一种用于复合制造的多级随形加热装置及加工系统

技术领域

本发明涉及金属加工领域，具体涉及一种用于复合制造的多级随形加热装置。

背景技术

金属板材渐进成形是一种无模柔性成形技术。渐进成形技术采用了“分层制造”的思想,不需要定制模具而改用简单的支撑和夹具，通过球形工具头,按照预先编制好的轨迹在金属板料上进行逐层挤压成形,能够在局部区域成形出复杂曲面,节约模具的研发成本,缩短生产周期,适用于小批量、多需求的复杂构件的生产。目前,该技术逐渐被应用于航天和医疗等领域。激光熔覆是近年来新兴的一种表面强化技术，它是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用激光束使之与基材表面一薄层熔合，在材料表面形成一定厚度的合金层，从而改善和提高材料表面的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能，与传统表面强化工艺相比，激光熔覆在提高工程构件产品性能的同时还能够降低生产成本。因此，将渐进成形与激光熔覆集成一体的复合制造技术在未来科技应用中将产生重要作用。

然而，在常温环境中运用复合制造技术，不仅会导致板材或工件加工后尺寸精度损失和大范围变形，还可能导致显微组织退化以及产生不良的力学性能，使得板材在加工时冷热不均产生残余应力发生变形开裂。

发明内容

为了实现板材或工件在不同温度环境下的柔性成形与表面质量强化提高，本发明提供了一种用于复合制造的多级随形加热装置及系统，主要具备以下功能：1、能够实现对板材或工件随形预热处理以完成渐进成形或激光熔覆；2、在复合制造过程中实现对板材或工件不同区域温度协同控制，以实现板材或工件在最优良温度环境下加工处理，解决板材或工件加工时冷热不均产生残余应力造成质量下降的问题；3、本发明装置可同时配备多套，当板材或工件加工完毕后，工件撤出夹具固定位置，柔性接触式加热工具头与工件表面接触产生的弹力消失，弹簧支撑系统、柔性接触式加热工具头行程归零。当加工不同工件时，利用弹簧特性实现工具头与工件表面自动接触夹紧，不需要人工调换，满足自动化生产要求。

为了实现上述功能，本发明采用下述技术方案：

本发明提出了一种用于复合制造的多级随形加热装置，包括多个柔性接触式加热工具头和驱动装置，所述的驱动装置调节柔性接触式加热工具头的高度；所述的柔性接触式加热工具头包括柔性加热组块、伸缩铰接架、边框架、顶杆、连杆和弹簧；所述的伸缩铰接架的两端通过销与两个边框架过渡配合，在两个边框架的顶部连接有柔性加热组块，两个边框架的底部通过弹簧相连，且两个边框架各铰接一个连杆，两个连杆的另外一端与同一个顶杆铰接；所述的柔性加热组块与电控加热单元相连。本发明通过伸缩铰接架、边框架、顶杆、连杆等可以改变柔性加热组块的加热面积，进而适应不同的板材加工。

作为进一步的技术方案，所述的驱动装置包括液压系统和弹性组件，液压系统的顶杆端部设置一个可拆卸螺纹盘，在所述的可拆卸螺纹盘上设置多个并列设置的弹性组件，每个弹性组件连接一个柔性接触式加热工具头。

作为进一步的技术方案，所述弹性组件包括外壳、下限位装置、压缩弹簧、上限位装置；所述的压缩弹簧通过螺纹连接于上限位装置的下部和下限位装置的顶部组成限位总成装配体；所述限位总成装配体从外壳下方插入所述外壳内完成间隙配合，且上限位装置与顶杆相连。

作为进一步的技术方案，所述的电控加热单元安装在下限位装置上。

作为进一步的技术方案，所述的上限位装置为一个阶梯状杆件，且与柔性接触式加热工具头顶杆之间通过螺纹连接。

作为进一步的技术方案，所述的外壳与可拆卸螺纹盘通过螺栓连接，其顶部开设有供上限位装置穿过的孔。

作为进一步的技术方案，所述的柔性加热组块包括两个相对设置的固定支架，每个固定支架上固定有一排外套管，每个外套管内安装均有加热电阻，且两个固定支架上的外套管相间设置。

