CN108728779B - 一种非晶合金板材的柔性成形系统及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于非晶合金快速成形领域，并公开一种非晶合金板材的柔性成形系统及成形方法。该系统包括预热单元、夹紧单元和成形单元，夹紧单元用于夹持待成形板材；预热单元通过对待成形板材加热，使其温度达到玻璃化转变温度以下；成形单元包括工具头，通过工具头对待成形板材碾压实现待成形板材的成形，工具头中设置有加热通道和冷却通道，加热通道用于通入加热介质加热待成形板材表面，使得被加热区域加热至过冷液相区的超塑性状态，冷却通道用于在工具头碾压待成形板材后通入冷却介质降低工具头的温度。通过本发明，成形完全非晶结构的复杂形状零件，克服了成形中柔性成形回弹的问题，提高成形性能，防止原料部分区域因拉伸载荷过大而扭曲和撕裂。

Description

一种非晶合金板材的柔性成形系统及成形方法

技术领域

本发明属于非晶合金快速成形领域，更具体地，涉及一种非晶合金板材的柔性成形系统及成形方法。

背景技术

与传统晶态合金相比，非晶合金在具有多方面优势，主要表现为高强度，良好的耐磨性和耐腐蚀性，优良的软磁、硬磁性等性能，非晶合金在过冷液相区还表现出超塑性，成形后几乎无回弹，有利于热塑性成形。非晶合金由于其优异的性能，在航空航天、精密器械、军事化工等领域有着广泛的应用前景。

目前非晶合金的成形方法有3D打印、吹塑模压、电磁成形等方法。3D打印可成形复杂结构零件，但生产出的零件多开裂，并容易发生晶化。吹塑模压模具简单，适合批量化和自动化生产，但是成形仅限于简单结构的零件，无法生产复杂结构的非晶合金零件。电磁成形采用电磁力这一静水力，可保证非晶合金坯料成形时受力均匀，但限制于非晶合金电阻率较大，导致电磁力往往不足以成形非晶合金，此外电磁成形同样需要模具，延长了加工周期。

采用柔性成形，不需要模具或只需要简单的模具使得加工成本大大降低，生产周期缩短，适合自动化生产。非晶合金板料在柔性成形时，由于其在过冷液相区的超塑性，可成形出复杂结构的零件或者一次成形直壁件，而不发生回弹和撕裂效应。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种非晶合金板材的柔性成形系统及成形方法，通过其关键组件预热单元和成形单元的设计，将非晶合金板材的预热、加热成形和快速冷却高度集成，克服了传统非晶合金制备方法对成形形状的限制，成形出具有完全非晶结构的复杂结构零件。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种非晶合金板材的柔性成形系统，其特征在于，该系统包括预热单元、夹紧单元和成形单元，其中：

所夹紧单元用于夹持待成形非晶合金板材；

所述预热单元设置在待成形板材的下方，通过对待成形非晶合金板材加热，使其温度达到该待成形非晶合金板材的玻璃化转变温度以下10℃～30℃，以此实现预热过程；

所述成形单元包括工具头，设置在待成形板材的上方，通过所述工具头对待成形非合金板材进行碾压实现待成形非晶合金板材的成形，所述工具头中设置有加热通道和冷却通道，所述加热通道用于通入加热介质加热所述待成形非晶合金板材表面，并使得被加热区域加热至过冷液相区的超塑性状态，所述冷却通道用于在所述工具头碾压所述待成形非晶合金板材后通入冷却介质，以此降低所述工具头的温度，然后通过所述工具头与待成形非晶合金板材接触的热传递降低该待成形非晶合金板材表面的温度，从而使其冷却，由此完成待成形非晶合金板材的成形。

进一步优选地，所述工具头的底端设置有多个所述加热通道的出口，使得在待成形非晶合金板材表面的被加热区域呈圆形，且该被加热区域的面积大于所述工具头的截面面积。

进一步优选地，所述工具头的加热通道中还设置有传感器，用于监测所述加热通道中的温度，通过控制该加热通道中的热风流道，以此保证所述被加热区域处于过冷液相区的超塑性状态。

