凸轮驱动重载高速空间包络成形设备
阅读说明：本技术 凸轮驱动重载高速空间包络成形设备 (Cam-driven heavy-load high-speed space envelope forming equipment ) 是由 韩星会 郑方焱 华林 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种凸轮驱动重载高速空间包络成形设备,包括底座、导柱、机头、模架、驱动部件、运动部件、摆头和进给部件；所述驱动部件包括主电机、减速箱、凸轮轴、上凸轮、下凸轮和滑槽；所述运动部件包括六个并联的支链结构和上平台,每个支链的结构完全相同,包括上球铰、球杆、下球铰、滑块和凸轮滚子；所述进给部件包括导套、移动工作台和进给油缸；空间包络成形装备运行时,将坯料放入模架模腔内,摆头做空间包络运动,进给油缸缓慢伸出。本发明通过多个连杆机构协调运动实现模具多自由度运动,能够显著提高金属流动能力,降低成形载荷、改善装备和模具受载状态,从而实现薄壁高筋类构件高效优质连续局部塑性成形制造。(The invention relates to cam-driven heavy-load high-speed space envelope forming equipment which comprises a base, a guide pillar, a machine head, a die carrier, a driving part, a moving part, a swinging head and a feeding part, wherein the guide pillar is arranged on the base; the driving part comprises a main motor, a reduction gearbox, a cam shaft, an upper cam, a lower cam and a sliding groove; the moving part comprises six parallel branched chain structures and an upper platform, and each branched chain has the same structure and comprises an upper spherical hinge, a ball rod, a lower spherical hinge, a sliding block and a cam roller; the feeding part comprises a guide sleeve, a movable workbench and a feeding oil cylinder; when the space envelope forming equipment is operated, a blank is placed into a die cavity of a die frame, the swing head does space envelope motion, and the feeding oil cylinder slowly extends out. The invention realizes the multi-degree-of-freedom movement of the die through the coordinated movement of the plurality of link mechanisms, can obviously improve the metal flow capacity, reduce the forming load and improve the loaded state of equipment and the die, thereby realizing the efficient, high-quality and continuous local plastic forming manufacture of thin-wall and high-rib components.)
技术领域
本发明涉及金属特种成形装备领域，更具体地说，涉及一种凸轮驱动重载高速空间包络成形设备。
背景技术
