板材拉形機

《板材拉形機》是吉林大學於2009年7月3日申請的專利，該專利的公布號為CN101596563，授權公布日為2009年12月9日，發明人是李明哲、龔學鵬、付文智、馮朋曉、劉純國等。該發明涉及一種用於板類件三維曲面成形的塑性加工設備，屬於機械工程領域。

《板材拉形機》其目的是使拉形件的拉應力和拉應變分布趨於均勻，實現大曲率曲面件的拉形，提高拉形質量，提高材料利用率，並降低拉形裝置的製造成本。該機主要由機架（1）以及機架（1）左右兩側各一排多個拉料機構和夾料機構（3）組成；所述的拉料機構由三個液壓缸（2）相互鉸接組成，其中一個水平布置，一個豎直布置，另外一個傾斜布置；所述的夾料機構（3）主要由支架（10）、夾料板（11）和小行程單動液壓缸（12）組成。

2019年10月，《板材拉形機》獲得第三屆吉林省專利獎金獎。

（概述圖為《板材拉形機》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：板材拉形機
• 申請人：吉林大學
• 申請日：2009年7月3日
• 申請號：2009100672169
• 公布號：CN101596563
• 公布日：2009年12月9日
• 發明人：李明哲、龔學鵬、付文智、馮朋曉、劉純國、蔡中義、隋振、崔相吉、李湘吉、鄧玉山
• 地址：吉林省長春市前進大街2699號
• Int.Cl.：B21D22/20(2006.01)I
• 代理機構：長春吉大專利代理有限責任公司
• 代理人：朱世林、王壽珍
• 類別：發明專利

專利背景

拉形機是使板材產生拉伸變形的設備，主要套用於航空航天領域中雙曲率蒙皮零件的成形。傳統的拉形機一般分為橫向拉形機和縱向拉形機。拉形時在板材的內外層沿著拉伸方向產生拉應力和拉應變，從而減少工件的回彈量。傳統拉形機的夾鉗夾持板材後在拉形模的配合下使板材的各個部分沿縱向基本同步拉伸，在成形雙曲率蒙皮件時零件的拉應力和拉應變分布明顯不均勻，易產生不貼模、拉裂或起皺等成形缺陷。為了消除缺陷，拉形用坯料往往需要較大的工藝餘量，使材料的利用率降低。另外，2009年前常用的拉形機採用了多軸液壓伺服控制系統，導致其製造費用昂貴。

發明內容

專利目的

《板材拉形機》的目的在於拉形時使板材的拉應力和拉應變分布更加均勻，實現大曲率三維曲面件的拉形，提高拉形件的成形質量，提高材料利用率，並降低拉形機的製造成本。

技術方案

《板材拉形機》主要由機架1、拉料機構和夾料機構3組成，所述的拉料機構和夾料機構3採用多個組成一排分別排列在機架1左右兩側；所述的拉料機構由2～3個液壓缸2組成，液壓缸2的一端分別與機架1活動聯接，另一端共同與夾料機構3活動聯接。

所述的拉料機構由三個液壓缸2組成，其中，一個液壓缸2水平布置，一個液壓缸2豎直布置，另外一個液壓缸2傾斜布置。所述的拉料機構由兩個液壓缸2組成，其中，一個液壓缸2豎直布置，另外一個液壓缸2傾斜布置或水平布置。所述的液壓缸2一端分別與機架1的活動連線方式以及另一端共同與夾料機構3的活動連線方式採用鉸接或萬向節聯接。

所述的夾料機構3主要由與拉料機構的液壓缸連線的支架10、裝在支架10上的夾料板11和對夾料板11施力的小行程單動液壓缸12組成，所述的小行程單動液壓缸12通過彈性元件彈力回程。所述的彈性元件採用螺旋彈簧或聚氨酯橡膠。所述的夾料板11採用板料流動式結構或咬緊板料式結構。所述的多個排列在機架1左右兩側的夾料機構3，分別通過裝在液壓缸2與夾料機構3聯接處的鋼絲軟軸13串聯在一起。所述的機架1左側一排多個拉料機構和夾料機構與機架1右側一排多個拉料機構和夾料機構之間的距離可調。

