高柔性多夹钳拉形机的结构设计.pdf
文章编号:1672—0121(2010)05—0021—04 -__-IL-.- ‘j 同 柔性多夹钳拉形机的结构设计 冯朋晓。李明哲,付文智 (吉林大学无模成形技术开发中心,吉林长春130025) 摘要:介绍了一种高柔性多夹钳拉形机的结构设计,探讨其拉形原理。首先分析目前常见的拉形机结构 和拉形方式以及存在的主要问题;再根据不同形状蒙皮类工件的成形需要,分析相应的拉形过程,确定多夹 钳拉形机的结构设计。通过合理布置多夹钳拉形机的夹钳,实现了高柔性度的拉形。并通过试验验证,确认拉 形效果良好。 关键词:机械设计;拉形机;设计;三维曲面成形 中图分类号:TG305/V261.2 文献标识码:B 1前言 蒙皮拉形机是双曲度蒙皮类零件的关键生产设 备,主要应用于航空航天领域,用来制造飞机机身、 机翼、整流罩等部位的工件fl1。蒙皮类工件品种多、批 量小、形状精度和表面质量要求高 1,而且随着国内 外航空航天技术的发展,对蒙皮类工件的质量和生 产效率的要求也越来越高。现有的蒙皮生产设备已 经难以满足这些需求,急需开发拉形效果更好的新 型拉形设备。 吉林大学无模成形技术开发中心将多点成形技 术的思路应用于新型蒙皮拉形机的研发,解决了现 有的拉形机存在的问题。本文分析现有拉形设备的 结构特点,指出其在应用中的局限性,分析高柔性多 夹钳拉形机实现柔性成形的方式及其优点,并作了 试验验证。 2常见拉形机的结构特点 目前,常用的蒙皮拉形机根据成形方式不同可 以分为横向拉形机和纵向拉形机。 2.1横向拉形机的结构特点 横向拉形一般用于制造横向曲率较小的蒙皮零 件 。国内现有的蒙皮拉形设备大多为横向拉形机, 主要从国外进口,常见结构见图1所示。拉形机的主 要工作部件在工作台两侧对称分布,每侧分别由两 个水平缸和两个垂直缸组成,8个液压缸的运动可 以单独控制。拉形时,水平缸和垂直缸分别在水平方 向和垂直方向上伸缩使工件贴紧模具。拉形机中的 收稿日期:2010—05—17 作者简介:冯朋晓(1986一),男,硕士在读,主攻柔性成形与CAD/CAM 水平 图1横向拉彤机 连接机构使夹钳在一定范围内摆动,根据成形需要 与模具之间形成一定夹角,以提高工件的贴模率。 这种蒙皮拉形机的运动机构属于多连杆铰链结 构,为便于分析其拉形动作,需要建立简化模型(图 2)。图2中A。、曰。和C 以及A:、 和c1是图1中所 示的可摆动的连接机构,使夹钳Pl—.尸2可以与 轴 或者y轴形成一定的夹角16],可拉形单曲率和部分双 曲率的蒙皮类工件。由于其夹钳是一个整体,在拉形 时夹钳从Pl到尸2之间只能保持直线状态,无法实 现拉形动作根据模具形状的需要在不同位置随时变 化,因此不能很好地解决双曲率工件的成形问题。 ,, 0 图2传统拉形机构模型 例如,加工一个球面形工件,工件的中间位置最 先接触模具,也最先完成成形。如果工件的横向曲率 较大,当最先接触模具的部位完全成形的时候,两侧 位置还没有接触模具,无法完成工件的完全贴模。 而对于马鞍形工件,往往在工件中间无法贴靠 模具。其实,对现有的拉形机来说,马鞍形工件的成 形一直是一个比较难于解决的问题,尤其对一些横 向曲率较大的马鞍形工件,经常出现贴模不完全、褶 皱或者滑移线等严重影响产品质量的缺陷,甚至根 本无法完成成形。 横向拉形机依靠夹钳两侧的液压缸提供拉伸 力,而夹钳是一个整体,夹料口处始终成一条长直 线,非常容易出现变形不均匀、拉裂或者褶皱等问 题。因此,对液压缸的运动要求实现精确控制,现有 的进口蒙皮拉形机:大:多采用伺服控制 。伺服系统的 采用,使拉形动作的控制更为精密准确,但同时也增 加了制造成本,且要求操作工人具有丰富的经验,从 而增加了拉形机推广应用的难度。 此外,由于夹料口处始终成一条长直线,没有办 法根据模具的形状变化。