CN104785605B - 一种用于管件的电液成形装置及成形方法 - Google Patents

Abstract

一种用于管件的电液成形装置及成形方法。所述电液成形装置包括胀形模具、电源、水管、储水箱、水介质、金属丝、正极电极和负极电极。将金属丝依次穿入安装好的正极电极、待成形管件以及负极电极中，并使正极电极和负极电极分别装入管件的两端。将水充入密封的管件中。通过导线将高能脉冲传给金属丝，使金属丝受热气化后体积迅速增加，在周围介质中产生冲击波，冲击波作用到管件上，实现采用金属丝放电电液成形的方式胀形出所需要的管件，提高材料的成形性能，减小回弹率，提高管件的成形精度，从而获得成形质量与精度满足要求的零件，促使管件胀形。

Description

一种用于管件的电液成形装置及成形方法

技术领域

本发明涉及一种管件的成形装置及方法，具体是一种管件的电液成形装置及方法。

背景技术

近年来，各种复杂形状的铝合金、镁合金、钛合金以及高温合金管件在航空航天、汽车等领域的应用越来越广泛，由于这些材料在室温下的成形性能较低，要成形这类复杂管件就需要很大的成形压力，虽然提高温度可以提高材料的成形性，但是高温成形会产生额外的能量消耗、模具磨损、润滑剂成本及成形后零件的清洁成本等，同时，高温成形会使管件的强度降低。在这种情况下，高速率成形技术成为在室温下提高材料的成形性的一种重要手段，与传统的成形方式相比，高速率成形能够提高难变形材料的塑性变形能力，同时也能减小工件的回弹率。因此，高速率成形技术在板料成形以及管件胀形方面得到了更多的应用。

高速率成形主要包括电液成形、电磁成形以及爆炸成形等，其中电液成形技术是利用液中放电所产生的冲击波使被加工零件快速成形的技术。电液成形的放电方式包括电极间隙放电，金属丝放电等。其中金属丝放电可用于变形区狭长零件的成形，当大电流瞬间通过金属丝时，金属丝受热气化后体积迅速增加，使周围介质产生冲击波，其冲击压力可达上千兆帕。对于管状零件的成形，则向四周扩散的冲击波作用到管壁上，促使管件胀形，此时管件的受力面积大，压力比较均匀。对于形状不对称或型面较复杂的管件，采用一般的机械加工方式成形这类零件比较困难，甚至无法完成时，可采用金属丝放电电液成形法一次成形出所需形状，解决这类管件的成形难题，这种成形方式的能量易于控制，并且对于能量的利用率较高。中国专利CN202398691U中公开了一种用于成形零件的缝隙放电电液成形(EHF)设备，包括腔室、流体、单面成形模具、提升装置、保持装置、和金属丝电极。该装置能够相对于零件改变金属电极与板料之间的距离，并且能够改变容纳在腔室内的流体体积进而控制因金属丝电极放电而施加在零件上的压力大小，但是，这种成形装置只适用于板料的电液成形，而不能用于管件的胀形。

因此，需要设计一种适合于管件电液成形的装置，解决金属丝放电电液成形方式成形出复杂管件的实现问题，并且在应用中，可以通过调整两个电极之间的位置与距离来调整电极之间金属丝的位置与长度。

发明内容

为克服现有技术中存在的不能用于管件胀形的不足，本发明提出了一种用于管件的电液成形装置及成形方法。

所述用于管件的电液成形装置包括胀形模具、电源、水管、储水箱、水介质、金属丝、正极电极和负极电极；所述胀形模具由上模具与下模具对合组成，待成形管件安放在该胀形模具的型腔内；所述正极电极安装在待成形管件内的一端，负极电极安装在待成形管件内的另一端；所述正极电极通过导线与电源的正极连接，所述负极电极通过导线与电源的负极连接；金属丝位于所述胀形模具中心，并与该胀形模具的轴线重合；该金属丝的两端分别装入所述正极电极和负极电极内并绝缘固定，使该金属丝保持水平，并与待成形管件的中心线重合；所述金属丝的直径为0.6mm～1.4mm；水管的一端装入负极电极上的负极密封塞上的进水通道内，与所述胀形模具的内腔连通，水介质通过水管注入成形管件内；水管的另一端与储水箱连通。