国际航空航天技术正处于飞速发展阶段，航空航天领域对运载装备轻量化需求日益迫切。薄壁高筋类构件具有重量轻、强度高和承载能力强等优点，能够显著提升运载装备轻量化水平，在运载装备中应用越来越广泛。薄壁高筋类构件具有面积大、壁板薄和筋高等极端几何特征，该极端几何特征显著增大了薄壁高筋类构件制造难度。目前该类构件主要采用焊接和铆接工艺制造，然而焊接和铆接工艺均属于分体式制造工艺，不仅制造工序复杂，制造效率低，而且无法获得连续金属流线，难以实现薄壁高筋类构件高效优质制造。塑性成形工艺是一种先进的整体式制造工艺，相比焊接和铆接工艺，塑性成形工艺不仅制造工序短，制造效率高，而且能够获得完整金属流线和细密组织，是实现薄壁高筋类构件高效优质制造的重要方法。然而常规塑性成形工艺是采用普通锻压机驱动模具作上下单自由度运动实现复杂构件塑性成形，单自由度模具运动模式不仅限制了金属流动能力，而且成形载荷大，装备和模具服役条件恶劣，难以成形具有极端几何特征的薄壁高筋类构件。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种凸轮驱动重载高速空间包络成形设备，通过多个连杆机构协调运动实现模具多自由度运动，能够显著提高金属流动能力，降低成形载荷、改善装备和模具受载状态，从而实现薄壁高筋类构件高效优质连续局部塑性成形制造。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种凸轮驱动重载高速空间包络成形设备，包括底座、导柱、机头、模架、驱动部件、运动部件、摆头和进给部件；
所述驱动部件包括主电机、减速箱、凸轮轴、上凸轮、下凸轮和滑槽；所述运动部件包括六个并联的支链结构和上平台，每个支链的结构完全相同，包括上球铰、球杆、下球铰、滑块和凸轮滚子；所述进给部件包括导套、移动工作台和进给油缸；
底座固定安装在导柱的下端，导柱的上端与机头连接；底座的中部安装进给油缸，进给油缸的缸杆顶端固定安装在移动工作台的中部，移动工作台的四角安装有导套，导套内圆面与导柱形成滑动配合；模架安装在移动工作台的中心，模架的模腔内放置待加工的工件；机头的上端安装有减速箱，减速箱上安装主电机，减速箱的输出轴通过联轴器与凸轮轴连接，凸轮轴的下端通过键连接安装有上凸轮和下凸轮，上凸轮和下凸轮内有凸轮沟槽，分别与三个凸轮滚子间隙配合，凸轮滚子安装在对应滑块的内侧，并且可沿其轴心转动；机头的下端固联有六个滑槽，六个滑槽以两个为一组三等分中心对称，每个滑槽的内部通过间隙配合均安装有滑块，滑块可在滑槽内部移动，滑块的内侧安装有凸轮滚子，每个滑块的下侧均固定安装有上球铰；每个上球铰均通过内球面与球杆形成间隙配合，每个球杆的下端通过球面配合安装有下球铰，六个下球铰以两个为一组三等分中心分布固定在上平台上，形成闭合的整体运动平台；上平台的中心与摆头连接；
主电机带动减速箱的输入轴旋转，通过减速箱的减速增矩作用使凸轮轴以及上凸轮、下凸轮同时旋转，上凸轮、下凸轮转动迫使各自凸轮槽内的凸轮滚子旋转，并推动相应的滑块以及其下的上球铰沿着滑槽做依次往复运动，从而迫使安装在其球面内的球杆做周期性空间运动，由于六个球杆的协同运动作用，上平台和摆头作空间包络成形运动；
空间包络成形装备运行时，将坯料放入模架模腔内，摆头做空间包络运动，进给油缸缓慢伸出，推动与其连接的移动工作台以及模架沿着导柱向上运动，使摆头逐步靠近对坯料进行多道次局部辗压。在模腔和摆头的共同作用下，坯料产生连续局部塑性变形并整体成形。
上述方案中，所述移动工作台中心有台阶通孔，台阶通孔的下端台阶上通过圆周分布的螺栓安装顶出油缸，顶出油缸的缸杆顶端通过螺纹固定安装顶杆，移动工作台的上端中心上加工有定位法兰，所述模架通过定位法兰安装在移动工作台的中心。
上述方案中，所述驱动部件和运动部件安装在机头上，运动部件上安装摆头，摆头随运动部件运动，所述进给部件安装在底座上，进给部件上安装模架，模架随进给部件实现进给运动。
上述方案中，所述驱动部件和运动部件安装在底座上，运动部件上安装模架，模架随运动部件运动，所述进给部件安装在机头上，进给部件上安装摆头，摆头随进给部件实现进给运动。
上述方案中，所述驱动部件为沟槽凸轮式，沟槽凸轮式驱动部件中上凸轮、下凸轮均加工有凸轮槽，安装在滑块上的滚子与该凸轮槽配合，通过凸轮槽的两侧曲面推动滑块往两个方向移动。
上述方案中，所述驱动部件为共扼凸轮式，共扼凸轮式驱动部件中上凸轮、下凸轮均加工有一大一小两张共扼凸轮外轮廓曲面，在每个滑块不同位置的两个滚子与两张凸轮外轮廓配合。
上述方案中，所述上平台运动的位姿，通过六个滑块的位移hi(i＝1L 6)求出，其约束关系如式(1)所示：
式中Tb为空间包络运动所要求的平台运动张量，rB动平台上球铰中心的分布半径，为6个球铰中心对角的圆周角，rA为机座上滑块移动中心所分布的圆半径，为滑块中心对应的圆周角，l为球杆的球心距。
