CN105215127A - 一种基于非均质金属橡胶的板材软模热成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于非均质金属橡胶的板材软模热成形装置及方法，它涉及一种板材类软模热成形装置及方法，以解决均质软模无法适应成形不同部位时所需力不同和高温成形环境的问题。装置：容框与带有冷却管路的凹模上下正对设置，柱塞的头部位于容框的内腔中，非均质金属橡胶放置在柱塞下表面。方法：一、根据待成形板材零件的形状和成形各阶段需要力的大小确定非均质金属橡胶组成；二、将待成形板材加热至成形时所需的温度；三、将待成形板材置于容框下表面与带有冷却管路的凹模上表面之间；四、柱塞向下运动带动非均质金属橡胶作用于板材，使待成形板材在合适的受力状态下成形出所需形状；五、待成形好的零件冷却后将其取出。本发明用于板材软模热成形。

Description

一种基于非均质金属橡胶的板材软模热成形装置及方法

技术领域

本发明涉及一种板材类软模热成形装置及方法，具体涉及一种基于非均质金属橡胶的板材软模热成形装置及方法。

背景技术

金属板材成形在制造技术中占有重要地位，尤其对于汽车结构轻量化及航空航天等运载器性能的提升起到重要作用，其中板材软模成形是板材零部件制造技术中发展较快的工艺方法之一。已有的气胀成形、液压成形、半固态粘性介质压力成形和固态聚氨酯橡胶成形各具优势，分别适合于一定的板材成形范围，在多个领域得到了较好的应用。但是现有的板材软模成形方法中采用气态、液态或半固态材料作为传力软模时需要对加载装置进行实时密封，密封装置复杂且成本较高，采用固态的高分子聚合物作为传力软模时其对成形温度较为敏感不适用于板材的高温热成形过程，这在一定程度上限制了板材软模成形工艺的进一步推广和应用。

新材料的发展为解决板材软模成形中的上述问题提供了可能。金属橡胶材料的制备是将一定质量的、拉伸开的、螺旋状态的金属丝有序的排放，然后用冷冲压的方法成形。其内部结构是金属丝相互交错勾联形成类似橡胶高分子材料的空间网状结构。在外力作用下，金属橡胶将克服金属丝之间的干摩擦阻尼而产生变形，外力消失后，在自身弹性力的作用下，恢复原状。它因具有橡胶的弹性而得名，但它由金属制成，在真空中不挥发，不惧辐射环境，能耐空间的高温和底纹，因而以其替代橡胶做减震、阻尼和密封件对提高航空航天产品的寿命、可靠性和性能有很大的好处。而且金属橡胶是多孔材料，近年来利用其毛细作用制成了热管、过滤器、可调与不可调节流阀，它们使空间飞行器热控系统及发动机回路中存在的一些问题得以妥善解决。因此，金属橡胶的出现填补了板材软模成形工艺领域以固态金属材料作为传力软模空白。本专利提出的板材非均质金属橡胶软模热成形方法即是利用非均质金属橡胶的弹性特性，针对所需成形零件的材料、形状及结构的不同，使板材在相应的非均质金属橡胶软模下成形出所需要的形状。

发明内容

本发明的目的是为解决已有的板材软模成形过程中，使用气态、液态或半固态传力软模密封困难、使用固态高分子传力软模对高温成形环境适应性差，而提供一种基于非均质金属橡胶的板材软模热成形装置及方法。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

装置：所述装置包括柱塞、容框、非均质金属橡胶和带有冷却管路的凹模，所述带有冷却管路的凹模的上端面设有凹模腔，容框与带有冷却管路的凹模上、下对正设置，容框套装在柱塞外部，且柱塞的头部位于容框的内腔中，非均质金属橡胶放置在柱塞的下表面与容框内壁组成的内腔中。

方法：所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、根据待成形板材零件的形状和成形各阶段所需要的弹性模量来确定所用的非均质金属橡胶各部分中单位体积内丝线线匝的匝数n，

n=4(1-Π)/(π ² d _np ² d _cp )