所述正极电极包括正极密封塞、绝缘套和绝缘管和空心电极；将所述绝缘管装入空心电极内；将装有绝缘管的空心电极通过螺纹旋入绝缘套的中心孔内；将所述正极密封塞套装在所述绝缘套的外圆周上，并通过密封圈将所述正极密封塞的内圆周表面与所述绝缘套的外圆周表面之间密封；所述与电源连接的导线固定在空心电极敞口端的端面上。

所述负极电极包括负极密封塞、绝缘套和绝缘管和空心电极；将所述绝缘管装入空心电极内；将装有绝缘管的空心电极通过螺纹旋入绝缘套的中心孔内；将所述负极密封塞套装在所述绝缘套的外圆周上，并通过密封圈将所述负极密封塞的内圆周表面与所述绝缘套的外圆周表面之间密封；所述与电源连接的导线固定在空心电极敞口端的端面上；在负极密封塞上有轴向贯通的进水通道。

所述空心电极为一端为敞口，另一端为封闭的石墨管；所述空心电极的外表面有螺纹，该空心电极的内径与绝缘管的外径相同；在该空心电极封闭端端面中心有通孔，该通孔的孔径与所述金属丝的直径相同，使所述金属丝穿过该通孔装入该空心电极内。

所述上模具的型槽由五段组成，分别是：位于该型槽中间的成形段、分别位于所述成形段两侧的过渡段和分别位于该型槽两端的定位段；所述定位段为等径段，该定位段的半径与待成形管件的外半径相同；所述成形段为曲面段，具体型面与待成形管件的成形形状一致；定位段与成形段之间通过过渡段光滑连接；在所述成形段处分别有贯通的排气孔；所述下模具的结构与上模具的结构相同。

本发明提出的利用所述电液成形装置成形管件的具体步骤如下；

第一步，工装准备：

第二步，待成形管件密封：将金属丝依次穿入安装好的正极电极、待成形管件以及负极电极中，并密封；将密封好的管件放入胀形模具的型腔内，压紧上模具；绝缘固定所述金属丝的两端，使金属丝保持水平；调整正极电极与负极电极之间金属丝的长度与管件成形段的长度相同；

第三步，成形管件：将水介质充满待成形管件内腔；设置脉冲电源的输出电压；打开脉冲电源开关使之产生高能脉冲；通过导线将产生的高能脉冲分别传至正极电极和负极电极，并通过金属丝形成电流回路，从而在回路中产生巨大的瞬时功率，使金属丝受热气化后体积迅速增加，在水介质中产生冲击波，当所述冲击波作用到待成形管件的管壁上后使该管件胀形，从而完成该管件的成形；