該發明的板材拉形機，主要由機架1以及機架1左右兩側各一排多個拉料機構和夾料機構3組成。拉料機構由三個液壓缸2相互鉸接組成，其中，一個水平布置，一個豎直布置，另外一個傾斜布置；因此，左右兩側各一排多個拉料機構分別由一排多個水平布置的液壓缸2、一排多個豎直布置的液壓缸2以及一排多個傾斜布置的液壓缸2組成。液壓缸2的一端分別與機架1鉸接或萬向節聯接，另外一端共同與夾料機構3鉸接或萬向節聯接。通過設定不同的液壓力，可以調整各個液壓缸2的行程，還可以調整與夾料機構3鉸接處的液壓缸2之間的夾角，從而改變夾料機構3的位置及拉形方向。為了簡化控制系統結構，液壓缸2的液壓力與動作可以分組控制；水平布置的所有液壓缸2可以用一個電磁閥控制，也可以分為左右兩組，各用一個電磁閥控制；豎直布置的所有液壓缸2及傾斜布置的所有液壓缸2同樣可以分別分為一組或兩組控制。拉形時，使用全部或若干個夾料機構3夾持住板材4，並通過相對應的拉料機構在拉形模具5的配合下拉伸成形板材4。在拉形時，通過調整液壓缸2的液壓力，可以獲得最佳拉伸位置和角度。雖然在同一方向作用的液壓缸2中液壓力相同，但由於模具5的橫向截面形狀不同，利用最小阻力定律，各個夾料機構3沿拉伸方向產生不同的位移量，同時各個拉料機構的拉伸角度也會產生一定的變化，從而使拉形件的拉應力和拉應變的分布更加均勻。拉料機構也可以由兩個液壓缸2組成，一個豎直布置，另一個傾斜布置或水平布置。

改善效果

《板材拉形機》與傳統拉形機相比，通過水平、豎直和傾斜布置的三排液壓缸的相互作用，使施加在板材上的載荷路徑更加合理，使拉形件的拉應力和拉應變的分布更加均勻，提高拉形件的成形質量，實現大曲率曲面的拉形，減少拉形件的工藝餘量，提高材料利用率。該機摒棄了傳統拉形機複雜的控制系統，採用結構簡單、造價低廉的液壓系統來柔性控制板材的變形，從而使拉形機的製造成本顯著降低。

附圖說明

圖1是拉形機的示意圖，其中：圖1（a）是主視圖；圖1（b）是俯視圖。

圖2是與豎直拉形模配合使用的拉形狀態示意圖。

圖3是與平緩拉形模配合使用的拉形狀態示意圖。

圖4是左右兩側拉料機構和夾料機構之間距離可以調整的拉形機示意圖。

圖5是液壓缸與機架鉸接的示意圖，其中：圖5（a）是主視圖；圖5（b）是主視圖的A-A截面視圖。

圖6是液壓缸與機架萬向節聯接示意圖，其中：圖6（a）是主視圖；圖6（b）是主視圖的A-A截面視圖。

圖7是採用螺紋聯接的液壓缸與機架鉸接的示意圖。

圖8是液壓缸和夾料機構鉸接的示意圖，其中：圖8（a）是主視圖；圖8（b）是主視圖的A-A截面視圖。

圖9是液壓缸與夾料機構萬向節聯接示意圖，其中：圖9（a）是主視圖；圖9（b）是主視圖的A-A截面視圖。

圖10是夾料機構示意圖，其中：圖10（a）是主視圖；圖10（b）是主視圖的右視圖。

圖11是板料流動式夾料板的示意圖。

圖12是咬緊板料式夾料板的三維圖。

圖13是在液壓缸和夾料機構鉸接處穿裝軟軸的示意圖。

其中：1.機架，2.液壓缸，3.夾料機構，4.板材，5.模具，6.模具支架，7.支撐座，8.銷軸，9.萬向接頭，10.支架，11.夾料板，12.小行程單動液壓缸，13.鋼絲軟軸，14.緊定螺釘，15.軟軸卡頭。