进一步优选地，所述加工单元还包括支撑模，该支撑模位于所述待成形非晶合金板材的下方作为凸模，使得待成形非晶合金板材成形为所需的形状。

进一步优选地，所述夹紧单元包括垫板、压板和导柱，待成形非晶合金板材夹持在所述垫板和压板之间，所述导柱用于在所述垫板和压板带动所述非晶合金板材上下移动时在竖直方向进行导向。

进一步优选地，所述预热单元包括箱体、压缩机和加热器，所述箱体设置在待成形非晶合金板材的下方，用于充入热的气体以此对待成形非晶合金板材进行预热，所述压缩机用于向所述箱体中充入气体，所述加热器用于在所述气体充入所述箱体之前加热所述气体。

进一步优选地，所述气体优选采用惰性气体，避免氧化待成形非晶合金板材。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述所述的成形系统的成形方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)在待成形非晶合金表面涂覆一层润滑油，将待成形非晶合金板材夹持在所述夹紧单元上，采用预热单元预热待成形非晶合金板材至其温度至玻璃化温度以下10℃～30℃；

(b)在所述工具头的加热通道中通入热风对待成形非晶合金板材加热，使得被加热区域达到过冷液相区的超塑状态，所述工具头按照预设的轨迹对所述被加热区域进行碾压；

(c)在所述工具头中的冷却通道中通入冷却液降低所述工具头的温度，冷却后的工具头与待成形合金板材接触使其冷却，避免待成形非晶合金板材晶化，由此完成待成形非晶合金板材的成形；

(d)从所述夹紧单元上取下成形后的板材，清洗后获得所需的板材。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过将非晶合金板材经热惰性气体预热至其玻璃化转变温度Tg以下10-30℃，该温度范围通过多次实验获得，若温度高于Tg-10℃，则导致板材易发生晶化，若温度低于Tg-30℃，则板材无法快速升温成形，因此该温度范围一方面使非晶合金可快速被加热升温至过冷液相区的超塑性状态，另一方面非晶合金在此温度下可长期保持非晶状态而不发生晶化；

2、本发明通过将非晶合金加热至玻璃化转变温度Tg与起始晶化温度Tx之间的过冷液相区，使非晶合金处于超塑性状态，此时非晶合金处于玻璃态的粘塑性状态，施加很小的力便能产生较大的变形，从而使得柔性成形更加容易，不易发生回弹、拉裂等失效现象；

3、本发明采用非晶合金板料为原料，利用其过冷液相区的超塑性和低回弹，克服了柔性成形回弹导致的成形精度低的问题，提高了成形性能；同时可防止原料部分区域因拉伸载荷过大而扭曲和撕裂，可一次成形直壁件；

4、本发明通过采用在工具头中设置冷却通道，使得板材在加热碾压成形后急速冷却，避免了非晶合金板材长时间处于高温状态而发生晶化的现象，从而使得最终成形的板材具备完全非晶的结构；

5、本发明通过采用惰性气体预热非晶合金板材，同时在加工前在非晶合金板材上涂润滑油，避免在成形过程中非晶合金板材氧化，同时润滑油也在工具头与非晶合金板材之间进行润滑，减少二者之间的摩擦。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的非晶合金板材的柔性成形系统的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的工具头的结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例够构建的工具头底部结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-箱体，2-垫板，3-非晶合金板料，4-压板，5-导柱，6-工具头，7-压缩机，8-加热器，9-惰性气体，10-支撑模具，11-出气口，602-加热通道，603-冷却通道，604-冷却液入口，605-冷却液出口，606-热风入口，607-热风出口，608-导气槽，609-热风影响区，610-热电偶，611-控制阀，612-导线

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的非晶合金板材的柔性成形系统的结构示意图，如图1所示，一种非晶合金板材的柔性成形系统，该系统包括气体压缩机7、加热单元、夹紧单元、箱体1、成形单元，

所述气体压缩机7用于充入惰性气体，所述加热器8用于将冲入的惰性气体加热至非晶合金玻璃化转变温度以下温度，以预热非晶合金板料3。所述箱体底部设有出气孔11，以保持热惰性气体流通。

