CN108405713B - 一种金属薄板脉冲电流辅助微冲孔装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属薄板脉冲电流辅助微冲孔装置及方法，它涉及一种微冲孔装置及方法，以解决现有微冲孔工艺成形力大，模具使用寿命短和孔边缘缺陷多的问题，它包括模具组件和脉冲电源系统；所述模具组件包括由上至下依次设置的模柄、上模板、上绝缘板、上垫板、冲头固定板、冲头、支撑板、隔热板、凹模、凹模固定板、下绝缘板和下模板，凹模布置在凹模固定板内，微冲孔方法步骤：步骤一：安装与调试；步骤二：选择工艺参数；步骤三：坯料加载；步骤四：坯料微冲孔成形；步骤五：微孔件脱模。本发明适合于钛合金、镍基合金及高强度钢等常规微冲孔方法难成形或不能成形材料的微冲孔成形。

Description

一种金属薄板脉冲电流辅助微冲孔装置及方法
技术领域
本发明涉及一种微冲孔装置及方法，具体涉及一种金属薄板脉冲电流辅助微冲孔装置及方法；属于机械制造及塑性微成形技术领域。
背景技术
微孔薄板零件广泛用于各种喷油(汽)嘴、微电子集成电路、航天电子、引线框架等，微孔件尺寸或其特征尺寸至少在两个方向上小于或等于1mm，对尺寸和精度要求非常高。然而，基于离子蚀刻、激光和微细电火花的微孔加工工艺普遍存在效率低、精度差、加工周期长等问题。针对孔径在0.05～1mm的微孔零件，微冲孔技术替代现有的冷加工工艺将会在高效率、低成本的条件下获得性能好、精度高的微孔零件。如发明人之前公开的一种微冲孔模具(中国专利，公开号CN101406914)，解决了激光打孔的微孔断面质量精度低的问题，以及微细电火花加工微孔效率低的问题。
大多数难变形高强度材料，如钛合金、镍基合金以及高强钢等，由于材料本身较高的屈强比和较低的弹性模量，使得普通冷冲孔成形力非常大、模具使用寿命大大缩短。同时，通过冷冲工艺获得的零件也存在由于大的残余应力导致孔边缘产生延迟断裂的问题，而热冲孔的整体加热也存在大部分能量消耗在加热模具上，加热时间较长，能量利用率低的问题。为此公开号为CN105642765A的中国发明专利公开了一种利用电阻加热热冲钛合金板的装置及方法，但也只适用孔径为15cm的大孔。
为此，现有技术中亟需一种能够针对高强度金属薄板冲制出孔径在0.05～1mm的装置及方法，
发明内容
本发明是为解决现有微冲孔工艺成形力大，模具使用寿命短和孔边缘缺陷多的问题，进而提供一种金属薄板脉冲电流辅助微冲孔装置及方法。
本发明的技术方案是：
方案一：一种金属薄板脉冲电流辅助微冲孔装置包括模具组件和脉冲电源系统；所述模具组件包括由上至下依次设置的模柄、上模板、上绝缘板、上垫板、冲头固定板、冲头、支撑板、隔热板、凹模、凹模固定板、下绝缘板和下模板，上模板、上绝缘板、上垫板和冲头固定板连接为一体，凹模固定板、下绝缘板和下模板连接为一体，支撑板和隔热板连接为一体，上垫板、冲头固定板和支撑板之间还安装有弹簧，凹模布置在凹模固定板内，上模板和下模板通过导套一和滑动设置于导套一中的导柱一连接，冲头固定板和支撑板通过导套二和滑动设置于导套二上的导柱二连接，冲头固定板、支撑板和隔热板上开有同轴的通孔，冲头通过冲头保护套固定在所述通孔内，凹模上加工有与冲头相匹配的过孔，使用时，坯料布置在凹模上，脉冲电源系统向模具组件提供脉冲，脉冲电流作用于坯料上。
方案二：一种金属薄板脉冲电流辅助微冲孔方法，它包括以下步骤：
步骤一：安装与调试
将微冲孔装置安装于压力机上并调试；
步骤二：选择工艺参数
根据待成形坯料的电阻、形状、厚度以及预成形的微孔大小，选择成形时脉冲电流参数及脉冲加热方式；
步骤三：坯料加载
将待冲孔坯料置于凹模上，根据所选择的脉冲通电回路方式将脉冲电源与电极接触装置接通，操作压力机使冲头匀速向下运动至冲头、坯料和凹模接触；
步骤四：坯料微冲孔成形
根据选定的脉冲电流参数启动脉冲电流发生器，对坯料进行加热，当坯料被加热到≤1000℃时，操作压力机使冲头继续匀速向下运动进行加载，完成坯料的微冲孔成形；
步骤五：微孔件脱模