權利要求

1、《板材拉形機》主要由機架（1）、左右兩側各一排多個拉料機構和夾料機構（3）組成，其特徵在於，所述的拉料機構由2～3個液壓缸（2）組成，液壓缸（2）的一端分別與機架（1）活動聯接，另一端共同與夾料機構（3）活動聯接。

2、根據權利要求1所述的板材拉形機，其特徵在於，所述的拉料機構由三個液壓缸（2）組成，其中，一個液壓缸（2）水平布置，一個液壓缸（2）豎直布置，另外一個液壓缸（2）傾斜布置。

3、根據權利要求1所述的板材拉形機，其特徵在於，所述的拉料機構由兩個液壓缸（2）組成，其中，一個液壓缸（2）豎直布置，另外一個液壓缸（2）傾斜布置或水平布置。

4、根據權利要求1或2或3所述的板材拉形機，其特徵在於，所述的液壓缸（2）與機架（1）的活動連線方式或與夾料機構（3）的活動連線方式採用鉸接或萬向節聯接。

5、根據權利要求1所述的板材拉形機，其特徵在於，所述的夾料機構（3）主要由與拉料機構的液壓缸連線的支架（10）、裝在支架（10）上的夾料板（11）和對夾料板（11）施力的小行程單動液壓缸（12）組成，所述的小行程單動液壓缸（12）通過彈性元件彈力回程。

6、根據權利要求5所述的板材拉形機，其特徵在於，所述的彈性元件採用螺旋彈簧或聚氨酯橡膠。

7、根據權利要求5所述的板材拉形機，其特徵在於，所述的夾料板（11）採用板料流動式結構或咬緊板料式結構。

8、根據權利要求1所述的板材拉形機，其特徵在於，所述的多個排列在機架（1）左右兩側的夾料機構（3），分別通過裝在液壓缸（2）與夾料機構（3）聯接處的鋼絲軟軸（13）串聯在一起。

9、根據權利要求1所述的板材拉形機，其特徵在於，所述的機架（1）左側一排多個拉料機構和夾料機構與機架（1）右側一排多個拉料機構和夾料機構之間的距離可調。

實施方式

圖1是拉形機的示意圖，主要由機架1以及機架1左右兩側各一排五個拉料機構和夾料機構3組成。拉料機構由三個液壓缸2組成，一個水平布置，一個豎直布置，另外一個傾斜布置。液壓缸2的一端分別與機架1鉸接，另一端共同與夾料機構3鉸接。通過改變液壓缸2的液壓力，可以改變液壓缸2的行程，也可以改變液壓缸2相互之間的夾角，從而改變夾料機構3的位置及拉形方向。水平、豎直或傾斜的液壓缸2的液壓力可以按排為單位進行控制。在拉形時，通過控制液壓缸2中液壓力的大小來控制各個夾料機構3的位置及拉形方向，從而使板材4獲得最佳拉伸位置與角度。圖2是與豎直拉形模配合使用的拉形狀態示意圖。首先，通過水平布置的一排液壓缸2對板材4施加拉力進行預拉伸；其次，通過豎直布置或傾斜布置的液壓缸2使板材4逐漸貼模，並在模具5的配合下拉伸成形；最後，通過豎直布置的液壓缸2對板材4施加拉力實現板材4的豎直拉形。圖3是與平緩拉形模配合使用的拉形狀態示意圖。首先，通過水平布置的一排液壓缸2對板材4施加拉力進行預拉伸；其次，通過水平布置和傾斜布置的兩排液壓缸2使板材4逐漸貼模並實現板材4的成形。針對各種不同曲率與不同寬度的模具5，可以通過對液壓缸2行程適當的設計與控制來實現板材4的預拉伸以及最終成形。圖4是左右兩側拉料機構和夾料機構之間距離可以調整的拉形機示意圖，這種結構的拉形機可以與尺寸變化很大的模具5配合使用。距離調整後，可以使用由液壓缸或緊固件構成的自鎖機構鎖住拉料機構的框架。

