本發明屬于機械工程領域，尤其涉及用于三維曲面工件塑性成形的裝置及成形方法。

背景技術：

目前，一部分三維板材件可以通過拉伸成形實現，其中大部分飛機蒙皮件都需要拉伸成形來完成。拉伸成形主要依靠拉形設備，目前我國飛機制造公司的多數拉形機是進口設備，不但價格不菲，而且大型或超大型拉形機無法引進，因而大型三維板材件的拉伸成形受到制約。近些年來國內部分研究機構在拉形設備方面進行了相關研究，但是并沒有取得突破性進展。因而發明一種技術可靠、價格低廉的拉形設備將有利于拉形成形在相關領域的快速發展。

中國專利“一種大型薄壁件的拉形和電磁復合漸進成形方法及裝置”公開號為104785621A，公開了一種大型薄壁件的拉形和電磁復合漸進成形方法及裝置，該方法將驅動板置于待變形板料上方，用壓板和托板夾持住驅動板和待變形板料，通過升降油缸帶動托板移動使得驅動板和待變形板料初步拉彎和繃緊，實現拉形過程，調整電磁線圈的位置，使其正對待變形驅動板進行放電，線圈繞凸模軸線在驅動板的表面旋轉一周，實現同一高度下待變形板料與凸模貼合，隨后油缸再次下降并將板料拉彎，線圈放電使待變形板料再次變形并與凸模貼合，依次類推，實現板料的拉形-放電-再拉形-再放電的交替成形過程，直到板料變形結束。本發明可改善材料流動的均勻性，降低板料的減薄率，實現大型難變形材料的柔性加工和精確塑性制造。

中國專利“一種基于模具型面延伸的縱向拉形加載軌跡設計方法”公開號為104391482A，公開了一種基于模具型面延伸的縱向拉形加載軌跡設計方法。其步驟為，步驟一：模具型面延伸，在成形過程中，毛料在夾鉗的作用下，包覆模具型面，使材料成形具有零件曲面的形狀；步驟二：鉗口位置和空間姿態計算，通過模具型面延伸得到毛料在成形過程中最終的包覆情況，將延伸曲面兩端的曲線分別進行處理；(1)鉗口曲線離散(2)計算夾鉗平面(3)計算曲鉗口角度；步驟三：拉形設備運動求解，拉形中間步的加載軌跡設計，可以通過最終的設備參數進行推算；(1)夾鉗俯仰角度計算(2)拉伸作動筒伸長計算。本發明為蒙皮縱向拉形的軌跡設計和軌跡優化提供指導作用。但是本發明未涉及相關的機械結構。

中國專利“四自由度混聯式多頭柔性拉形機”公開號為104174733A，公開了一種四自由度混聯式多頭柔性拉形機，由底座、左牽引裝置、右牽引裝置、左夾板機構、右夾板機構組成。左牽引裝置、右牽引裝置的底部固定在底座上，分別用于支撐左夾板機構和右夾板機構，左牽引裝置與右牽引裝置的結構完全相同，均為{4RPU-UPR}結構的四自由度混聯機構。用于夾持與固定板料的左夾板機構、右夾板機構的結構也完全相同。與現有技術相比，本發明的牽引裝置采用四自由度混聯機構和分層次調節及拉形作業方式，使拉形件上各位置點易于實現柔性變形，減少工藝余量，提高成形質量和材料的利用率。本發明不僅運動自由度多、所需液壓缸的數量少，還具有柔性度高、控制簡單、設備制造成本低等優點。但是該發明的液壓缸數量大，同時其采用了液壓缸有桿腔作業，出力大，耗能高，效率低。