作为进一步的技术方案，一个驱动装置可驱动多个并列设置的柔性接触式加热工具头。

作为进一步的技术方案，在两个边框架相对的面上各设有一个限位柱。

第二方面，本发明还提供了一种加工系统，包括所述的用于复合制造的多级随形加热装置。

作为进一步的技术方案，所述的加工系统，还包括渐进成形工具头和激光熔覆工具头，待加工板材通过所述的多级随形加热装置进行支撑，所述的渐进成形工具头和激光熔覆工具头与多级随形加热装置配合，对板材进行加工。

本发明的有益效果如下：

1、本发明中当顶杆在外力作用下向上压动两个连杆时，两个连杆的夹角增大，进而带动两个边框架向两侧运动，进而拉动柔性加热组块的两个固定支架向两侧运动，进而增大对板材的加热面积，当卸掉加工完毕的板材时，两个边框架在弹簧的作用下相向运动，当移动到两个限位柱相撞位置时，两个边框架停止运动，实现复位；且设置伸缩铰接架的目的是为了使两个边框架的运动更加平稳；通过该装置能够实现对板材或者工件随形预热处理以完成板材或者工件成形。

即本发明基于渐进成形——激光熔覆复合制造的工艺原理，实现对复合制造过程中大曲面、不规则、表面多变化板材或工件表面进行随形加热，解决板材或工件在复合制造过程中由于冷热不均产生残余应力造成质量下降的问题。

2、本发明利用液压系统——弹性组件——柔性接触式加热工具头多级垂直位移装置，通过电控单元使系统协同配合，使柔性接触式加热工具头与板材或工件表面完成接触。主要分为以下两种作业情况：①成形件等距垂直距离变化小且不需要大工作行程时，液压系统停止工作，弹簧工具头利用弹簧弹力大小可调且随形可控的工作特性对板材进行接触式电加热。当板材加热完毕后，板材撤出加工位置，弹力消失，电控加热单元停止向柔性加热组块供电，多级随形加热装置归零。当加工不同板材时，利用弹簧回弹特性实现自动接触夹紧，不需要人工调换，满足自动化生产要求。②当成形件等距垂直距离变化大且超过弹性组件与柔性接触式加热工具头垂直作用距离时，液压系统发挥作用。通过控制液压缸升程将弹簧工具头运送到作业位置并利用弹簧弹力大小可调且随形可控的工作特性对板材进行接触式电加热。当板材加热完毕后，板材撤出加工位置，弹力消失，电控加热单元停止向柔性加热组块供电，加热结束，多级随形加热装置归零。当加工不同板材时，利用弹簧回弹特性实现自动接触夹紧，不需要人工调换，满足自动化生产要求。

3、柔性接触式加热工具头利用机构特性，板材表面与弹簧工具头相接触，并向下压缩产生作用力，柔性接触式加热工具头中的顶杆产生向上推力，使得长伸缩铰接架向外扩张，加热工具头中的弹簧由原先放松限位位置拉伸并带动柔性加热组块拉伸，使得加热面积增大，加热组块与板材完整契合完成加热。加热组块由于伸缩铰接架组成的伸缩结构使得在工作过程中不会产生扭转打弯情况，工作过程更为保险。当加热完毕后，板材撤出加工位置，板材表面与柔性接触式加热工具头产生间隙，弹簧弹力消失，电控加热单元停止向柔性加热组块供电，加热结束，柔性接触式加热工具头中的弹簧归零，装置回到初始位置，完成工作循环。