为了得到想要的工件,在夹 钳和模具之间一般都设置一定长度的“过渡区”,以 完成工件由直线到曲线的过渡。因此,模具的横向曲 率越大,“过渡区”的长度要求越长。这一区域对拉形 来说,是必不可少的,但对蒙皮工件却是多余的。为 了节省材料,就应尽量缩短“过渡区”的长度。 2.2纵向拉形机的结构特点 纵向拉形一般用于制造横向曲率较大的蒙皮零 件。传统的纵向拉形机的特点主要是,数个夹钳安装 在夹钳面板上,并且每个夹钳都可以在上面沿着特 定的弧形-*dr道调整位置,使其可以根据模具的形状 调整出相应的弧度,在一定程度上提高了拉形的贴 模。夹料完成后,夹钳面板在液压缸的作用下拉形。 由于需要人工观察模具的形状,手动调节夹钳 位置,因此,效率较低。另外,拉形机的夹钳面板是一 个整体,而拉形时零件不同曲率的位置所需要的拉 伸量并不一样,且由于面板的尺寸以及弧形轨道的 限制,夹钳没有办法调整出横向曲率较大的形状,所 蒙皮类工件成形难的问题。 3.1基本机构布置 图3为高柔性多夹钳拉形机结构简图。主要机 构是设置左右两组离散化的夹钳,每个夹钳都连接 一组液压缸,分别为水平缸、垂直缸和倾斜缸。三个 液压缸铰链连接,液压缸与夹钳之间用万向节连接。 水平 图3高柔性拉形机结构简图 高柔性多夹钳拉形机与目前常见的拉形机相 比,最大的区别就是夹钳由一个整体变为连续布置 的夹钳组。与此相对应,多夹钳拉形机的水平缸和垂 直缸分别设计为紧密连续布置的液压缸,另外还增 加了倾斜缸,水平缸、垂直缸和倾斜缸连接在一起为 一个夹钳提供拉伸力。每排液压缸不管数目多少,都 是各由一个三位四通电磁换向阀控制。 3.2拉形动作分析 传统蒙皮拉形的过程一般由预拉、包覆、拉形和 卸载组成 91。在预拉时,水平缸起主要作用,垂直缸 辅助调整或不起作用。在正式拉形时,一般水平缸和 垂直缸共同作用。完成拉形。但是当模具曲率小时, 只需要水平缸拉伸就可以完成整个拉形过程;而当 蒙皮件曲率较大时,预拉完成后,则主要由垂直缸作 用。在这些情况下,液压缸的作用得不到充分的发 挥,也使得拉形机的拉力有限。 为了适应多种形状和不同尺寸的模具,传统拉 形机液压缸的行程都比较长,以扩大夹钳的活动范 围。因此,传统拉形机的液压缸缸径大,行程长,制造 困难,安装不方便。 在新型拉形机中,增加了倾斜缸,并合理布置水 平缸和垂直缸,尽量减小液压缸之间的夹角。如当模 具成形面较平缓时,主要使用水平缸和倾斜缸拉形; 当蒙皮件曲率较大时,则由垂直缸和倾斜缸起主要 作用,从而保证了所需要的拉力。图,4中的阴影部分 代表水平缸、垂直缸和倾斜缸交点的活动范围,夹角 .和 :随着拉形动作的不同而变化。 3.3结构尺寸的确定 图5所示为液压缸之间的几何关系。图中A、B、 c三点分别指水 平缸、垂直缸和倾 斜缸的缸底铰链 的位置。 首先在完成 拉形机的结构设 计后,根据成形零 件长度和所需要 的拉伸量确定水 平缸的行程l。,根 图4多夹钳拉形机的拉形范围 据高度和拉伸量确定垂直缸的行程Z 。这两排液压 缸的行程都可设定为z。然后在摆放液压缸时,将水 平缸水平放置,活塞杆伸出1/2l;将垂直缸垂直放 置,活塞杆同样伸出1/21,把两者铰链接在一起,就 可以确定它们的相对位置。这时,液压缸的最大摆角 为 。最后确定倾斜缸的位置和行程。 、 图5液压缸几何关系图 为了使拉形机适用不同形状和不同尺寸工件的 拉形需要,可以将拉形机左右两边分别做成一个整 体,放置在固定滑轨上,根据模具的尺寸调整两者之 间的距离,使拉形机在拉形不同形状的工件时都可 以实现良好的成形质量和贴模率。 4多夹钳拉形机的优点 多夹钳拉形机的主要特点就是每组液压缸上都 有一个独立的夹钳,夹钳与三个液压缸之间依靠73- 向节连接,每个夹钳都可以围绕万向节旋转,如图6 所示。 