式中Π——金属橡胶空隙度，d _np ——丝线直径，d _cp ——螺旋卷中径；

步骤二、将待成形板材加热至成形时所需的温度；

步骤三、将待成形板材置于容框的下表面与带有冷却管路的凹模的上表面之间，且将待成形板材夹紧；

步骤四、推动柱塞带动非均质金属橡胶向下运动作用于板材，使待成形板材在非均质金属橡胶的作用下成形出所需的形状；

步骤五、待成形好的零件冷却后将柱塞和容框从带有冷却管路的凹模上部移开，将成形后的零件取出，即完成一个成形过程。

本发明具有以下有益效果：

一、本发明使用一种新型的非均质金属橡胶材料，它是将一定质量的、拉伸开的、螺旋状态的金属丝材有序的排放，然后用冷冲压的方法成形，其内部结构是金属丝相互交错勾联形成类似橡胶高分子材料的空间网状结构。本专利提出的基于非均质金属橡胶的板材软模热成形装置及方法，即是利用同一金属橡胶中空隙度可变的特性，成形过程中所用金属橡胶的空隙率根据待成形板材零件的形状和成形各阶段所需要的弹性模量来确定，对于板材变形较小区域所需软模弹性模量较小相对应的金属橡胶空隙率稍大，而对于板材变形较大区域所需软模弹性模量较大所对应金属橡胶空隙率较小，使待成形板材在与非均质金属橡胶完全接触下变形。针对待成形零件形状及结构的不同，调节非均质金属橡胶不同部分的弹性模量，使板材合适的弹性模量下成形出所需要的形状。

二、本发明针对板材热成形过程不同变形位置的需要，以一定规律改变金属橡胶软模不同部分弹性模量大小，使非均质金属橡胶的弹性模量适应不同成形位置而变化，有效提高板材的成形极限，最大限度的发挥材料本身塑性变形能力，并提高零件的成形质量。

三、本发明解决已有的板材软模成形过程中，使用气态、液态或半固态传力软模密封困难、使用固态高分子传力软模弹性模量单一且对高温成形环境适应性差，而提供一种密封简单、弹性模量可调且适用于高温成形环境的板材软模热成形装置及方法。

四、采用弹性模量可调的非均质金属橡胶作为板材热成形的软模，可优化对板坯料变形流动的控制，为复杂形状薄壁板材零件等的精密成形提供了新的途径。

附图说明

图1是利用本发明基于非均质金属橡胶的板材软模热成形方法进行板材拉深成形的初始状态时整体结构主剖视图，图2是拉深成形处于中期阶段时本发明的整体结构主剖视图，图3是拉深成形处于后期时本发明的整体结构主剖视图，图4是拉深成形完成时本发明的结构主剖视图图。图5是成形过程中所用非均质金属橡胶的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括柱塞1、容框2、非均质金属橡胶3、板材4和带有冷却管路的凹模5，所述带有冷却管路的凹模5的上端面设有凹模腔5-1，容框2与带有冷却管路的凹模5上、下正对设置，容框2套装在柱塞1外部，且柱塞1的头部位于容框2的内腔中，非均质金属橡胶3放置在柱塞1的下表面与容框2内壁组成的内腔中。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的柱塞1、容框2和带有冷却管路的凹模5均由奥氏体不锈钢制作。

具体实施方式三：结合图1~图5说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：

步骤一、根据待成形板材4的形状和成形各阶段所需要的弹性模量来确定所用的非均质金属橡胶3各部分中单位体积内丝线线匝的匝数n，

n=4(1-Π)/(π ² d _np ² d _cp )

式中Π——金属橡胶体空隙度，d _np ——丝线直径，d _cp ——螺旋卷中径；

步骤二、将待成形板材4加热至成形时所需的温度；

步骤三、将待成形板材4置于容框2的下表面与带有冷却管路的凹模5的上表面之间，且将待成形板材4夹紧；

步骤四、推动柱塞1带动非均质金属橡胶3向下运动作用于板材4，使待成形板材4在非均质金属橡胶3的作用下成形出所需的形状；

步骤五、待成形好的零件4冷却后将柱塞1和容框2从带有冷却管路的凹模5上部移开，将成形后的零件4取出，即完成一个成形过程。

具体实施方式四：结合图1~图5说明本实施方式，本实施方式为步骤一中非均质金属橡胶3的空隙度的变化范围为0.2~0.8。在此范围内，非均质金属橡胶3能够充分的改变包括弹性模量在内的材料性能。其他步骤与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1~图5说明本实施方式，本实施方式为步骤一中非均质金属橡胶3所用丝线为直径0.3mm奥氏体不锈钢丝材。采用上述丝材通过在单位体积内布设不同匝数的丝线得到不同空隙度的金属橡胶体，不同空隙度的金属橡胶弹性模量不同，可以适用于不同强度板材及不同结构形状零件的热成形。其他步骤与具体实施方式三或四相同。