附图说明：

图1为一种用于复合制造的多级随形加热装置整体作业示意图；

图2为图1中的弹性组件的结构示意图；

图3为柔性接触式加热工具头整体示意图；

图4为柔性加热组块断面示意图；

图5为柔性加热组块在部分插装状态下的示意图；

图6为柔性加热组块在完全插装状态下的示意图；

图7为柔性接触式加热工具头辅助支撑装置示意图；

图8为多级随形加热装置作用于大曲率球形板材示意图；

图9为多级随形加热装置作用于阶梯状板材示意图；

图10为多级随形加热装置作用于大曲面形板材示意图；

图1中：1—激光熔覆机械臂、2—激光熔覆头、3—板材、4—夹具、5—液压系统、6—可拆卸螺纹盘、7—下限位装置、8—两端带螺纹式压缩弹簧、9—电控加热单元、10—传感导线、11—螺母、12—螺栓、13—弹性组件外壳、14—上限位装置、15—柔性接触式加热工具头、16—可伸缩式渐进成形工具头、17—伺服电机、18—渐进成形机械臂；15-1—螺钉、15-2—柔性加热组块、15-2-1固定支架、15-2-2外套管、15-2-3加热电阻、15-3—伸缩铰接架、15-4—销、15-5—边框架、15-6—顶杆、15-7—连杆、15-8—带耳弹簧、15-9—限位柱。

具体实施方式

下面结合附图1-附图7对本发明进行详细说明，具体的结构如下：本发明提供了一种用于复合制造的多级随形加热装置，通过运用多级随形加热装置实现复合制造过程中对板材的温度控制，解决连续性多变化大曲面板材在复合制造过程中由于板材冷热不均产生残余应力造成质量下降的问题。具体包括弹性组件、柔性接触式加热工具头、液压系统和总控单元四大部分；

其中，弹性组件包括多个并列设置的液压系统5，在每个液压系统5的顶杆端部设置一个可拆卸螺纹盘6，在所述的可拆卸螺纹盘6上设置多个并列设置的弹性组件，多个弹性组件用于支撑板材3(具体可以参见图2)；每个弹性组件的结构相同，包括螺栓12、螺母11、下限位装置7、两端带螺纹式压缩弹簧8、电控加热单元9、上限位装置14、柔性接触式加热工具头15；其中，可拆卸螺纹盘6通过螺纹连接于液压系统5中的顶柱完成装配，两端带螺纹式压缩弹簧8通过螺纹连接于上限位装置14的下部和下限位装置7的顶部组成限位总成装配体；其中上限位装置14和下限位装置7的中心位置设置螺纹孔，实现弹簧与其的螺纹连接；组装好的限位总成装配体从弹性组件外壳13下方插入与弹性组件外壳完成间隙配合，其整体通过螺栓连接与可拆卸螺纹盘6完成整体装配，然后将上限位装置14与柔性接触式加热工具头15相连。

需要说明的是，在本实施例中，可拆卸螺纹盘6上设置了三个弹性组件，但是在其他实施例，弹性组件的个数不限于三个，可以根据需要设置四个、五个等。

需要说明的是，在本实施例中，液压系统5设置了六个，但是在其他实施例，弹性组件的个数不限于六个，可以根据需要设置三个、四个、五个、七个等，具体数量根据板材的面积大小进行选择即可。

如图3所示，上述的柔性接触式加热工具头15包括螺钉15-1、柔性加热组块15-2、伸缩铰接架15-3、销15-4、边框架15-5、顶杆15-6、连杆15-7、带耳弹簧15-8、限位柱15-9；

其中伸缩铰接架15-3的两端通过销15-4与两个边框架15-5过渡配合，在两个边框架15-5的顶部连接有柔性加热组块15-2，两个边框架15-5的底部通过两个弹簧8相连，且两个边框架15-5各铰接一个连杆15-7，两个连杆15-7的另外一端与顶杆15-6铰接；且在两个边框架15-5的相对的面上各设有一个限位柱15-9，当两个边框架15-5在带耳弹簧15-8作用下，边框架15-5带着限位柱15-9相向移动到两个限位柱15-9相撞位置时，两个边框架15-5停止运动。