中國專利“高柔性多頭拉形機”公開號為101690960A，公開了一種高柔性多頭拉形機，該機主要由機架、拉料機構、夾料機構和萬向機構組成，機架的兩側分別排列著一排多個拉料機構、夾料機構和萬向機構；所述拉料機構分別由三個液壓缸組成，其中一個液壓缸水平布置，另一個液壓缸豎直布置，第三個液壓缸傾斜布置；所述三個液壓缸(2)一端分別與機架鉸接，另一端分別通過液壓缸聯接體共同與萬向機構和夾料機構聯接。該發明每一個拉伸單元采用了3個拉缸構成，會存在過約束的問題，同時每一個單元多一個液壓缸，從而制造成本和對液壓系統的響應要求較高，更重要的是該發明采用了拉缸的作用，在同樣出力前提下，該發明耗能明顯要大。

中國發明專利“板材拉形機”公開號為101559442，該發明公開了一種用于板類件三維曲面成形的塑性加工設備，該機主要由機架和左右兩側夾持機構、下壓機構組成，所述的機架支撐左、右兩側的夾持機構和下壓機構。所述的夾持機構分為上、下部分，各個部分均由多個夾持裝置排列成一排，所述的下壓機構由多個下壓裝置排列成一排或多排。該發明雖然采用了壓缸出力的方式，但是，壓缸的出力只能是向下，不能控制液壓缸調整方向，使板材變形不均勻。

技術實現要素：

本發明提供一種壓缸式板材拉伸裝置及其成形方法，目的在于簡化成形機構、降低設備制造成本、提高拉形機的出力水平。

本發明采取的技術方案是：壓缸式板材拉伸裝置，該裝置雙側對稱布置，其中一側包括至少一個機械臂組件、一套模具、以及固定底座，所述的機械臂組件包含雙側支撐板、轉軸、主壓力液壓缸、方向控制液壓缸以及夾緊器，所述的雙側支撐板裝配在固定底座上；主壓力液壓缸的缸筒外側安裝有轉軸，主壓力液壓缸的活塞桿端部裝配關節軸承桿；方向控制液壓缸的缸筒端部帶有鉸接孔，方向控制液壓缸的活塞桿端部有關節軸承桿；夾緊器由夾緊液壓缸、滑塊、上銷軸、側銷軸以及本體構成，其特征在于：所述的主壓力液壓缸通過轉軸與雙側支撐板相連，關節軸承桿與夾緊器的上銷軸連接；方向控制液壓缸的缸筒端部鉸接孔與轉軸相連接，轉軸與雙側支撐板連接，關節軸承桿與夾緊器的側銷軸連接。

所述的方向控制液壓缸用于控制主壓力液壓缸的擺動。

所述的夾緊器的夾緊液壓缸固定在本體上，并與滑塊連接，夾緊液壓缸推動滑塊用于夾持板材。

所述的夾緊器可以周向擺動。

使用所述壓缸式板材拉伸裝置的成形方法，包括下列步驟：

(1)夾緊器調平，加裝板材

活塞桿收縮將夾緊器夾口最低點調整到和模具型面最高點等高的位置，同時用方向控制液壓缸調整主壓力液壓缸處于垂直位置，此時加裝板材，推動夾緊器的液壓缸通過滑塊壓緊板材并鎖死，準備拉伸成形；

(2)預拉伸

活塞桿收縮，使主壓力液壓缸偏離垂直位置，同時給主壓力液壓缸加力，促使板材產生塑形變形；

(3)曲面成形

進一步增大主壓力液壓缸的壓力，同時通過方向控制液壓缸控制主壓力液壓缸的壓力和位移方向，促使板材逐漸的靠近模具表面，且使板材的邊緣輪廓逐漸形成與模具邊緣輪廓一致的形狀；

(3)保壓

鎖住各個液壓缸，保持30多秒；同時測量板材表面的貼膜尺寸；

(4)卸載

當貼膜尺寸達到要求，使液壓缸卸載壓力，板材夾緊邊松弛，取下成形件。

所述的拉伸的板材的厚度為1-10mm，板材曲面包含了凹、凸形狀。

所述的板材包含了鋼板、鋁、鎂、銅及其相關的金屬材料。

本發明采用了液壓缸無桿腔出力大的特點，同時該力的方向可以通過控制液壓缸實現控制，進而實現板材在不同階段都以拉、壓多種變形的組合方式，從而促進了板材的局部均勻變形。