圖5是液壓缸與機架鉸接的示意圖，支撐座7與機架1通過螺釘聯接，支撐座7通過銷軸8與液壓缸2聯接在一起，這樣使得液壓缸2獲得一個方向轉動自由度。圖6是液壓缸與機架萬向節聯接示意圖，在拉形時，有時需要夾料機構3沿板材4橫向產生少量的位移，這就需要液壓缸2具有兩個方向的轉動自由度。在圖6中，支撐座7與機架1通過螺釘聯接，支撐座7通過銷軸8聯接萬向接頭9，萬向接頭9再通過另一個銷軸8聯接液壓缸2，這樣通過兩處鉸接來使液壓缸2具有兩個方向的轉動自由度。圖7是採用螺紋聯接的液壓缸與機架鉸接的示意圖，支撐座7與機架1上相應的螺紋孔聯接，支撐座7通過銷軸8與液壓缸2聯接在一起，這樣使得液壓缸2獲得一個方向轉動自由度。也可以採用帶螺紋的支撐座7來實現液壓缸2與機架1的萬向節聯接。圖8是液壓缸和夾料機構鉸接的示意圖，三個液壓缸2通過銷軸8共同聯接在夾料機構3上，這樣可以使夾料機構3在與液壓缸2的聯接位置具有一個方向的轉動自由度。圖9是液壓缸與夾料機構的萬向節聯接示意圖，液壓缸2通過銷軸8聯接萬向接頭9，萬向接頭9再通過另一個銷軸8聯接夾料機構3。在拉形時，為了使夾料機構3在板材4的橫向有少量位移，也可以使夾料機構3在與液壓缸2聯接位置具有兩個方向的轉動自由度；這一目的可以通過圖9中的聯接方式來實現。也可以在液壓缸2與機架1的聯接處以及液壓缸2與夾料機構3的聯接處都採用萬向節聯接方式。

圖10是夾料機構示意圖，夾料機構3主要由支架10、夾料板11和小行程單動液壓缸12組成。當要加緊板材4時，通過小行程單動液壓缸12推動夾料板11，夾料板11加緊板材4。當要鬆開板材時，釋放小行程單動液壓缸12中的液壓油，通過螺旋彈簧或聚氨酯橡膠等彈性元件使夾料板11恢復到原來的位置。圖11是板料流動式夾料板的示意圖，採用這種形式可以使板料在夾料板11內流動，從而有效的防止板材4拉裂。圖12是咬緊板料式夾料板的三維圖，採用這種形式可以咬緊板料，在拉形過程中，板料不能在夾料板12內流動。圖13是在液壓缸和夾料機構鉸接處穿裝鋼絲軟軸的示意圖，在銷軸8的中心加工直徑大於鋼絲軟軸13直徑的通孔用來穿裝鋼絲軟軸13，並在鋼絲軟軸13的兩端通過緊定螺釘14安裝軟軸卡頭15來限制鋼絲軟軸13的串動。通過穿裝鋼絲軟軸13可以實現各個夾料機構3位移的基本同步。

下面舉例來說明拉形機的工作過程。首先，根據模具的大小和所要成形板材的大小通過液壓力來控制各個夾料機構的初始位置以便夾持板材，並根據需要進行預拉伸；然後，按排為單位來控制水平布置的一排液壓缸、豎直布置的一排液壓缸或傾斜布置的一排液壓缸中的液壓力，從而控制各個夾料機構的位置與拉伸方向，以便使板材獲得最佳的拉伸方向與拉伸量。在拉形過程中，雖然每排液壓缸中的液壓力相同，但由於模具橫向截面形狀的不同，可以使板材獲得最佳拉伸方向與拉伸量，從而使板材的拉應力和拉應變分布更加均勻。

榮譽表彰

2019年10月，《板材拉形機》獲得第三屆吉林省專利獎金獎。