CN105817516A - 基于超声波震动的薄板复合微成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超声波震动的薄板复合微成形装置，包括底板，所述底板上设置有至少两根支撑杆，所述底板上还设置有至少两根氮气弹簧，所述氮气弹簧的柱塞上悬挂有工作腔，所述支撑杆上方设置有与所述工作腔匹配的变幅杆固定板，所述变幅杆固定板设置在所述工作腔内，所述变幅杆固定板上设置有多根变幅杆，还包括超声波发生器和与之连接的换能器，所述换能器与所述的变幅杆固定板法兰连接；所述变幅杆固定板以上的工作腔内设置有固态颗粒介质，所述工作腔上方设置有上模。本发明能结合固态颗粒介质软模成形和超声振动辅助成形的技术优势，有效提高薄板微成形性能和质量。

Description

基于超声波震动的薄板复合微成形装置及方法

技术领域

本发明涉及一种薄板复合微成形的装置及方法，属于金属薄板冷冲压成形技术领域。

背景技术

微成形是指成形零件的尺寸至少有两个维度介于宏观尺度和微观尺度之间即0.01～1mm内，同时要求产品的精度定义在0.01～1mm之间的成形加工。以电子工业和精密机械两大行业为代表的高速发展，使得微细化产品的需要日益旺盛。但随着研究的深入，发现微成形技术与传统的塑性成形技术并不完全相同，在加工过程总出现了许多与宏观塑性成形不同的现象和特点即“尺度效应”，因此，不能简单的将传统塑性成形理论直接移植到微成形加工中。由于尺寸的减小，使得材料的流变应力-应变关系、摩擦性能、成形设备、工具、辅具等产生变化，给微成形带来一系列问题，如回弹、毛刺、贴膜性、表面质量等。近年来，一些新的工艺方法应用于微成形加工中。虽然这些新的介观尺度薄板成形工艺具有传统工艺不具备的优点如仅需单边模具、有效避免起皱、减小回弹、提高成形极限等，但也存在一些弊端，如成形筒形件时，随着深径比的增大，工件直壁部位的形状精度很难保证；结构复杂的微成形件，几何精度也同样难以满足。为了解决介观尺度薄板成形上述存在的问题，迫切寻求一种能有效提高介观尺度薄板成形性能的方法。

板料软模成形是利用某种材料代替刚性凸模或凹模作为板料成形的传力介质，再用一刚性模具作为凹模或凸模，在传力介质作用下使板料和凸模或者凹模形面贴合，从而形成凸模或凹模形面所约束的形状。根据介质的状态特性一般可分为固态软模、半固态软模及液态软模三大类。与传统的板料冷成形相比较，软模成形具有成形件表面质量好、利于复杂件成形及回弹小、起皱小、成本低及周期短等优点。固态软膜成形中的固态介质由于具有良好的填充能力和流动性能，且化学稳定性好，对提高成形件表面质量，改善贴模性及成形精度等有着明显优势，因此，固态介质软模成形是一种有效，且可行的板料成形新方法和手段。虽然软模成形技术拥有诸多优点，但固态介质的内部成形力依赖外部成形力，其填充能力和流动性能对成形力影响较大，尤其是强度较高及形状较复杂的板料成形时，容易导致成形件的形状精度变低，贴膜性变差以及回弹变大等缺陷。

1955年，Blaha和Langenecker对锌单晶拉伸实验中引入超声振动，并观察到材料的变形力出现突减的现象即“软化现象”，也称为Blaha效应。为此，许多学者针对超声振动对塑性成形的理论机制，以及超声振动在拉丝、拉拔、板料成形、旋压等塑性成形工艺中的应用进行了大量研究。在传统的金属板料塑性成形过程中，引入超声振动技术，不仅可以降低工件和模具之间的成形力即“表面效应”，同时还能减小板料的流变应力即“体积效应”。因此，超声振动辅助成形技术能有效提高板料的成形性能，改善的工件表面质量，减小回弹等优点。但针对大型板料的成形加工，由于受到工件和模具尺寸、成形装置及重量等因素的制约，现有的超声振动技术难以满足大型板料的成形工艺。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于超声波震动的薄板复合微成形装置，能结合固态颗粒介质软模成形和超声振动辅助成形的技术优势，有效提高薄板微成形性能和质量。

为达到上述目的，本发明的基于超声波震动的薄板复合微成形装置，包括底板，其特征在于：所述底板上设置有至少两根支撑杆，所述底板上还设置有至少两根氮气弹簧，所述氮气弹簧的柱塞上悬挂有工作腔，所述支撑杆上方设置有与所述工作腔匹配的变幅杆固定板，所述变幅杆固定板设置在所述工作腔内，所述变幅杆固定板上设置有多根变幅杆，还包括超声波发生器和与之连接的换能器，所述换能器与所述的变幅杆固定板法兰连接；所述变幅杆固定板以上的工作腔内设置有固态颗粒介质，所述工作腔上方设置有上模。

所述的变幅杆的高度和数量可调地设置在变幅杆固定板上。

所述工作腔上端面的边沿固定有压边圈，所述的氮气弹簧通过所述的压边圈与所述的工作腔连接。

本发明还提供了使用所述装置进行薄板复合微成形的方法，包括：首先将板料放置于压边圈上，安装于压力机滑块上的上模下行与板料接触，在氮气弹簧提供的压边力作用下压紧板料，向下运动执行拉深成形工艺；在拉深成形开始、过程中、结束三个阶段中，至少一个阶段开启超声振动功能；然后上模上升，氮气弹簧复位完成开模。