本發明優點是結構新穎，借鑒了離散柔性成形技術的特點，采用了壓缸調整板材斷面的輪廓形狀，可以用較小液壓缸代替較大直徑的拉缸，較用液壓拉缸成形力提高40％以上，節約了制造成本，實現板材拉伸的低成本成形。

附圖說明

圖1是采用單側一組機械臂組件對稱布置的板材拉伸裝置結構示意圖；

圖2是主壓力液壓缸的結構示意圖；

圖3是方向控制液壓缸的結構示意圖；

圖4是夾緊器結構示意圖；

圖5是采用單側五組機械臂組件對稱布置的板材拉伸裝置結構示意圖；

圖6是板材夾緊器水平調平后預裝載板材示意圖；

圖7是板材預拉伸過程示意圖；

圖8是板材逐漸靠模曲面成形過程示意圖；

圖9是板材成形保壓和卸載的示意圖；

圖中：1.機械臂組件 2.模具 3.固定底座 11.雙側支撐板 12.轉軸 13.主壓力液壓缸 14.方向控制液壓缸 15.夾緊器 16.板材 131.缸筒 132.轉軸 133.活塞桿 134.關節軸承桿 141.缸筒 142.鉸接孔 143.活塞桿 144.關節軸承桿 151.夾緊液壓缸 152.滑塊 153.上銷軸 154.側銷軸 155.本體。

具體實施方式

下面結合附圖所示實施例進一步說明本發明的具體內容及其工作過程。

如圖1以及圖5所示，一種壓缸式板材拉伸裝置，該裝置雙側對稱布置，其中一側包括至少一個機械臂組件1、一套模具2、以及固定底座3，所述的機械臂組件1包含了雙側支撐板11、轉軸12、主壓力液壓缸13、方向控制液壓缸14以及夾緊器15，所述的雙側支撐板11裝配在固定底座3上；主壓力液壓缸13的缸筒131外側安裝有轉軸132，主壓力液壓缸13的活塞桿133端部裝配關節軸承桿134；方向控制液壓缸14的缸筒141端部帶有鉸接孔142，方向控制液壓缸14的活塞桿143端部有關節軸承桿144，夾緊器15由夾緊液壓缸151、滑塊152、上銷軸153、側銷軸154以及本體155構成，所述的主壓力液壓缸13通過轉軸132與雙側支撐板11相連，關節軸承桿134與夾緊器15的上銷軸153連接；方向控制液壓缸14的缸筒141端部鉸接孔142與轉軸12相連接，轉軸12與雙側支撐板11連接，關節軸承桿144與夾緊器15的側銷軸154連接。

所述的方向控制液壓缸14用于控制主壓力液壓缸13的擺動。

所述的夾緊器15的夾緊液壓缸151固定在本體155上，并與滑塊152連接，夾緊液壓缸151推動滑塊152用于夾持板材16。

所述的夾緊器15可以周向擺動。

使用壓缸式板材拉伸裝置的成形方法，包括下列步驟：

(1)夾緊器15調平，加裝板材16：

活塞桿133收縮將夾緊器15夾口最低點調整到和模具2型面最高點等高的位置，同時用方向控制液壓缸14調整主壓力液壓缸13處于垂直位置，此時加裝板材16，推動夾緊器15的液壓缸151通過滑塊152壓緊板材16并鎖死，準備拉伸成形；

(2)預拉伸：

活塞桿143收縮，使主壓力液壓缸13偏離垂直位置，同時給主壓力液壓缸13加力，促使板材16產生塑形變形；

(3)曲面成形：進一步增大主壓力液壓缸13的壓力，同時通過方向控制液壓缸14控制主壓力液壓缸13的壓力和位移方向，促使板材16逐漸的靠近模具2表面，且使板材16的邊緣輪廓逐漸形成與模具邊緣輪廓一致的形狀；