完成微冲孔成形后，使冲头回程，切断脉冲电源系统，关闭压力机，待工件冷却后松开夹持，将微孔件从凹模上取下。
进一步地，坯料的厚度h为0.05-1mm的金属薄板，坯料的材质为钛及其合金、不锈钢、镍基合金或高强度钢。
进一步地，冲头的直径为(0.8-1.5)h，所述冲头的数量为阵列布置的1-16个。
进一步地，脉冲电源系统包括脉冲电流发生器、电源导线、电极接触装置和脉冲电流控制器；脉冲电流发生器的输出端通过电源导线与冲头固定板和凹模固定板上的电极接触装置相连接，脉冲电流发生器的输入端与脉冲电流控制器的输出端连接，脉冲电流控制器将设定的程序化脉冲电流参数信号发送至脉冲电流发生器，脉冲电流发生器根据接收到的脉冲电流控制信号输出相应的脉冲电流，脉冲电流通过冲头固定板和凹模固定板分别作用于冲头和坯料上。
更进一步地，脉冲电源系统包括脉冲电流发生器、电源导线、电极接触装置和脉冲电流控制器；模具组件还包括两套夹持绝缘组件，每套夹持绝缘组件包括由上至下布置并连接为一体的坯料夹持电极、绝缘垫片和垫块；垫块安装在下绝缘板上，坯料安装在坯料夹持电极上，
脉冲电流发生器的输出端通过电源导线与两个坯料夹持电极上的电极接触装置相连接，脉冲电流发生器的输入端与脉冲电流控制器的输出端连接，脉冲电流控制器将设定的程序化脉冲电流参数信号发送至脉冲电流发生器，脉冲电流发生器根据接收到的脉冲电流控制信号输出相应的脉冲电流，脉冲电流通过坯料夹持电极作用于坯料上。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1、本发明利用低压高强脉冲电流作用于金属材料时产生焦耳效应和电致塑性效应成形微孔件，能极大的减少微冲孔成形力、延长模具使用寿命、增大孔光亮带高度、降低孔边缘断裂倾向；此外，脉冲电流直接加热简单、易行、加热速度快、效率高，极大的减少了能量的损失。
2、本发明通过电极装置通的两种设置提供两种通电回路，实现了脉冲电流对坯料局部快速加热原位微冲孔成形和整体加热微冲孔成形，有效避免了现有微冲孔成形工艺中模具整体加热时间长(从数分钟甚至数小时缩短到了几秒钟到几分钟之内)，热量在模具部件损耗大及模具使用寿命短的问题。
3、本发明利用的脉冲电流加热，适合于钛合金、镍基合金及高强度钢等常规微冲孔方法难成形或不能成形材料的微冲孔成形，扩展了现有微冲孔工艺应用材质的种类。
4、本发明装置具有简单、操作方便、工艺步骤简单、成本低、生产效率高，生产效率提高20％以上、适合于规模化生产的优点。
附图说明
图1是本发明金属薄板脉冲电流辅助微冲孔装置结构示意图；
图2是脉冲电源系统的示意图；
图3是电极接触装置的示意图；
图4是本发明凹模的局部放大图。
具体实施方式
下面结合图1至图4对本发明进行详细说明。
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，一种金属薄板脉冲电流辅助微冲孔装置包括模具组件和脉冲电源系统；其特征在于：所述模具组件包括由上至下依次设置的模柄8、上模板1、上绝缘板10、上垫板11、冲头固定板13、冲头6、支撑板14、隔热板15、凹模17、凹模固定板20、下绝缘板22和下模板23，上模板1、上绝缘板10、上垫板11和冲头固定板13连接为一体，凹模固定板20、下绝缘板22和下模板23连接为一体，支撑板14和隔热板15连接为一体，上垫板11、冲头固定板13和支撑板14之间还安装有弹簧5，凹模17布置在凹模固定板20内，上模板1和下模板23通过导套一2和滑动设置于导套一2中的导柱一3连接，冲头固定板13和支撑板14通过导套二12和滑动设置于导套二12上的导柱二9连接，冲头固定板13、支撑板14和隔热板15上开有同轴的通孔，冲头6通过冲头保护套7固定在所述通孔内，凹模17上加工有与冲头6相匹配的过孔，使用时，坯料16布置在凹模17上，脉冲电源系统向模具组件提供脉冲，脉冲电流作用于坯料16上。
本实施方式脉冲电源系统提供脉冲电流以加热坯料16，确保微冲孔的顺利进行。
