專利名稱：板類零件水射流多點(diǎn)快速成形方法及多點(diǎn)成形機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
板類零件的水射流多點(diǎn)快速成形方法及成形機(jī)是一套利用高壓水射流對(duì)板材進(jìn)行加工成 形的方法及其機(jī)械裝置，適合于各種批量的覆蓋件的成形，屬于機(jī)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(shí)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(jī)功能于一體的沖切復(fù)合機(jī)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(jìn)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(diǎn)成形裝置，由上下多個(gè)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(dòng)，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(dòng)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(jī)床的工作臺(tái)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(tái)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，球頭工具對(duì)板材局部進(jìn)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(shí)以工具運(yùn)動(dòng)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(shí)，由于球頭工具與數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)單，無 法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀覆蓋件的成形，也較難實(shí)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(duì)被加工材料無熱損傷等優(yōu)點(diǎn)，水射流成形 方法在加工過程中無機(jī)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(jī)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(jī)； CN200410077756. 2公開了一種水射流蔬菜水果清洗切割機(jī)；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(jìn)的定向鉆機(jī)；CN200380101452.9公開了一種 使用水射流對(duì)許多最終的三維產(chǎn)品進(jìn)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(jī) 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(xì)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(jìn)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(bào)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(duì)利用高壓水射流處 理薄片裝置進(jìn)行了改進(jìn)，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(chǎng)合的應(yīng)用問題，允許在壓力高達(dá)400巴或更高的高壓下提供水 流，使用數(shù)百小時(shí)后孔板不會(huì)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(duì)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(shí)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(duì)板類零件進(jìn)行多點(diǎn)快速 成形及板類零件水射流多點(diǎn)快速成形機(jī)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(diǎn)快速成形方法以及快速成形機(jī)，實(shí)現(xiàn) 板類零件的無?；⑷嵝曰?、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(shí)現(xiàn)以上目的，發(fā)明利用計(jì)算機(jī)控制多個(gè)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(gè)高壓水射流同時(shí)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(jìn)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(gè)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(duì)較大。水射流的流速及動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dá)待加工表面時(shí)，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(dá)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(duì)位移速度，也是影響成形效果的重要參數(shù)。
對(duì)連續(xù)高壓水射流，忽略兩點(diǎn)間的高度差，在噴嘴出口截面內(nèi)外兩點(diǎn)應(yīng)用伯努利方程得
A 2 p2 2
在噴嘴內(nèi)外兩點(diǎn)間應(yīng)用連續(xù)方程得
進(jìn)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(duì)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(jì)算高壓水射流流量、壓力、功率以及高壓水射流對(duì)工件表面的打擊力。不 同板材的屈服強(qiáng)度是不同的，根據(jù)屈服強(qiáng)度可知其所需的變形力，高壓水射流對(duì)工件表面的 打擊力超過其所需的變形力時(shí)，板材就可發(fā)生變形。根據(jù)高壓水射流對(duì)工件表面的打擊力， 系統(tǒng)便可以設(shè)計(jì)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(jìn)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(dá)到加工最佳效果。


圖1為水射流多點(diǎn)成形原理圖。
圖2為立式水射流多點(diǎn)快速成形機(jī)原理圖。 圖3為立式成形機(jī)單元群布置水平投影。 圖4為臥式水射流多點(diǎn)快速成形機(jī)原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖內(nèi)容進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體內(nèi)容
實(shí)施例1:為立式水射流多點(diǎn)快速成形機(jī)，其結(jié)構(gòu)原理圖見附圖2所示。立式水射流多 點(diǎn)快速成形機(jī)采用四柱形密封壓機(jī)結(jié)構(gòu)，主體是一個(gè)由方形密封壓機(jī)結(jié)構(gòu)形成的工作腔。整 個(gè)裝置由計(jì)算機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)，軸X可以在軸Y上移動(dòng)，軸X和軸Y處于水平面內(nèi)，這樣 就可以實(shí)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(dòng)上、下運(yùn)動(dòng)，最終可以實(shí)現(xiàn)水射流發(fā)生裝置X、 Y、 Z三個(gè)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(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。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(jī)驅(qū)動(dòng)單元由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一控制。
工作時(shí)，首先將下料后的板材在工作腔內(nèi)定位夾緊，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)所需制造的板類零 件形狀計(jì)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(qiáng)度、水流量等，由 電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(duì)于變形量較大的零件，需進(jìn)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(shí)，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(shí)施例2:為臥式水射流多點(diǎn)快速成形機(jī)，其結(jié)構(gòu)原理圖見附圖4所示。同樣地，臥式水 射流多點(diǎn)快速成形機(jī)也采用四柱形密封壓機(jī)結(jié)構(gòu)，主體是一個(gè)由方形密封壓機(jī)結(jié)構(gòu)形成的工 作腔。整個(gè)裝置由計(jì)算機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)單元等組成。其成形 控制和成形過程與立式成形機(jī)基本相同。
權(quán)利要求
1、一種板類零件的水射流多點(diǎn)快速成形方法。其特征在于采用多個(gè)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(duì)位置和時(shí)變載荷的變化來實(shí)現(xiàn)。
2、 一種板類零件的水射流多點(diǎn)快速成形機(jī)。其特征在于整個(gè)成形機(jī)為一個(gè)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(diǎn)快速成形機(jī)，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(diǎn)快速成形機(jī)，其水射流發(fā)生裝置是由多個(gè) 高壓泵和噴射裝置組成的設(shè)備單元群，每個(gè)高壓泵通過高壓軟管與對(duì)應(yīng)的噴射裝置相連接， 噴射裝置由絲杠帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，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(diǎn)快速成形機(jī)，其控制系統(tǒng)的特征在于每 個(gè)水射流發(fā)生裝置有單獨(dú)的控制分系統(tǒng)，各分系統(tǒng)由一個(gè)總控制系統(tǒng)控制。成形機(jī)工作時(shí)， 根據(jù)加工零件的尺寸及形狀的不同，總控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)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(diǎn)快速成形方法及多點(diǎn)成形機(jī)采用多個(gè)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(diǎn)成形機(jī)來實(shí)現(xiàn)。水射流多點(diǎn)成形機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)高壓泵和噴射裝置組成的設(shè)備單元群，每個(gè)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(shí)變載荷，并配合工件的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的工藝和裝備可以實(shí)現(xiàn)板類零件的柔性、快速成形，屬于機(jī)械工程領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B21D26/021GK101391277SQ20081017793
公開日2009年3月25日 申請(qǐng)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(qǐng)人:寧波工程學(xué)院