CN104588521A - 一种采用柔性夹持的电流辅助热成形设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用柔性夹持的电流辅助热成形设备，包括液压系统、气体压力控制系统、上平台、上模、柔性夹持系统、钢铜复合电极板、下模及下平台，上平台和下平台之间装有上模和下模，安装于上平台上的液压系统控制上模向下模运动，下模两端安装有钢铜复合电极板，板材坯料放置于钢铜复合电极板上，板材坯料两端上设置有柔性夹持系统，柔性夹持系统包括一端开口的半封闭结构及柔性管件，气体压力控制系统给柔性管件提供气体压力，使管件从开口一端胀出，进而压紧板材坯料。本发明在模具常温状态下即可实现板材的成形，无模具加热过程中模具的热损耗和加热模具到指定温度所需的能量，能够提高金属基复合材料、钛合金、镁合金、铝锂合金等难变形材料板材的成形效率，节省能源消耗，达到了很好的节能的效果。

Description

一种采用柔性夹持的电流辅助热成形设备及方法

技术领域

本发明涉及一种采用柔性夹持的电流辅助热成形设备及方法，适用于金属基复合材料、钛合金、镁合金、铝锂合金等难变形材料的精密热成形，属于材料加工领域。

背景技术

金属基复合材料、钛合金、镁合金、铝锂合金等因具有较高强度且密度较低的优点，在高科技领域特别是航天航空方面得到了很多的应用，但由于这些材料在常温条件下塑形较差，属于常温难变形材料，刚性的电极压紧装置，容易出现打火放电现象，影响成形质量和效率；采用传统的加工工艺难以实现材料的成形，通常需要将这类材料加热到一定的热成形温度完成变形过程，传统板料加热方式温度不稳定、加热时间长和能量损耗大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为克服现有技术的不足，提供一种采用柔性夹持的电流辅助热成形设备及方法，解决脉冲电流辅助成形中放电打火等问题，提高金属基复合材料、钛合金、镁合金、铝锂合金等难变形材料的成形效率，提高成形过程自动化水平，降低成本、节省能源消耗。

本发明的技术解决方案是：

一种采用柔性夹持的电流辅助热成形设备，包括液压系统、气体压力控制系统、上平台、上模、柔性夹持系统、钢铜复合电极板、下模及下平台，上平台和下平台之间装有上模和下模，安装于上平台上的液压系统控制上模向下模运动，下模两端安装有钢铜复合电极板，板材坯料放置于钢铜复合电极板上，板材坯料两端上设置有柔性夹持系统，柔性夹持系统包括一端开口的半封闭结构及柔性管件，气体压力控制系统给柔性管件提供气体压力，使管件从开口一端胀出，进而压紧板材坯料。

钢铜复合电极板与脉冲电源相连，使得板材坯料、钢铜复合电极板和电源之间构成闭合回路。

柔性夹持系统与板材坯料之间设置有隔热层。

一种采用柔性夹持的电流辅助热成形方法，具体步骤为：

步骤一：将金属板材放置于设备中，气体压力控制系统驱动和调节柔性夹持系统提供压紧力；

步骤二：通入高强脉冲电流，脉冲电流通过导线、钢铜复合电极板、金属板材，形成闭合回路，脉冲电流对板材产生焦耳热、电致塑性、微缺陷修复，促进金属内部位错的运动；

步骤三：待工艺参数达到设定值后，电路控制系统自动关闭脉冲电源，同时，气体压力控制系统驱动柔性夹持系统去除压紧力；

步骤四：柔性夹持系统去除压紧力的同时，液压系统自动启动并提供零件的压制成形力，进行目标零件的压制成形；

步骤五：零件压制完成后，下模设计的自动顶出装置将零件顶出。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明在模具常温状态下即可实现板材的成形，无模具加热过程中模具的热损耗和加热模具到指定温度所需的能量，能够提高金属基复合材料、钛合金、镁合金、铝锂合金等难变形材料板材的成形效率，节省能源消耗，达到了很好的节能的效果。

(2)本发明采用柔性电极夹持系统，通过气体压力控制系统驱动柔性夹持系统提供压紧力，保证电极板和板料之间的良好紧密柔性接触，避免大尺寸坯料通电时容易产生虚接造成放电打火。

(3)本发明采用钢铜复合电极，能够有效降低电极与坯料间的热传输，提高坯料的温度场分布。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明柔性夹持系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明装置主要包括大功率电源，液压系统，成形模具，上、下模具固定板，柔性电极夹持系统，电极支块，绝缘装置，压缩气源，气体压力控制系统。模具由上下模具构成，上、下模具分别固定在上、下固定板上，待成形的板料在上、下模具之间，板料的两端放置在电极上，电极位于板料下方，板料的上方为隔热层和柔性夹持系统，柔性夹持系统通入气体膨胀后，压持电极对板料实现柔性夹持。电极的一端放置板料，另一端通过导电线路与大功率电源相连，使得板料，电极和电源之间构成一个电流的闭合回路。在电极的下方与电极支块之间要有绝缘层，保证电流仅通过金属板材坯料，提高能量输入效率。模具上下运动的动力由液压系统提供。板料的电阻要远远大于通电线路的电阻，这样大量的焦耳热将产生，作用在待成形板料上，将板料加热到指定温度，对于电阻率越大的材料，待成形板料的电阻越大，越有利于板料的自阻加热。装置的具体结构如图1所示。