具体实施方式二：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的脉冲电源系统提供通电回路加热坯料的方式为：脉冲电源系统包括脉冲电流发生器28、电源导线24、电极接触装置4和脉冲电流控制器27；脉冲电流发生器28的输出端通过电源导线24与冲头固定板13和凹模固定板20上的电极接触装置4相连接，脉冲电流发生器28的输入端与脉冲电流控制器27的输出端连接，脉冲电流控制器27将设定的程序化脉冲电流参数信号发送至脉冲电流发生器28，脉冲电流发生器28根据接收到的脉冲电流控制信号输出相应的脉冲电流，脉冲电流通过冲头固定板13和凹模固定板20分别作用于冲头6和坯料16上。
本实施方式由冲头固定板13和凹模固定板20充当电极，脉冲电流通过导线24与冲头6、坯料16和凹模17形成通电回路，实现对冲头6和坯料16的同时加热。如此设置，实现了脉冲电流对坯料局部快速加热原位微冲孔成形和整体加热微冲孔成形，有效避免了现有微冲孔成形工艺中模具整体加热时间长、热量在模具部件损耗大、模具使用寿命短的问题。电极接触装置4的使用，利于电流回路的形成，减少了电流在接触部位的损耗。脉冲电流发生器28和脉冲电流控制器27共同构成脉冲电源25。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
脉冲电流发生器28为上海翼升电子科技有限公司YS9000DD系列高频脉冲电源，脉冲电流控制器27集成在YS9000DD高频脉冲电源的控制箱上。
具体实施方式三：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的脉冲电源系统提供通电回路加热坯料的方式为：脉冲电源系统包括脉冲电流发生器28、电源导线24、电极接触装置4和脉冲电流控制器27；模具组件还包括两套夹持绝缘组件，每套夹持绝缘组件包括由上至下布置并连接为一体的坯料夹持电极18、绝缘垫片19和垫块21；垫块21安装在下绝缘板22上，坯料16安装在坯料夹持电极18上；脉冲电流发生器28的输出端通过电源导线24与两个坯料夹持电极18上的电极接触装置4相连接，脉冲电流发生器28的输入端与脉冲电流控制器27的输出端连接，脉冲电流控制器27将设定的程序化脉冲电流参数信号发送至脉冲电流发生器28，脉冲电流发生器28根据接收到的脉冲电流控制信号输出相应的脉冲电流，脉冲电流通过坯料夹持电极18作用于坯料16上。
本实施方式两套夹持绝缘组件位于下模板23两侧，主要由垫块21、绝缘垫片19、坯料夹持电极18组成，脉冲电流通过导线24与坯料夹持电极18和坯料16形成通电回路，实现对坯料16的加热。如此设置，实现了脉冲电流对坯料局部快速加热原位微冲孔成形和整体加热微冲孔成形，有效避免了现有微冲孔成形工艺中模具整体加热时间长、热量在模具部件损耗大、模具使用寿命短的问题。电极接触装置4和电源导线24的使用，利于电流回路的形成，减少了电流在接触部位的损耗。脉冲电流发生器28和脉冲电流控制器27共同构成脉冲电源25。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图4说明本实施方式，本实施方式的坯料16的厚度h为0.05～1mm的金属薄板，坯料16的材质为钛及其合金、不锈钢、镍基合金或高强度钢。如此设置，满足难成形或不能成形材料的微冲孔成形，扩展了现有微冲孔工艺应用材质的种类。其它与具体实施方式一至三任意一个实施方式相同。
具体实施方式五：结合图4说明本实施方式，本实施方式的冲头6的直径D为(0.8～1.5)h，冲头6的数量为阵列设置的1～16个。如此设置，可冲出微孔阵列，简化了操作程序。其它组成和连接关系与具体实施方式一至四任意一个实施方式相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的绝缘板10、隔热板15、绝缘垫片19和下绝缘板22由云母或玻璃纤维制成，所述坯料夹持电极18是由两片钨铜片组成。如此设置，云母或玻璃纤维耐高温、不导电、抗压强度高。出于人员设备安全及电流作用部位的考虑，同时实现了隔热需要，减小了热量损耗、保护了模具。使用钨铜片，出于电流作用部位的考虑，并利于电流回路的形成。其它组成和连接关系与具体实施方式一至五任意一个实施方式相同。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式微冲孔装置还包括用于实时测量坯料16温度的红外测温仪26，红外测温仪26安装在下模板23上。如此设置，实现了坯料微冲孔温度实时监控，便于微冲孔工艺参数的调整。其它组成和连接关系与具体实施方式一至六任意一个实施方式相同。