上述方案中，上球铰分布在半径较大的圆周上，下球铰分布在半径较小的圆周上，即rA＞rB；任意两相邻的球杆构成一个空间梯形，对于任意一球杆，其左侧的梯形与右侧梯形上下形状必须巅倒，即若左侧梯形上底边长、下底边短，则右侧的梯形必须有上底边短、下底边长。
实施本发明的凸轮驱动重载高速空间包络成形设备，具有以下有益效果：
1、通过电机驱动上、下凸轮带动六连杆协同运动，可实现该装备摆头系统的任意空间包络运动，进而实现复杂薄壁高筋极端结构空间包络近净成形制造；
2、采用多自由度六连杆并联驱动构型，结构简单可靠，并极大地提高装备的刚度和承载能力，同时可提高装备的抗偏载能力；
3、通过修正凸轮轮廓线来补偿装备加工以及变形误差，从而实现该装备高精度。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1(a)是本发明采用驱动上置方案的结构示意图；
图1(b)是本发明采用驱动下置方案的结构示意图；
图2本发明沟槽凸轮驱动部件结构示意图；
图3(a)是上凸轮轮廓及其与滚子啮合情况示意图；
图3(b)是下凸轮轮廓及其与滚子啮合情况示意图；
图4是本发明运动部件结构示意图；
图5是本发明中球铰的空间分布示意图；
图6是本发明导柱式进给部件结构示意图；
图7是球铰分开结构示意图；
图8是本发明共扼凸轮驱动部件结构示意图；
图9(a)是本发明的共扼凸轮上凸轮轮廓及其与滚子啮合情况示意图；
图9(b)是本发明的共扼凸轮下凸轮轮廓及其与滚子啮合情况示意图；
图10本发明导轮式进给部件结构示意图；
图11圆轨迹时共扼凸轮的理论轮廓曲线图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明凸轮驱动重载高速空间包络成形设备，如图1(a)、图1(b)所示，其包括底座1、导柱3、机头2、模架18、驱动部件28、运动部件29、摆头 25、进给部件30部分。其中驱动部件28如图2、图3(a)、图3(b)所示，包括大功率主电机4、减速箱5、凸轮轴6、上凸轮26、下凸轮27、滑槽7；运动部件29如图4、图5所示，由6个并联的支链结构和上平台构成，每个支链的结构完全相同，包括上球铰9、球杆10、下球铰11、滑块8和凸轮滚子13；进给部件30如图6所示，包括导套14、移动工作台15、进给油缸16。
该装备各部件的具体连接方式为：底座1的四角固定安装在导柱3的下端，导柱的上端与机头2固定连接；底座1的上平面中心上通过螺栓安装有大功率进给油缸16，油缸的缸杆上通过螺栓与移动工作台15的中部固联，移动工作台15的四角安装有导套14，导套14的内圆面与导柱3形成滑动配合；移动工作台15的中心加工有台阶通孔，通孔的下端台阶上通过圆周分布的螺栓安装顶出油缸21，顶出油缸的缸杆顶端通过螺纹固定有顶杆22，移动工作台15 的上平面中心上有定位法兰；模架18通过该法兰安装在移动工作台15的中心上，模架18的模腔内放置工件；机头2的上端通过螺栓安装有减速箱5，减速箱5上的输入法兰安装主电机4，减速箱5的输出轴通过联轴器与凸轮轴6 联接，凸轮轴6的下端通过键连接安装有两片凸轮，依次为上凸轮26和下凸轮27，上凸轮26和下凸轮27内有凸轮沟槽，分别与三个凸轮滚子13滚动配合，凸轮滚子13安装在相应滑块8的内侧，并且可沿轴线转动；机头2的下端固联有6个滑槽7，6个滑槽7以两个为一组三等分中心对称，滑槽7的内部通过间隙配合安装有6个滑块8，滑块8可在滑槽7内部移动，滑块8的内侧安装有凸轮滚子13与相应的凸轮相配合，每个滑块8的下侧均固定安装有相应的上球铰9；每个上球铰9均通过内球面与球杆10形成间隙配合，每个球杆10的下端通过球面配合安装有下球铰11，6个下球铰11按一定的角度，以两个为一组三等分中心分布在上平台12上，通过球铰底部的定位销定位和底部的螺纹孔固联，最终形成一个闭合的整体运动平台；上平台12的中心有定位法兰与摆头25联接。
装备运行时，主电机4带动减速箱5的输入轴旋转，通过减速箱5的减速增矩作用使凸轮轴6以及其上的上凸轮26和下凸轮27同时旋转，上凸轮26 和下凸轮27转动迫使各自凸轮槽内的凸轮滚子13旋转，并推动相应的滑块8 以及其下的上球铰9沿着滑槽7做依次往复运动，从而迫使安装在其球面内的球杆10做周期性空间运动，最终通过6个球杆10的协同作用，迫使上平台 12以及其上的摆头25作空间包络运动；装备进给时，进给油缸16缓慢伸出，推动与其连接的移动工作台15以及其上的模架沿着导柱3向上运动，使摆头逐步靠近工件并摆动挤压，从而使零件成形。