夹钳的离散化可以使多夹钳拉形机实现柔性成 形,并且根据需要,不同位置的夹钳拉伸量也可以随 之变化。拉形时,每个夹钳都可以根据模具的形状而 发生相应的随形变化,同时液压缸的拉形动作也可 以随之变化。拉形球面形工件时,由于中间位置最先 图6万向节和夹钳 接触模具,而工件两侧则需要继续拉形才能接触模 具。此时,多夹钳拉形机的夹钳的拉伸量就会产生如 图7所示的变化。拉形机的液压系统可以调整整个 系统的拉力,防止拉裂工件,即当工件中间位置拉形 量较大时,此位置的液压缸受到工件的反作用力较 大,而两侧的液压缸受到的阻力较小,因此,中间的 液压缸不再运动,两侧的液压缸一直运动直至他们 —_E三 ————— 受力相同。这样 —E-_—————— 离散化设计,液 —£__—————-.o 压缸和夹钳可 —《}————— 以随形调整,降 —-[三一_————— 低了控制的难 ( )夹料和预拉 度,因此,新型 —-[三三三一———— 拉形机不需要 —一[三 ———— 伺服控制也可 —E__———— 以达到很好的 —E_一———— 成形效果,相对 —∈兰一—————叫 于传统拉形机 ● ’ (b)正在拉形 . 降彳氐了成本。 — 一_————叫 万向节让 —£-_————叫 夹钳可以根据 —匹三_—————叫 成形需要而随 —E-_————叫 形摆动,考虑到 —_[三__————叫 每排液压缸都 传统的横向拉形机拉形时需要的“过渡区”较 长,主要是因为工件在过渡区要完成从夹钳处的直 线到模具处曲线的变形;而高柔性多夹钳拉形机只 需要夹钳处曲线接近模具曲线,大大减少所需要的 “过渡区”长度,提高拉形成功率和材料的有效使用 率,同时可以改善工件的贴模状况和成形质量。 多夹钳拉形机的柔性成形对马鞍形工件的拉形 效果更好。在马 鞍形工件的拉 形过程中(图 8),液压缸最终 的回缩量不同, 呈现凹弧形,再 加上夹钳的随 形摆动,大幅提 高了马鞍形工 件的成形质量, 而且可以拉形 传统横向拉形 机不能完成的 横向曲率较大 的马鞍形工件。 (b)夹钳与工件的横截面状态 图8马鞍形工件拉形时夹钳的状态 夹钳的离散化程度越高,越利于柔性成形。但是 考虑到液压缸的设计与使用,以及夹钳夹紧力的限 制,液压缸的外径要选择在一个合理的范围内。每排 液压缸的数目在5~10个时,就可以满足很多工件柔 性成形的需要。 夹钳的离散化使高柔性多夹钳拉形机实现了柔 性成形,虽然增加了液压缸的数目,但是每排液压缸 无论数目多少都只需要一个液压阀就可以控制,因 此,多夹钳拉形机的液压系统并不复杂。 s拉形试验 为了验证高柔性多夹钳拉形机的实际效果,作 了大量的拉形试验。图9所示为高柔性多夹钳拉形 试验机照片。试验机每排安装有5个相同的液压缸, 液压缸外径60ram。其中,水平缸和垂直缸行程 观察多 中球面 mill,宽 向曲率 种形状 ,紧贴 图9拉形试验机 (b)马鞍形件 图l0试验件照片 6结论 离散化的夹钳设计 使夹钳可以随工件形状 摆动,同时根据工件不 同部位的成形需要产生 不同的拉伸量,实现柔 性成形。试验结果表明 高柔性多夹钳拉形机可 以大幅度改善蒙皮类曲 面件的成形质量和贴模 精度。 多夹钳拉形机液压 系统控制简单,无需伺 服控制,从而降低了制 造成本,减小了操作难度。在新型拉形机结构中增加 的倾斜缸可方便的控制拉形方向,并提高拉形时的 拉力,大大提高了材料的利用率。 【参考文献】 [1】邓晓君.新型数控蒙皮拉伸机fJ】.航空制造技术,2007,(4):110. 『21罗红宇,李东升,张彦敏,等.数控蒙皮拉形试验机系统开发与应 用研究[J伸£验技术与试验机,2006,(4):31—33. 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