在设置脉冲电源的输出电压时，根据材料的力学性能以及成形管件的最小圆角半径，通过公式(1)确定胀形中的成形压应力p：

其中t是管件的壁厚，r是成形管件的最小圆角半径，σ_s是材料的屈服强度；

根据公式(2)确定成形管状零件时所需要的变形能W；

以管件的中心轴线作为坐标系的z方向，管件过渡段的横截面与坐标系的xy平面重合；

其中a是模具成形段圆心的x坐标，b是模具成形段圆心的z坐标，r₀是管件的初始半径，c是模具成形段的长度；

根据成形管状零件时所需要的变形能W，结合电液成形的一般效率，得到电源需要提供的能量W₀，进而确定电源的电压；

其中η是电液成形的效率，取值范围是8％～30％。

第四步，拆卸零件：成形完毕后，关闭电源，关闭阀门，打开所述胀形模具，排出管中液体，取出胀形后的管件，完成管坯的胀形过程。

在使用时，将金属丝依次穿入安装好的正极电极、待成形管件以及负极电极中。将所述的正极电极和负极电极分别装入管件的两端，并使所述金属丝与待成形管件的中心线重合，采用密封圈对其进行密封。将密封好的管件放入胀形模具的型腔内，压紧上模具，同时，对正极电极，负极电极两端伸出的金属丝进行绝缘固定，使金属丝保持水平。通过旋转电极调节两个空心电极之间的距离，调整完成后，打开水管上的阀门，水进入密封管件中，直到充满。打开脉冲电源开关，导线将高能脉冲传给空心电极，由空心电极传给与其接触的金属丝，组成回路，此时会在回路中产生巨大的瞬时功率，从而使金属丝受热气化后体积迅速增加，在周围介质中产生冲击波，冲击波作用到管件上，促使管件胀形。待管件成形后，关闭电源，关闭阀门，打开所述胀形模具，排出管中液体，取出胀形后的管件，完成管坯的胀形过程。

本发明提出的电液成形装置用于管件的金属丝放电电液成形，实现采用金属丝放电电液成形的方式胀形出所需要的管件，提高材料的成形性能，减小回弹率，提高管件的成形精度，从而获得成形质量与精度满足要求的零件。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：

本发明中采用电液成形的方式来实现管件的胀形，在胀形中管件的受力面积大，压力比较均匀。冲击压力作用到管壁上，在管壁产生多处缩颈，分散管件的变形，能够抑制缩颈集中化，同时在高应变速率下材料的缺陷敏感度也受到了抑制。这就使得材料的塑性变形能力得到提高，同时也能减小工件的回弹率。

本发明中的金属丝放电电液成形装置，采用带有螺纹的空心电极，在空心电极的孔中装有绝缘管与金属丝，设置在电极敞口端孔中的绝缘管对金属丝起到部分绝缘的作用，在电极的封闭端电极与金属丝连通，将电脉冲传给金属丝。因此可以通过调整两个电极之间的位置与距离来调整电极之间金属丝的位置与长度。

本发明中在对管件进行电液成形时的成形能量易于控制，在本发明中可以通过改变电压的数值、金属丝的材料、直径来改变管件所受到的冲击压力，进而改变胀形效果，具有较好的工艺柔性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是正极电极的结构示意图。

图3是负极电极的结构示意图。

图4是胀形模具的结构示意图。

图5是空心电极的结构示意图。

图6是绝缘管结构示意图。图中：

1.正极密封塞，2.空心电极，3.绝缘管，4.绝缘套，5.导线，6.电源，7.上模具，8.储水箱，9.水介质，10.水管，11.负极密封塞，12.下模具，13.管件，14.金属丝。

具体实施方式

本实施例是一种通过胀形实现管件成形的电液成形装置。

本实施例包括胀形模具、电源6、水管10、储水箱8、水介质9、金属丝14、正极电极和负极电极。

本实施例中，由所述上模具7与下模具12对合组成管件的胀形模具，待成形管件13安放在该胀形模具的型腔内。所述正极电极安装在待成形管件内的一端，所述负极电极安装在待成形管件内的另一端。所述正极电极通过导线5与电源6的正极连接，所述负极电极通过导线5与电源6的负极连接。金属丝14位于所述待成形管件13中心，并与该待成形管件13的轴线重合；该金属丝14的两端分别装入所述正极电极和负极电极内并绝缘固定，使该金属丝保持水平。水管10的一端装入负极密封塞上的进水通道内，与所述待成形管件的内腔连通，水介质9通过水管10注入成形管件内；水管10的另一端与储水箱8连通。所述金属丝选用低熔点、高导电率的材质，本实施例中，金属丝选用铜丝。

所述金属丝的直径可以根据待成形管件的胀形量确定，基本要求是在电源的作用下，通电后的金属丝能够迅速气化爆炸，产生足够大的冲击压力，促使管件完成胀形。管件的胀形量随着金属丝直径的增大先增大后减小，所述金属丝的直径为0.6mm～1.4mm。本实施例中选用的金属丝直径为1mm。