本装置的优点包括：1)模具不需要加热，上、下模具的温度均为室温，无模具加热过程中模具的热损耗和加热模具到指定温度所需的能量。在板材热成形时，模具的体积和质量要远大于成形的板材，若将模具和板材都进行加热，加热模具过程中损耗的能量要远远大于加热板材到指定温度的能量损耗，造成了大量的能量损失，能量利用率低。而本装置的模具无加热系统，在模具常温状态下即可实现板材的成形，达到了很好的节能的效果。2)采用气压实现成形板材与电极的柔性接触，避免了电极与板料刚性接触易出现放点的缺点。利用气体压力，使通气软管向外膨胀，膨胀过程中由于受到上端挡板的阻碍，只能向下膨胀，对下端的石棉板向下的压力，压力通过石棉板将板料紧压在电极上，由于石棉板具有一定的可变形能力，实现了柔性接触，保证电极和板料之间的良好紧密接触，避免出现放电现象。3)采用气体作为电极与板料压紧装置的压力来源。在板料开始加热前，将气体通入通气软管中，软管膨胀将板料压紧，使得板料通电后系统形成良好的通路；当板料加热至指定温度，将加热电源断掉停止对板材的加热，之后打开气阀开关，放掉通气软管内的气体，板料两端开始处于无约束状态，从而实现板料的成形。4)适用于长度和宽度在一定范围内变化的板料的热成形，在下模固定板上加工有固定槽钢支架的阵列式螺纹孔，根据模具和待成形坯料的大小，槽钢支架间的距离可进行调节。上模固定板两侧也相应地设计了突出块，以配合不同大小的上模。5)装置结构得到了极大地简化，便于拆装。

下面结合图1具体说明本设备的实施方式，本实施方式所采用的装置主要包括液压系统、成形模具和、柔性电极夹持系统、电极、电源及控制系统、气体压力控制系统等。脉冲电流辅助热成形设备工作实施方式主要包括以下步骤：

步骤一：将板料放置于脉冲电流辅助热成形设备中，通入压缩气体，通过控制系统调节柔性压持力，确保板料与电极保持良好连接；

步骤二：通入高强脉冲电流，电流流经电极、板材组成的回路，进行通电加热；

步骤三：采用红外测温仪对通电板材进行温度的实时测量反馈，根据温度的变化实时调节脉冲电流的大小，控制板材温度场；

步骤四：待成形板料加热到指定温度后，关闭电源，打开气体控制阀开关，释放压缩气体，去除电极与板材间的接触压力；

步骤五：压力系统提供成形力，进行上下模合模，完成板料的成形过程；

步骤六：开模取件，检查工件的成形质量。

本实施方式中步骤二中电流密度等参数需根据材料种类、尺寸、形状等改变。

本实施方式中步骤五中若上模行程较大且运动速度较慢，可在上模接近待成形板料时再关闭电源，打开气体控制阀释放气体，减少板料的能量散失。

本实施方式效果：本设备能够提高铝基复合材料、钛合金、镁合金等难变形材料的成形效率，节省能源消耗；采用柔性电极夹持方式解决了脉冲电流辅助成形中放电打火等问题，提高了零件质量；先进控制系统的采用提高了设备的自动化水平，降低成本。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一不同之处在于，本实施方式采用压装置，提供动态压边力，其他与实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式一不同之处在于，本实施方式针对超塑成形工艺，板材坯料法兰需采用陶瓷模具，其他与实施方式一相同。

本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种采用柔性夹持的电流辅助热成形设备，其特征在于，包括液压系统(1)、气体压力控制系统、上平台(2)、上模(3)、柔性夹持系统(4)、钢铜复合电极板(5)、下模(7)及下平台(8)，上平台(2)和下平台(8)之间装有上模(3)和下模(7)，安装于上平台(2)上的液压系统(1)控制上模(3)向下模(7)运动，下模(7)两端安装有钢铜复合电极板(5)，板材坯料放置于钢铜复合电极板(5)上，板材坯料两端上设置有柔性夹持系统(4)，柔性夹持系统(4)包括一端开口的半封闭结构及柔性管件，气体压力控制系统给柔性管件提供气体压力，使管件从开口一端胀出，进而压紧板材坯料。

2.如权利要求1所述的一种采用柔性夹持的电流辅助热成形设备，其特征在于，钢铜复合电极板(5)与脉冲电源相连，使得板材坯料、钢铜复合电极板(5)和电源之间构成闭合回路。

3.如权利要求1所述的一种采用柔性夹持的电流辅助热成形设备，其特征在于，柔性夹持系统(4)与板材坯料之间设置有隔热层。

4.一种采用柔性夹持的电流辅助热成形方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一：将金属板材放置于权利要求1所述的设备中，气体压力控制系统驱动和调节柔性夹持系统提供压紧力；

步骤二：通入高强脉冲电流，脉冲电流通过导线、钢铜复合电极板、金属板材，形成闭合回路，脉冲电流对板材产生焦耳热、电致塑性、微缺陷修复，促进金属内部位错的运动；

步骤三：待工艺参数达到设定值后，电路控制系统自动关闭脉冲电源，同时，气体压力控制系统驱动柔性夹持系统去除压紧力；

步骤四：柔性夹持系统去除压紧力的同时，液压系统自动启动并提供零件的压制成形力，进行目标零件的压制成形；

步骤五：零件压制完成后，下模设计的自动顶出装置将零件顶出。