与传统的成形技术相比，本发明通过固态颗粒介质与板料接触实现软凸模功能，避免了刚性凸模成形时对成形件表面质量的影响，利用固态颗粒介质流动性能和填充能力的优势对复杂形状工件的成形时具有良好的贴膜性能有效提高工件的形状精度，同时，由于采用固态颗粒介质作为软凸模即单边模具，省去了部分复杂的模具加工装置及工艺，节省了成形装备的成本；本发明结合了超声振动技术，能进一步提高和改善成形时的固态颗粒介质流动性能和填充能力，利于提高成形工件的形状复杂性，此外，在超声振动作用下使得固态颗粒介质与板料的接触面产生振动，能有效抑制成形件的回弹问题。

附图说明

图1为本发明的基于超声波震动的薄板复合微成形装置的结构示意图。

图2为本发明基于超声波震动的薄板复合微成形装置的工作状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1、图2可见，本发明的基于超声波震动的薄板复合微成形装置，包括底板1，所述底板1上设置有至少两根支撑杆2，所述底板1上还设置有至少两根氮气弹簧3，所述氮气弹簧3的柱塞上悬挂有工作腔4，所述支撑杆2上方设置有与所述工作腔4匹配的变幅杆固定板5，所述变幅杆固定板5设置在所述工作腔4内，所述变幅杆固定板5上设置有多根变幅杆6，还包括超声波发生器7和与之连接的换能器8，所述换能器8与所述的变幅杆固定板5法兰连接；所述变幅杆固定板5以上的工作腔4内设置有固态颗粒介质40，所述工作腔4上方设置有上模9。

如图1可见，本实施例中，所述工作腔4与所述的变幅杆固定板5间隙配合，从而使得变幅杆固定板5可相对于工作腔上下运动。法兰41设置于所述变幅杆固定板5下方中部。

所述的上模9根据不同成形件的尺寸与形状可进行更换，上模9与压力机的滑块相连接实现上升和下降运动。

所述的变幅杆为多杆组合式，根据成形工件的不同形状可进行变幅杆高度和数量调整，实现工件成形时的不同区域振动强度调节。本实施例中，所述的变幅杆6通过螺纹与变幅杆固定板5相连接，从而使得其高度易于调整，数量易于增减。

所述工作腔4上端面的边沿固定有压边圈10，所述的氮气弹簧3通过所述的压边圈10与所述的工作腔4连接。本实施例中，所述的工作腔4的上端面与压边圈10通过螺纹连接。

所述的工作腔4与压边圈10连接组成一体式运动下模，由压力机提供的合模运动实现向下运动，开模时在氮气弹簧3的作用力下实现向上复位运动。

所述的固态颗粒介质40置于工作腔内，将压力机的冲压力通过使固态颗粒介质传递至板料实现工件成形所需的成形力。

所述的氮气弹簧4为压边圈10提供恒定压边力和脱模力。

使用所述装置进行薄板复合微成形的方法，包括：首先将板料11放置于压边圈10上，安装于压力机滑块上的上模9下行与板料11接触，在氮气弹簧3提供的压边力作用下压紧板料11，所述上模9、板料11、工作腔4整体向下运动执行拉深成形工艺；在拉深成形开始、过程中、结束三个阶段中，至少一个阶段开启超声振动功能，开启时机根据具体的工艺要求选择；然后上模9上升，氮气弹簧3复位完成开模。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于超声波震动的薄板复合微成形装置，包括底板（1），其特征在于：所述底板（1）上设置有至少两根支撑杆（2），所述底板（1）上还设置有至少两根氮气弹簧（3），所述氮气弹簧（3）的柱塞上悬挂有工作腔（4），所述支撑杆（2）上方设置有与所述工作腔（4）匹配的变幅杆固定板（5），所述变幅杆固定板（5）设置在所述工作腔（4）内，所述变幅杆固定板（5）上设置有多根变幅杆（6），还包括超声波发生器（7）和与之连接的换能器（8），所述换能器（8）与所述的变幅杆固定板（5）法兰连接；所述变幅杆固定板（5）以上的工作腔（4）内设置有固态颗粒介质（40），所述工作腔（4）上方设置有上模（9）。

2.如权利要求1所述的基于超声波震动的薄板复合微成形装置，其特征在于：所述的变幅杆（6）的高度和数量可调地设置在变幅杆固定板（5）上。

3.如权利要求1或2所述的基于超声波震动的薄板复合微成形装置，其特征在于：所述工作腔（4）上端面的边沿固定有压边圈（10），所述的氮气弹簧（3）通过所述的压边圈（10）与所述的工作腔（4）连接。

4.使用权利要求3所述装置进行薄板复合微成形的方法，包括：首先将板料（11）放置于压边圈（10）上，安装于压力机滑块上的上模（9）下行与板料（11）接触，在氮气弹簧（3）提供的压边力作用下压紧板料（11），向下运动执行拉深成形工艺；在拉深成形开始、过程中、结束三个阶段中，至少一个阶段开启超声振动功能；然后上模（9）上升，氮气弹簧（3）复位完成开模。