所述正极电极包括正极密封塞1、绝缘套4和绝缘管3和空心电极2。将所述绝缘管3装入空心电极2内；将装有绝缘管3的空心电极2通过螺纹旋入绝缘套3的中心孔内；将所述正极密封塞1套装在所述绝缘套4的外圆周上，并通过密封圈将所述正极密封塞1的内圆周表面与所述绝缘套4的外圆周表面之间密封。所述与电源6连接的导线固定在空心电极2敞口端的端面上。

所述的正极密封塞1为中空回转体，采用Q235钢制成。所述正极密封塞1的外径与待成形管件13的内径相同；所述正极密封塞1的内径与绝缘套4的外径相同。在正极密封塞1的内表面有密封圈的安装槽。

所述绝缘套4为中空回转体，采用橡胶材料制成。所述绝缘套4的内径与空心电极2的外径相同，在绝缘套4的中心孔内表面有螺纹，与空心电极2之间通过螺纹连接。在所述绝缘套4一端的外圆周表面有轴向凸出的限位台阶。

所述空心电极2为一端为敞口，另一端为封闭的石墨管。所述空心电极2的外表面有螺纹，该空心电极2的内径与绝缘管3的外径相同。在该空心电极2封闭端端面中心有通孔，该通孔的孔径与所述金属丝14的直径相同，使所述金属丝14穿过该通孔装入该空心电极2内。

所述绝缘管3为中空回转体。该绝缘管3的外圆周表面为阶梯面，使该绝缘管3的大直径段的端面与所述空心电极2的端面配合。

所述负极电极包括负极密封塞11、绝缘套4和绝缘管3和空心电极2组成。

所述负极电极的结构与正极电极的结构相同。

所述负极密封塞11的结构特征与正极密封塞1的结构特征基本相同，不同之处在于，在负极密封塞11上有轴向贯通的进水通道，该进水通道与该负极密封塞11的中心孔平行。水管10的一端装入该进水通道内。

所述上模具7与下模具12的结构相同，本实施例中，仅以上模具7为例加以描述。

所述上模具7的型槽由五段组成，分别是：位于该型槽中间的成形段、分别位于所述成形段两侧的过渡段和分别位于该型槽两端的定位段。所述定位段为等径段，该定位段的半径与待成形管件的外半径相同；所述成形段为曲面段，具体型面与待成形管件的成形形状一致；定位段与成形段之间通过过渡段光滑连接。在所述成形段处分别有贯通的排气孔。

在使用时，将金属丝依次穿入安装好的正极电极、待成形管件以及负极电极中。将所述的正极电极和负极电极分别装入管件的两端，并使所述金属丝与待成形管件的中心线重合，采用密封圈对其进行密封。将密封好的管件放入胀形模具的型腔内，压紧上模具，同时，对正极电极，负极电极两端伸出的金属丝进行绝缘固定，使金属丝保持水平。通过旋转电极调节两个空心电极之间的距离，调整完成后，打开水管上的阀门，水进入密封管件中，直到充满。打开脉冲电源开关，导线将高能脉冲传给空心电极，由空心电极传给与其接触的金属丝，组成回路，此时会在回路中产生巨大的瞬时功率，从而使金属丝受热气化后体积迅速增加，在周围介质中产生冲击波，冲击波作用到管件上，促使管件胀形。待管件成形后，关闭电源，关闭阀门，打开所述胀形模具，排出管中液体，取出胀形后的管件，完成管坯的胀形过程。

在使用所述金属丝放电电液成形装置进行管件胀形时，具体步骤如下。

第一步，工装准备：将绝缘管装入空心电极内；将装有绝缘管的空心电极通过螺纹旋入绝缘套的中心孔内；将正极密封塞套装在绝缘套的外圆周上，并将正极密封塞的内圆周表面与绝缘套的外圆周表面之间通过密封圈密封，得到正极电极。按所述组装正极电极的方法将绝缘管、电极、绝缘套、负极密封塞安装在一起，组成负极电极。将水管的一端装入所述负极密封塞的进水通道内。正极电极与负极电极的敞口端分别通过导线与电源的正极、负极连接。