(4)保壓：鎖住各個液壓缸，保持30多秒；同時測量板材表面的貼膜尺寸；

(5)卸載：當貼膜尺寸達到要求，使液壓缸151卸載壓力，板材夾緊邊松弛，取下成形件。

所述的拉伸的板材16的厚度為1-10mm，板材16曲面包含了凹、凸形狀。

所述的板材16包含了鋼板、鋁、鎂、銅及其相關的金屬材料。

參考圖1和圖5的成形過程中，主壓力液壓缸13輸出壓力，方向控制液壓缸14控制主壓力液壓缸13的擺動，也就是主壓力液壓缸13的壓力輸出方向；主壓力液壓缸13和方向控制液壓缸14共同促使夾緊器15以不同姿態夾持板材16并促使板材16發生變形。

參考圖2所示：壓缸式板材拉伸裝置的主壓力液壓缸13由缸筒131、活塞桿133、轉軸132以及關節軸承桿134構成，成形過程中，主壓力液壓缸13繞轉軸132旋轉。

參考圖3所示：壓缸式板材拉伸裝置的方向控制液壓缸14由缸筒141、活塞桿143以及關節軸承桿144構成，成形過程中，端部鉸孔142繞轉軸12轉動，活塞桿143可以伸縮。

參考圖4所示：壓缸式板材拉伸裝置的夾緊器15由夾緊液壓缸151、滑塊152、上銷軸153、側銷軸154以及本體155構成，成形過程中，上銷軸153與主力液壓缸13連接，側銷軸154與方向控制液壓缸14相連接，夾緊器15的位移大小主要是通過主力液壓缸13驅動，其位移方向主要是通過方向控制液壓缸14控制。

圖5是采用單側五組機械臂組件對稱布置的板材拉伸裝置。

參考圖6至圖9所示：成形過程中，夾緊器調平，加裝板材：通過調整主力液壓缸和方向控制液壓缸實現夾緊器的夾口最低點與模具最高點持平或稍高，此時，添加板材后，通過夾緊液壓缸151推動滑塊152夾緊板材；預拉伸階段，活塞桿143收縮，使主壓力液壓缸13偏離垂直位置，同時給主壓力液壓缸13加力，促使板材16產生塑形變形；曲面成形階段：進一步增大主壓力液壓缸13的壓力，同時通過方向控制液壓缸14控制主壓力液壓缸13的壓力和位移方向，促使板材16逐漸的靠近模具2表面，且使板材16的邊緣輪廓逐漸形成與模具邊緣輪廓一致的形狀；保壓和卸載階段：鎖住各個液壓缸，保持30多秒；同時測量板材表面的貼膜尺寸，當貼模尺寸達到要求時，使液壓缸151卸載壓力，板材夾緊邊松弛，取下成形件。

以上結合具體實施方式對本發明進行了詳細描述，壓缸式板材拉伸裝置只需要增大主壓力液壓缸的輸出壓力就可以達到板材的塑性變形力，而方向控制液壓缸主要是控制主壓力液壓缸的輸出力的方向，比采用相同直徑的拉缸輸出的成形力大40％以上，同時夾緊器與主壓力液壓缸和方向控制液壓缸通過關節軸承相連接，夾緊器不僅可以單獨運動，而且可以實現自由擺頭，更加有利于板材的曲面件拉伸成形。

很明顯，以上描述以及附圖中所示的內容均應被理解為是示例性的，而非意味著對本發明的限制。對于本領域的技術人員來講，顯然可以在本發明的基礎上對其進行各種變形或修改。盡管說明書中分別給出了一組和五組的示范性例子，但如前所述，本領域的技術人員可以根據實際需要自由選擇更少或更多的組數進行布置，等等。顯然，這些變形或修改均應包含在本發明的范圍內。