传递到信息处理显示装置，保证成形力的实时监测和反馈，从而可以通过调节振幅大小达到理想的成形力。进一步的，所述的支撑架上设有支撑板，在所述的支撑板上设置待加工板材，所述的待加工板材通过上压板压在支撑板上，上压板与支撑板用螺丝连接压紧，防止成形过程中的移动。支撑板的作用是抑制非成形区材料的不必要变形，提高成形精度。上压板位于板材上部并与其接触提供预压。支撑架固定在机床工作台上。所述数控机床及其控制系统是实现上述旋转超声辅助渐进成形工艺的载体。旋转超声刀柄加工单元与机床主轴相连，运动轨迹可以由数控机床控制系统进行编程。板材渐进成形夹具单元固定在机床工作台上。具体的加工方法如下：第一步，将待加工板材装夹到板材渐进成形夹具单元上；第二步，启动超声波发生器的电源，设置超声振动参数，超声波发生器产生的高频电信号经导线传输到磁发生器的发射线圈，依据电磁感应原理无线传输到磁接收器；接收线圈经导线传输到换能器的电极铜片；经压电效应转换为机械振动后传输到变幅杆，继而传输到成形工具头，使成形工具头达到设定的振动频率和振幅；第三步，根据复杂薄壁件中的薄壁壳体形状和尺寸建模编程，建立三维数字模型，根据工艺参数生成工具头的运动轨迹；第四步，控制工具头对板材进行挤压局部成形，按照数控编程路径，逐层对板材进行成形加工，以运动轨迹的包络面代替模具的型面，直至加工成所需薄壁件；利用应变片传感器实时监测加工过程中的成形力，并进行反馈，通过改变超声波发生器的振动参数，进而改变变幅杆的振幅大小来使成形力达到理想要求，监测成形力的变化，若有急剧下降趋势，应立即改变工艺参数避免零件破裂现象发生。本专利技术的旋转超声复合渐进成形技术可以改善板材在渐进成形过程中的塑性变形行为，提高材料变形极限，改善成形件表面质量、精度以及力学性能，延长有效服役寿命，减少成形缺陷的产生。本专利技术的有益效果如下：本专利技术的特点是在原有的超声辅助渐进成形工艺的基础上改进为采用相对独立、使用先进的无线电能传输方式且可跟随主轴旋转的旋转超声刀柄加工系统，使其在超声辅助渐进成形加工中引入一定范围内的转速，这种改进后的旋转超声复合加工方式可以减小摩擦系数、提升成形工具头与待加工板材之间的局部温度，从而减小成形力，提高成形极限，扩大渐进成形应用的范围。同时，信号采集发射模块可实时采集成形力信号并将其传输到信息处理显示装置，实现轴向力(即成形力)的实时监测，通过信息处理显示装置处理实现反馈功能，调节振幅的大小来控制成形力达到理想水平。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术中旋转超声刀柄加工单元的结构示意图；图2是本专利技术中旋转超声复合渐进成形系统的结构示意图；图3是本专利技术的无模单点渐进成形加工过程示意图；图4是工具头渐进成形轨迹示意图；图5是应变片位置图；图6本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于实时反馈的旋转超声复合渐进成形装置，其特征在于，包括一个板材渐进成形夹具单元，在板材渐进成形夹具单元的上方设有旋转超声刀柄加工单元，所述的旋转超声刀柄加工单元包括加工主轴，所述的加工主轴与安装锥柄相连，在所述安装锥柄的圆柱孔内安装超声波换能器，所述超声波换能器的电极铜片通过导线与磁接收器的接收线圈相连，与所述的磁接收器相对的设有一个磁发生器，所述的磁发生器与超声波发生器相连；所述的超声波换能器与变幅杆相连，所述的变幅杆与成形工具头相连；所述变幅杆外圆开有环形槽，用以粘贴作为力传感器使用的应变片，所述的应变片与信号采集发射模块相连，所述的信号采集发射模块与信息处理显示装置相连。

【技术特征摘要】
1.基于实时反馈的旋转超声复合渐进成形装置，其特征在于，包括一个板材渐进成形夹具单元，在板材渐进成形夹具单元的上方设有旋转超声刀柄加工单元，所述的旋转超声刀柄加工单元包括加工主轴，所述的加工主轴与安装锥柄相连，在所述安装锥柄的圆柱孔内安装超声波换能器，所述超声波换能器的电极铜片通过导线与磁接收器的接收线圈相连，与所述的磁接收器相对的设有一个磁发生器，所述的磁发生器与超声波发生器相连；所述的超声波换能器与变幅杆相连，所述的变幅杆与成形工具头相连；所述变幅杆外圆开有环形槽，用以粘贴作为力传感器使用的应变片，所述的应变片与信号采集发射模块相连，所述的信号采集发射模块与信息处理显示装置相连。2.如权利要求1所述的基于实时反馈的旋转超声复合渐进成形装置，其特征在于，所述的安装锥柄与加工主轴的主轴孔相配合。3.如权利要求1所述的基于实时反馈的旋转超声复合渐进成形装置，其特征在于，所述的加工主轴为数控机床的加工主轴。4.如权利要求1所述的基于实时反馈的旋转超声复合渐进成形装置，其特征在于，所述的变幅杆与渐进成形工具头通过螺纹连接。5.如权利要求1所述的基于实时反馈的旋转超声复合渐进成形装置，其特征在于，所述的磁发生器通过一个连杆安装在加工主轴的支架上。6.如权利要求1所述的基于实时反馈的旋转超声复合渐进成形装置，其特征在于，所述的板材渐进成形夹具单元包括一个工作台，在所述的工作台上安装有一个支撑架，在所述的支撑架的上固定有待加工板材。7.如权利要求1所述的基于实时反馈的旋转超声复合渐进成形装置，其特征在于，所述的支撑架上设有支撑板，在所述的支撑板上设置待加工板...

【专利技术属性】
技术研发人员：李燕乐，陈晓晓，孙杰，李剑峰，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37