第二步，待成形管件密封：将直径1mm的金属丝依次穿入安装好的正极电极、待成形管件以及负极电极中。将所述正极电极装入该待成形管件的一端，将所述负极电极装入待成形管件的另一端，并使所述正极电极和负极电极的外表面均与待成形管件的内表面之间密封。

将两端装有正极电极和负极电极的待成形管件放入胀形模具的型腔内，压紧上模具。对所述金属丝分别位于正极电极端口的伸出端和负极电极端口的伸出端进行绝缘固定，并使所述金属丝与待成形管件的中心线重合，保持水平。调整正极电极与负极电极之间金属丝的长度与管件成形段的长度相同。调整所述金属丝长度时，通过调整所述正极电极和负极电极在所述待成形管件两端的位置，使所述正极电极与负极电极相对的端面之间的距离与管件成形段的长度相同。本实施例中，管件成形段的长度为40mm，故该金属丝在正极电极与负极电极相对的端面之间的长度为40mm。

第三步，成形管件：打开阀门，在待成形管件内充满水介质。设定脉冲电源的输出电压为1.2KV。打开脉冲电源开关使之产生高能脉冲。通过导线将产生的高能脉冲分别传至正极电极和负极电极，并通过金属丝形成电流回路，从而在回路中产生巨大的瞬时功率，使金属丝受热气化后体积迅速增加，在水介质中产生冲击波，当所述冲击波作用到待成形管件的管壁上后使该管件胀形，从而完成该管件的成形。

在设置脉冲电源的输出电压时，首先根据材料的力学性能以及成形管件的最小圆角半径，通过公式(1)确定胀形中的成形压应力p：

其中t是管件的壁厚，r是成形管件的最小圆角半径，σ_s是材料的屈服强度。

根据公式(2)确定成形管状零件时所需要的变形能W。

以管件的中心轴线作为坐标系的z方向，管件过渡段的横截面与坐标系的xy平面重合。

其中a是模具成形段圆心的x坐标，b是模具成形段圆心的z坐标，r₀是管件的初始半径，c是模具成形段的长度。

根据成形管状零件时所需要的变形能W，结合电液成形的一般效率，得到电源需要提供的能量W₀，进而确定电源的电压。

其中η是电液成形的效率，取值范围是8％～30％。

根据电源的电压和待成形管件的胀形量确定合适直径的金属丝，由于胀形量随着金属丝直径的增大先增大后减小，一般常用金属丝的直径为0.6mm～1.4mm。其基本要求就是在此电压下，通电后的金属丝能够迅速气化爆炸，产生足够大的冲击压力，促使管件胀形，得到所需的管类零件。

第四步，拆卸零件：成形完毕后，关闭电源，关闭阀门，打开所述胀形模具，排出管中液体，取出胀形后的管件，完成管坯的胀形过程。

Claims (4)

1.一种用于管件的电液成形装置，其特征在于，包括胀形模具、电源、水管、储水箱、水介质、金属丝、正极电极和负极电极；所述胀形模具由上模具与下模具对合组成，待成形管件安放在该胀形模具的型腔内；所述正极电极安装在待成形管件内的一端，负极电极安装在待成形管件内的另一端；所述正极电极通过导线与电源的正极连接，所述负极电极通过导线与电源的负极连接；金属丝位于所述胀形模具中心，并与该胀形模具的轴线重合；该金属丝的两端分别装入所述正极电极和负极电极内并绝缘固定，使该金属丝保持水平，并与待成形管件的中心线重合；所述金属丝的直径为0.6mm～1.4mm；水管的一端装入负极电极上的负极密封塞上的进水通道内，与所述胀形模具的内腔连通，水介质通过水管注入成形管件内；水管的另一端与储水箱连通；

所述上模具的型槽由五段组成，分别是：位于该型槽中间的成形段、分别位于所述成形段两侧的过渡段和分别位于该型槽两端的定位段；所述定位段为等径段，该定位段的半径与待成形管件的外半径相同；所述成形段为曲面段，具体型面与待成形管件的成形形状一致；定位段与成形段之间通过过渡段光滑连接；在所述成形段处分别有贯通的排气孔；所述下模具的结构与上模具的结构相同；