具体实施方式六：结合图1~图5说明本实施方式，本实施方式为非均质金属橡胶3高空隙度部分的弹性模量随空隙度的增大而减小，非均质金属橡胶3高空隙度部分的空隙度变化范围为0.5~0.8。此范围适合于如铝、镁等强度较小的材料，或零件简单结构部位的成形。其他步骤与具体实施方式三、五相同。

具体实施方式七：结合图1~图5说明本实施方式，本实施方式为非均质金属橡胶3低空隙度部分的弹性模量随空隙度的减小而增大，非均质金属橡胶3低空隙度部分的空隙度变化范围为0.2~0.5。此范围适合于如不锈钢等强度较大的材料，或零件复杂结构部位的成形。其他步骤与具体实施方式三、五相同。

具体实施方式八：结合图1~图5说明本实施方式，本实施方式为步骤四中成形过程：根据所成形板材零件4的形状，零件中间部位变形程度较小，与这部分相接触的非均质金属橡胶3空隙度较大，弹性模量较小；而零件周边部位变形程度较大，为了提供更大的成形力，与这部分相接触的非均质金属橡胶3空隙度较小，弹性模量较大，使板材4更容易的流动，至板材4完全贴模。针对板材成形过程不同部位的需要，使非均质金属橡胶3的弹性模量适应成形零件的形状结构而不同，最大限度的发挥材料本身的塑性变形能力，有效提高板材的成形极限，并提高零件的成形质量。其他步骤与具体实施方式三相同。

Claims (6)

1.一种基于非均质金属橡胶的板材软模热成形装置，其特征在于：所述装置包括柱塞（1）、容框（2）、非均质金属橡胶（3）和带有冷却管路的凹模（5），所述带有冷却管路的凹模（5）的上端面设有凹模腔（5-1），容框（2）与带有冷却管路的凹模（5）上、下正对设置，容框（2）套装在柱塞（1）外部，且柱塞（1）的头部位于容框（2）的内腔中，非均质金属橡胶（3）放置在柱塞（1）的下表面与容框（2）内壁组成的内腔中。

2.根据权利要求1所述一种基于非均质金属橡胶的板材软模热成形装置，其特征在于：所述柱塞（1）、容框（2）和带有冷却管路的凹模（5）均由奥氏体不锈钢制作。

3.一种利用权利要求1所述装置进行基于非均质金属橡胶的板材软模热成形方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、根据待成形板材零件（4）的形状和成形各阶段所需要的弹性模量来确定所用的非均质金属橡胶（3）各部分中单位体积内丝线线匝的匝数n，

n=4(1-Π)/(π ² d _np ² d _cp )

式中Π——金属橡胶空隙度，d _np ——丝线直径，d _cp ——螺旋卷中径；

步骤二、将待成形板材（4）加热至成形时所需的温度；

步骤三、将待成形板材（4）置于容框（2）的下表面与带有冷却管路的凹模（5）的上表面之间，且将待成形板材（4）夹紧；

步骤四、推动柱塞（1）带动非均质金属橡胶（3）向下运动作用于板材（4），使待成形板材（4）在非均质金属橡胶（3）的作用下成形出所需的形状；

步骤五、待成形好的零件（4）冷却后将柱塞（1）和容框（2）从带有冷却管路的凹模（5）上部移开，将成形后的零件（4）取出，即完成一个成形过程。

4.根据权利要求3所述一种基于非均质金属橡胶的板材软模热成形方法，其特征在于：所述步骤二中非均质金属橡胶（3）所用丝线为直径0.3mm奥氏体不锈钢丝材。

5.根据权利要求3和4所述一种基于非均质金属橡胶的板材软模热成形方法，其特征在于：所述非均质金属橡胶的空隙率的变化范围为0.2~0.8。

6.根据权利要求3、4或5所述一种基于非均质金属橡胶的板材软模热成形方法，其特征在于：所述步骤一中金属橡胶为非均质，即成形过程中所用金属橡胶的空隙率根据待成形板材零件（4）的形状和成形各阶段所需要的弹性模量来确定，对于板材变形较小区域所需软模弹性模量较小相对应的金属橡胶空隙率稍大，而对于板材变形较大区域所需软模弹性模量较大所对应金属橡胶空隙率较小，使待成形板材（4）在与非均质金属橡胶（3）完全接触下变形。