本发明的进给部件30可采用导柱式和导轮式两种：如图8所示，导柱式进给部件30的导柱3为圆形，安装在移动工作台上四个导套14与该圆形导柱 3滑动配合，实现移动工作台的移动；导轮式进给部件30的导柱3为方形，四个导柱的内侧加工有耐磨的滑动表面，安装在移动工作台上8 组导轮14与该表面形成滚动配合，实现移动工作台的上移移动。
本发明驱动部件28可采用沟槽凸轮式和共扼凸轮式两种：如图2、3所示，沟槽式凸轮式驱动部件28中上凸轮26和下凸轮27均加工有凸轮槽，安装在滑块8上的滚子13与该凸轮槽配合，通过凸轮槽的两侧曲面推动滑块往两个方向移动；如图10、11所示，共扼凸轮式驱动部件28中上凸轮26和下凸轮 27均加工有一大一小两张共扼凸轮外轮廓曲面，在每个滑块8不同位置的两个滚子13与两张凸轮外轮廓配合，由于每个滑块8上的两个滚子13距离不变以及共扼凸轮曲面的作用，上凸轮26和下凸轮27便可推动相应的滑块实现正、反两个方向的移动。同时，可通过更换凸轮实现不同的包络运动轨迹，包括圆形、直线、螺旋线、抛物线、玫瑰线以及相应的组合等，不同的包络运动轨迹可满足不同构件的成形要求。
主电机带动减速箱的输入轴旋转，通过减速箱的减速增矩作用使凸轮轴以及上、下凸轮同时旋转，上、下凸轮转动迫使各自凸轮槽内的凸轮滚子旋转，并推动相应的滑块以及其下的上球铰沿着滑槽做依次往复运动，从而迫使安装在其球面内的球杆做周期性复杂空间运动，由于6个球杆的协同运动作用，上平台和摆头作复杂的空间包络成形运动，其运动的轨迹基于机床的机构学约束关系和传动关系，由凸轮的轮廓曲线保证；该装备上平台运动的位姿，即运动张量可以由6个滑块的位移hi(i＝1L 6)求出，其约束关系如式(1)所示：
式中Tb为空间包络运动所要求的平台运动张量，rB动平台上球铰中心的分布半径，为6个球铰中心对角的圆周角，rA为机座上滑块移动中心所分布的圆半径，为滑块中心对应的圆周角，l为球杆的球心距。
该装备可通过替换上、下凸轮来实现不同的包络成形运动。槽凸轮的曲面可根据以下步骤求解：
1、求解凸轮的理论中心轨迹，基于式(2)
式中，rt1和rt2为上、下两边凸轮的中心轨迹，φ为凸轮的转角，eh为凸轮滑子中心到上球铰中心的距离。
2、求解槽凸轮的轮廓曲线，按式(3)求解
式中r1w,r1n为上凸轮的外、内两条凸轮曲线轨迹；r2w,r2n为下凸轮的外、内两条凸轮曲线轨迹，rz为凸轮的滚子半径。
共扼凸轮的曲面可根据以下步骤求解：
1、求解凸轮的理论中心轨迹
外侧凸轮的理论中心轨迹与槽凸轮的中心轨迹一致，也基于式(2)。内侧凸轮的理论中心轨迹按下式(4)求解。
式中ed为滑块上两凸轮滚子的距离。
2、求解共扼凸轮的轮廓曲线，按式(5)求解
式中r1w,r1n为上凸轮的外、内两条凸轮曲线轨迹；r2w,r2n为下凸轮的外、内两条凸轮曲线轨迹，rz为凸轮的滚子半径。
本实施例中当摆头的中心高度zt＝850，连杆长度l＝750，动平台上球铰中心的分布半径rB＝750，机座上滑块移动中心所分布的圆半径rA＝950，6个球铰中心对角的圆周角滑块中心对应的各点的圆周角采用锥角为2.5 度的圆轨迹，共扼凸轮的理论轮廓形状如图11所示。
空间包络成形装备运行时，将坯料放入模架模腔内，摆头做空间包络运动，进给油缸缓慢伸出，推动与其连接的移动工作台以及模架沿着导柱向上运动，使摆头逐步靠近对坯料进行多道次局部辗压。在模腔和摆头的共同作用下，坯料产生连续局部塑性变形并整体成形；成形结束后，模架向下运动退出，顶杆将工件从模架模腔内顶出。
为了保证装备运动不产生奇异，上球铰分布在半径较大的圆周上，下球铰分布在半径较小的圆周上，即rA＞rB；任意两相邻的球杆构成一个空间梯形，对于任意一球杆，其左侧的梯形与右侧梯形上下形状必须巅倒，即若左侧梯形上底边长、下底边短，则右侧的梯形必须有上底边短、下底边长；为了使装备具有较好的承载条件，上平台水平时，球杆的轴线与平台的夹角大于75度。
为了保证装备的运动精度和寿命，球杆采用一次性加工，球铰分开两半加工。为了保证两半球铰能正确的与球杆配合，两半球铰上通过定位销进行精确定位，并通过螺栓连接；两半球铰的底面上均设置有定位销孔31，从而与动平台定位配合，保证装配精度和各连杆的相对位置和角度；球铰采用油润滑，球铰的内球面内开有油槽32，装备运行时，润滑油会通过油槽进入球副的接触面。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
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