具体实施方式八：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式的一种金属薄板脉冲电流辅助微冲孔方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：安装与调试
将微冲孔装置安装于压力机上并调试；
步骤二：选择工艺参数
根据待成形坯料的电阻、形状、厚度以及预成形的微孔大小，选择成形时脉冲电流参数与脉冲加热方式；
步骤三：坯料加载
将待冲孔坯料16置于凹模17上，根据所选择的脉冲加热方式将脉冲电源25与极接触装置4接通，操作压力机使冲头6匀速向下运动至冲头6、坯料16和凹模17接触；
步骤四：坯料微冲孔成形
根据选定的脉冲电流参数启动脉冲电流发生器25，对坯料16进行加热，当坯料16被加热到≤1000℃时，操作压力机使冲头6继续匀速向下运动进行加载，完成坯料16的微冲孔成形；
步骤五：微孔件脱模
完成微冲孔成形后，使冲头6回程，切断脉冲电源系统，关闭压力机，待工件冷却后松开夹持，将微孔件从凹模上取下。
本实施方式的步骤二中的脉冲电流参数是通过脉冲电源系统调整设定的。脉冲电源系统包括脉冲电流发生器28、电源导线24、电极接触装置4和脉冲电流控制器27；脉冲电流发生器28的输出端通过电源导线24与冲头固定板13和凹模固定板20上的电极接触装置4相连接，脉冲电流发生器28的输入端与脉冲电流控制器27的输出端连接，脉冲电流控制器27将设定的程序化脉冲电流参数信号发送至脉冲电流发生器28，脉冲电流发生器28根据接收到的脉冲电流控制信号输出相应的脉冲电流。脉冲加热方式采用具体实施方式二和具体实施方式三这两种通电回路方式。
具体实施方式九：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式的步骤二中脉冲电流参数为：电压1-40V、频率100-1000Hz、电流密度幅值为10-1000A/mm2。如此设置，即可根据金属薄板材质与厚度不同选择不同的脉冲电流参数。其它组成和连接关系与具体实施方式九相同。
譬如，坯料16材质为高强度钢(拉伸强度1.2GPa复合相，C:0.5wt％,Si:0.4wt％,Mn:0.3wt％，P:0.3wt％,S:0.3wt％)，厚度为h＝0.1mm的薄板，冲头6的直径D为0.1mm，冲头6的数量为2时，选用脉冲电流参数为电压20V、频率150Hz、电流密度幅值为200A/mm2。
应当说明的是，由于坯料的材质和厚度不同，选用的脉冲电流参数也将不同，但总的原则是：材料强度越大，脉冲电流频率则需越大；薄板厚度越大，电流密度幅值和脉冲宽度需相应增大；微冲孔件孔径越大，电流密度幅值需相应增加。本领域的技术人员可根据具体的微孔件成形工艺制度在此参数范围内选取合适的脉冲电流参数。
具体实施方式十：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式的步骤四中坯料16的加热速度按照10℃/s～100℃/s进行。如此设置，出于金属薄板材质与脉冲电流参数的考虑。其它组成和连接关系与具体实施方式八或九任意一个实施方式相同。