进一步的，上述的限位柱9通过螺纹旋入边框架5，带耳弹簧8挂入边框架5的凹槽中，柔性加热组块2通过螺钉旋入边框架5中完成最后装配。

进一步的，所述的柔性加热组块包括两个相对设置的固定支架15-2-1，每个固定支架15-2-1上固定有一排外套管15-2-2，每个外套管内安装均有加热电阻15-2-3，且两个固定支架上的外套管15-2-2相间设置；如图5所示，为柔性加热组块在部分插装状态下的示意图；图6为柔性加热组块在完全插装状态下的示意图；一个固定支架15-2-1与其中一个边框架15-5通过螺栓或者螺钉相连，另外一个固定支架15-2-1与另外一个边框架15-5通过螺栓或者螺钉相连；当顶杆15-6在外力作用下向上压动两个连杆时，两个连杆的夹角增大，进而带动两个边框架15-5向两侧运动，进而拉动柔性加热组块的两个固定支架向两侧运动，进而增大加热面积，当卸掉加工完毕的板材时，两个边框架15-5在带耳弹簧15-8的用下相向运动，当移动到两个限位柱15-9相撞位置时，两个边框架15-5停止运动；设置伸缩铰接架15-3的目的是为了使两个边框架的运动更加平稳。

上述的液压系统包括指令元件(编程器)、比较元件、电控器、比例阀、液压缸、检测反馈元件等，由于实现伸缩功能的液压系统属于常见系统，因此，在此不进行赘述了。

进一步的，总控单元包括主控模块温度数据采集模块、温度数据监测模块、显示单元模块等构成，实现加热面温度数据监测、加热面状态估计、在线故障诊断、加热安全控制与报警、信息存储等功能，由于总控单元与现有的控制系统基本相同，因此，在此不进行赘述了。

本实施例中通过设置指液压系统、弹性组件和柔性接触式加热工具头形成多级控制，液压系统、弹性组件和柔性接触式加热工具头的工作区间可单独或协同调整。具体地，液压系统控制器在总控单元信号反馈下利用程序模块驱动电磁阀开启，液压缸随即实现上下往复运动；弹性组件在顶柱载荷作用下，通过两端带螺纹式压缩弹簧压缩程度不同可实现上限位装置(中间开孔带螺纹)上下往复运动；柔性接触式加热工具头中的伸缩铰接架可实现自适应伸缩，柔性加热组块在由伸缩铰接架组成的伸缩结构作用下完成扩张实现与板材接触。

当成形件等距垂直距离变化小且不需要大工作行程时，液压系统停止工作，板材或工件与柔性接触式加热工具头相接触，并向下压缩产生作用力，使得弹性组件中的弹簧被压缩、柔性接触式加热工具头中的弹簧被拉伸。弹性组件与柔性接触式加热工具头产生的弹簧弹力共同作用于板材表面。当柔性接触式加热工具头与板材表面接触时，产生信号并反馈至电控加热单元，电控加热单元根据设定好的程序模块产生不同功率的电流电压作用于柔性加热组块完成加热。当加热完毕后，板材撤出加工位置，板材表面与柔性接触式加热工具头产生间隙，弹簧弹力消失，电控加热单元停止向柔性加热组块供电，弹性组件与柔性接触式加热工具头中的弹簧归零，装置回到初始位置。

当成形件等距垂直距离变化大且超过弹性组件与柔性接触式加热工具头垂直作用距离时，液压系统发挥作用。装置总控单元将信号反馈于液压系统中的控制器，并利用程序模块数据驱动电磁阀开启，液压缸随即向上运动，通过可拆卸螺纹盘将弹性组件与柔性接触式加热工具头运送至合适的加工位置。运送至合适的加工位置后，板材与弹簧工具头相接触，并向下压缩产生作用力，使得弹性组件中的弹簧被压缩、柔性接触式加热工具头中的弹簧被拉伸。弹性组件与柔性接触式加热工具头产生的弹簧弹力共同作用于板材表面。当柔性接触式加热工具头与板材表面接触时，产生信号并反馈至电控加热单元，电控加热单元根据设定好的程序模块产生不同功率的电流电压作用于柔性加热组块完成加热。当加热完毕后，板材撤出加工位置，板材表面与柔性接触式加热工具头产生间隙，弹簧弹力消失，电控加热单元停止向柔性加热组块供电，弹性组件与柔性接触式加热工具头中的弹簧归零，装置总控单元将信号反馈于液压系统中的控制器，并利用程序模块数据驱动电控溢流阀开启，液压系统卸荷，装置回到初始位置。