所述正极电极包括正极密封塞、绝缘套、绝缘管和空心电极；将所述绝缘管装入空心电极内；将装有绝缘管的空心电极通过螺纹旋入绝缘套的中心孔内；将所述正极密封塞套装在所述绝缘套的外圆周上，并通过密封圈将所述正极密封塞的内圆周表面与所述绝缘套的外圆周表面之间密封；与电源连接的所述导线固定在空心电极敞口端的端面上；

所述负极电极包括负极密封塞、绝缘套、绝缘管和空心电极；将所述绝缘管装入空心电极内；将装有绝缘管的空心电极通过螺纹旋入绝缘套的中心孔内；将所述负极密封塞套装在所述绝缘套的外圆周上，并通过密封圈将所述负极密封塞的内圆周表面与所述绝缘套的外圆周表面之间密封；与电源连接的所述导线固定在空心电极敞口端的端面上；在负极密封塞上有轴向贯通的进水通道。

2.如权利要求1所述一种用于管件的电液成形装置，其特征在于，所述空心电极为一端为敞口，另一端为封闭的石墨管；所述空心电极的外表面有螺纹，该空心电极的内径与绝缘管的外径相同；在该空心电极封闭端端面中心有通孔，该通孔的孔径与所述金属丝的直径相同，使所述金属丝穿过该通孔装入该空心电极内。

3.一种利用权利要求1所述电液成形装置成形管件的方法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步，工装准备；

第二步，待成形管件密封：将金属丝依次穿入安装好的正极电极、待成形管件以及负极电极中，并密封；将密封好的管件放入胀形模具的型腔内，压紧上模具；绝缘固定所述金属丝的两端，使金属丝保持水平；调整正极电极与负极电极之间金属丝的长度与管件成形段的长度相同；

第三步，成形管件：将水介质充满待成形管件内腔；设置脉冲电源的输出电压；打开脉冲电源开关使之产生高能脉冲；通过导线将产生的高能脉冲分别传至正极电极和负极电极，并通过金属丝形成电流回路，从而在回路中产生巨大的瞬时功率，使金属丝受热气化后体积迅速增加，在水介质中产生冲击波，当所述冲击波作用到待成形管件的管壁上后使该待成形管件胀形，从而完成该待成形管件的成形；

第四步，拆卸零件：成形完毕后，关闭电源，关闭阀门，打开所述胀形模具，排出管中液体，取出胀形后的管件，完成管坯的胀形过程。

4.如权利要求3所述利用电液成形装置成形管件的方法，其特征在于，在设置脉冲电源的输出电压时，根据材料的力学性能以及成形管件的最小圆角半径，通过公式(1)确定胀形中的成形压应力p：

$p=\frac{t}{r}\·{\mathrm{\σ}}_s---\left(1\right)$

其中t是管件的壁厚，r是成形管件的最小圆角半径，σ_s是材料的屈服强度；

根据公式(2)确定成形管状零件时所需要的变形能W；

以管件的中心轴线作为坐标系的z方向，管件过渡段的横截面与坐标系的xy平面重合；

$W=p\·\underset{s}{\∫\∫}ds\·\underset{\mathrm{\ω}}{\∫}d\mathrm{\ω}=p\·\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}d\mathrm{\θ}\underset{r_0}{\overset{a+\sqrt{r^2-{(z-b)}^2}}{\∫}}rdr\underset{0}{\overset{c}{\∫}}dz---\left(2\right)$

其中a是模具成形段圆心的x坐标，b是模具成形段圆心的z坐标，r₀是管件的初始半径，c是模具成形段的长度；

根据成形管状零件时所需要的变形能W，结合电液成形的一般效率，得到电源需要提供的能量W₀，进而根据公式(3)确定电源的电压；

$W_0=\frac{W}{\mathrm{\η}}---\left(3\right)$

其中η是电液成形的效率，取值范围是8％～30％。