本发明装置主要由模具组件和脉冲电源系统组成，脉冲电源系统提供两种通电回路，实现了坯料局部快速加热原位微冲孔成形和整体加热微冲孔成形；本发明方法成形微孔件能极大的减少微冲孔成形力、延长模具使用寿命、增大孔光亮带的高度、降低孔边缘断裂；本发明适合于钛合金、镍基合金及高强度钢等常规微冲孔方法难成形或不能成形材料的微冲孔成形，可显著降低成形缺陷，提高微孔金属板的精度。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (3)

1.一种金属薄板脉冲电流辅助微冲孔装置，它包括模具组件和脉冲电源系统；其特征在于：所述模具组件包括由上至下依次设置的模柄(8)、上模板(1)、上绝缘板(10)、上垫板(11)、冲头固定板(13)、冲头(6)、支撑板(14)、隔热板(15)、凹模(17)、凹模固定板(20)、下绝缘板(22)和下模板(23)，上模板(1)、上绝缘板(10)、上垫板(11)和冲头固定板(13)连接为一体，凹模固定板(20)、下绝缘板(22)和下模板(23)连接为一体，支撑板(14)和隔热板(15)连接为一体，上垫板(11)、冲头固定板(13)和支撑板(14)之间还安装有弹簧(5)，凹模(17)布置在凹模固定板(20)内，上模板(1)和下模板(23)通过导套一(2)和滑动设置于导套一(2)中的导柱一(3)连接，冲头固定板(13)和支撑板(14)通过导套二(12)和滑动设置于导套二(12)上的导柱二(9)连接，冲头固定板(13)、支撑板(14)和隔热板(15)上开有同轴的通孔，冲头(6)通过冲头保护套(7)固定在所述通孔内，凹模(17)上加工有与冲头(6)相匹配的过孔，使用时，坯料(16)布置在凹模(17)上，脉冲电源系统向模具组件提供脉冲，脉冲电流作用于坯料(16)上；
脉冲电源系统包括脉冲电流发生器(28)、电源导线(24)、电极接触装置(4)和脉冲电流控制器(27)；脉冲电流发生器(28)的输出端通过电源导线(24)与冲头固定板(13)和凹模固定板(20)上的电极接触装置(4)相连接，脉冲电流发生器(28)的输入端与脉冲电流控制器(27)的输出端连接，脉冲电流控制器(27)将设定的程序化脉冲电流参数信号发送至脉冲电流发生器(28)，脉冲电流发生器(28)根据接收到的脉冲电流控制信号输出相应的脉冲电流，脉冲电流通过冲头固定板(13)和凹模固定板(20)分别作用于冲头(6)和坯料(16)上；
坯料(16)的厚度h为0.05-1mm的金属薄板，坯料(16)的材质为钛及其合金、镍基合金或高强度钢；
所述冲头(6)的直径D为(0.8-1.5)h，冲头(6)的数量为阵列布置的1-16个。
2.根据权利要求1所述一种金属薄板脉冲电流辅助微冲孔装置，其特征在于：所述一种金属薄板脉冲电流辅助微冲孔装置还包括用于实时测量坯料(16)温度的红外测温仪(26)，红外测温仪(26)安装在下模板(23)上。
3.一种利用权利要求1或2任意一项权利要求所述金属薄板脉冲电流辅助微冲孔装置的微冲孔方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：安装与调试
将微冲孔装置安装于压力机上并调试；
步骤二：选择工艺参数
根据待成形坯料的电阻、形状、厚度以及预成形的微孔大小，选择成形时脉冲电流参数与脉冲加热方式；
步骤三：坯料加载
将待冲孔坯料(16)置于凹模(17)上，根据所选择的脉冲加热方式将脉冲电源(25)与极接触装置(4)接通，操作压力机使冲头(6)匀速向下运动至冲头(6)、坯料(16)和凹模(17)接触；
步骤四：坯料微冲孔成形
根据选定的脉冲电流参数启动脉冲电流发生器(28)，对坯料(16)进行加热，当坯料(16)被加热到≤1000℃时，操作压力机使冲头(6)继续匀速向下运动进行加载，完成坯料(16)的微冲孔成形；
步骤五：微孔件脱模
完成微冲孔成形后，使冲头(6)回程，切断脉冲电源，关闭压力机，待工件冷却后松开夹持，将微孔件从凹模上取下；
步骤二中脉冲电流参数为：电压1-40V，频率100-1000Hz，电流密度幅值为10-1000A/mm2；
步骤四中坯料(16)的加热速度按照10℃/s-100℃/s进行。
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