柔性接触式加热工具头利用机构特性，根据与板材表面作用产生的受力大小使得柔性加热组块面积大小可调。具体描述为，板材表面与柔性接触式加热工具头相接触并向下压缩产生作用力，柔性接触式加热工具头中的顶杆产生向上推力，使得长伸缩铰接架向外扩张，柔性接触式加热工具头中的弹簧由原先放松限位位置拉伸并带动柔性加热组块拉伸，使得加热面积增大，加热组块与板材完整契合完成加热。加热组块由于伸缩铰接架组成的伸缩结构使其在工作过程中加热组合不会出现扭转打弯情况，工作过程更为保险。当加热完毕后，板材撤出加工位置，板材表面与柔性接触式加热工具头产生间隙，弹簧弹力消失，电控加热单元停止向柔性加热组块供电，柔性接触式加热工具头中的弹簧归零，装置回到初始位置，完成工作循环。

实施案例一：

如图1所示，上述多级随形加热装置作用于平面板材的加工过程如下：

1、根据需要加工的板材形状选择合适的夹具4，通过夹具4压板将板材3固定；

2、由于成形件等距垂直距离变化小且不需要大工作行程，液压系统5不需要启动，停止工作；

3、夹具4压板将板材3固定后，板材3表面与柔性接触式加热工具头相接触，并向下压缩产生作用力，使得弹性组件中的两端带螺纹式压缩弹簧8被压缩、柔性接触式加热工具头中的带耳弹簧15-8被拉伸。弹性组件与柔性接触式加热工具头产生的弹簧弹力共同作用于板材表面。当柔性接触式加热工具头与板材表面接触后产生信号并反馈于总控单元的温度数据采集模块，同时向电控加热单元9中的控制器发出加热命令，总控单元中的温度数据监测模块将加热数据收集并反馈于总控单元和电控加热单元9，电控加热单元9根据设定好的程序模块产生不同功率的电流电压作用于柔性加热组块15-2完成加热。

4、当加热完毕后，板材撤出加工位置，板材表面与柔性接触式加热工具头产生间隙，弹簧弹力消失。总控单元将信号反馈于电控加热单元9停止向柔性加热组块供电，加热停止。温度数据采集模块完成加热数据采集整理。弹性组件与柔性接触式加热工具头中的弹簧归零，装置回到初始位置，工作结束。

5、当加工不同板材或工件时，利用弹簧回弹特性实现柔性接触式加热工具头与板材或工件表面自动接触夹紧，不需要人工调换，满足自动化生产要求。

实施案例二：

如图4所示，本实施案例提供了一种多级随形加热装置作用于大曲率球形板材时的加工方法，如下：

1、根据需要加工的板材形状选择合适的夹具，通过夹具压板将板材固定；

2、由于成形件等距垂直距离变化大且超过弹性组件与柔性接触式加热工具头垂直作用距离，系统总控单元发出指令反馈于5液压系统，液压缸带动6可拆卸螺纹盘向上移动，达到弹性组件与柔性接触式加热工具头合适的工作距离后停止。

3、由于板材中间位置等距垂直距离变化小且不需要大工作行程，所以液压系统5不需要启动；

4、夹具压板将板材固定后，板材表面与柔性接触式加热工具头相接触，并向下压缩产生作用力，使得弹性组件中的两端带螺纹式压缩弹簧8被压缩、柔性接触式加热工具头中的带耳弹簧15-8被拉伸。弹性组件与柔性接触式加热工具头产生的弹簧弹力共同作用于板材表面。当柔性接触式加热工具头与板材表面接触后产生信号并反馈于总控单元的温度数据采集模块，同时向电控加热单元9中的控制器发出加热命令，总控单元中的温度数据监测模块将加热数据收集并反馈于总控单元和电控加热单元9，电控加热单元9根据设定好的程序模块产生不同功率的电流电压作用于柔性加热组块9完成加热。

5、当加热完毕后，板材撤出加工位置，板材表面与柔性接触式加热工具头产生间隙，弹簧弹力消失。总控单元将信号反馈于电控加热单元9停止向柔性加热组块供电，加热停止。温度数据采集模块完成加热数据采集整理。弹性组件与柔性接触式加热工具头中的弹簧归零，装置回到初始位置。系统总控单元发出卸荷指令反馈于液压系统5，液压缸复位，工作结束。

6、当加工不同板材或工件时，利用弹簧回弹特性实现柔性接触式加热工具头与板材或工件表面自动接触夹紧，不需要人工调换，满足自动化生产要求。

实施案例三：

如图6、图7所示，本实施例提供了一种多级随形加热装置作用于阶梯状板材或大曲面形板材的方法，具体如下：

1、根据需要加工的板材形状选择合适的夹具，通过夹具压板将板材固定；

2、由于成形件间隔距离超过弹性组件与柔性接触式加热工具头垂直作用距离，系统总控单元发出指令反馈于液压系统5，液压缸带动可拆卸螺纹盘6向上移动，达到弹性组件与柔性接触式加热工具头合适的工作距离后停止。

3、当弹性组件与柔性接触式加热工具头进入合适的工作范围后，板材加工面与柔性接触式加热工具头相接触，并向下压缩产生作用力，使得弹性组件中的两端带螺纹式压缩弹簧8被压缩、柔性接触式加热工具头中的带耳弹簧15-8被拉伸。弹性组件与柔性接触式加热工具头产生的弹簧弹力共同作用于板材表面。当柔性接触式加热工具头与板材表面接触后产生反馈信号并作用于电控加热单元9，电控加热单元9根据设定好的程序模块产生不同功率的电流电压作用于2柔性加热组块15-2完成加热。

4、当加热完毕后，板材撤出加工位置，板材表面与柔性接触式加热工具头产生间隙，弹簧弹力消失，总控单元将信号反馈于电控加热单元9停止向柔性加热组块供电，加热停止。温度数据采集模块完成加热数据采集整理。弹性组件与柔性接触式加热工具头中的弹簧归零，装置回到初始位置，系统总控单元发出卸荷指令反馈于液压系统5，液压缸复位，工作结束。

5、当加工不同板材或工件时，利用弹簧回弹特性实现柔性接触式加热工具头与板材或工件表面自动接触夹紧，不需要人工调换，满足自动化生产要求。

通过运用该装置可解决室温条件下柔性成形时板材成形极限不足、尺寸精度不高的问题和激光熔覆时加工区域温差变化大导致热变形的问题；多级随形加热装置主要部分包括弹性组件、柔性接触式加热工具头、液压系统和总控单元模块。弹性组件、柔性接触式加热工具头利用其结构特点与板材表面精准接触，完成加热。面对等距形变大并超出弹性组件、柔性接触式加热工具头工作升程的板材或工件，可利用液压系统大工作行程的优势弥补弹性组件和柔性接触式加热工具头升程小的不足。多级随形加热装置可同时配备多套，当板材或工件加工完毕后，板材或工件撤出夹具固定位置，柔性接触式加热工具头与板材表面接触产生的作用力消失，弹性组件、柔性接触式加热工具头行程归零。当加工不同板材时，利用弹簧回弹特性实现工具头与板材表面自动接触夹紧，不需要人工调换，满足自动化生产要求。