所述成形单元包括工具头6和支撑模具10，分别处于非晶合金板料的上端和下端，图2是按照本发明的优选实施例所构建的工具头的结构示意图，如图2所示，工具头采用耐磨耐高温材料，例如硬质合金等材料，工具头对非晶合金板材进行加热碾压，沿支撑模具成形出预想的产品，支撑模具可有可无，根据实际板材所需成形的形状设置，支撑模具可根据待成形的零件形状设计复杂的结构，可采用3D打印方法制作；

所述工具头内部包含加热通道602，用以通入热风，以快速加热非晶合金板料热风影响区至过冷液相区的超塑性状态，并在工具头的压力下沿支撑模具成形。气体压缩机充入热惰性气体的速率不能过快，保持进气和出气速率相同，防止箱体内气压过大，造成非晶合金板材受向上的压力而变形，同时也有保证实验操作安全的作用。同时，工具头内部还包含冷却通道603，用以通入冷却液，以快速冷却成形后的非晶合金板料。

图3是按照本发明的优选实施例够构建的工具头底部结构示意图，如图3所示，工具头底面沿圆周上均匀开设有多个热风出口607，每个热风出口相对应设置的还有导气槽608，该导气槽用于使得从热风出口吹出的热气的加热区域为圆形，且圆形区域的面积大于工具头横截面的面积，从而使得被加热区域大于碾压区域。

所述加热通道中热风温度由热电偶610实现，热电偶测出热风温度并经导线612反馈至控制阀611，通过控制阀控制热风流量，从而控制加热温度，导线612外部包覆一层隔热材料。

一种非晶合金板材的柔性成形系统的成形方法，该方法包括下列步骤：

(a)建立所需零件的三维结构模型，根据该三维模型生成工具头逐层加工的加工轨迹；

(b)在非晶合金板料上表面均匀地涂一层润滑油，润滑油起保护非晶合金板料在受热时不发生氧化的作用，同时也起到润滑的作用，优选在非晶合金过冷液相区温度区间内不发生分解的润滑油；

(c)打开气体压缩机和加热器充入热惰性气体，将非晶合金板料充分预热至玻璃化转变温度Tg以下10～30℃，从而使板材可快速被工具头加热且不会发生晶化，若温度高于Tg-10℃，则导致板材易发生晶化，若温度低于Tg-30℃，则板材无法快速升温成形；

(d)在工具头中通入热风，热风从入口606通入，经过气体通道602从热风出口607吹出，沿导气槽608吹在非晶合金板料热风影响区上，将板料局部区域快速从预热状态加热至过冷液相区的超塑性状态，工具头中通入热风进行加热时，电偶实时监测热风的温度；

(e)工具头按照生成的加工轨迹运行，将超塑性状态的非晶合金板料沿支撑模具实现渐进成形；

(f)在工具头内循环流动的冷却液保持工具头常温，并快速冷却成形后的非晶合金部位，避免长时间处于高温而晶化的发生；

(g)待零件加工完毕，取出零件，清洗润滑油，完成加工过程。

该成形方法中，若成形系统中设置有支撑模具，工具头在对非晶合金板材表面成形一遍后，夹紧单元和工具头一同下降一个层片的高度，其中，夹紧单元的下降是为了使非晶合金板料边缘区域随同一起下降，从而保持板料的边缘区域与工具头时刻处于同一高度，因为若板料边缘比工具头高，则在成型中将会逐渐碾压出一道沟槽，使得最终的成形产品不是所需的形状。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非晶合金板材的柔性成形系统，其特征在于，该系统包括预热单元、夹紧单元和成形单元，其中：

所夹紧单元用于夹持待成形非晶合金板材；

所述预热单元设置在待成形板材的下方，通过对待成形非晶合金板材加热，使其温度达到该待成形非晶合金板材的玻璃化转变温度以下10℃～30℃，以此实现预热过程；

所述成形单元包括设置在待成形板材上方的工具头(6)，通过所述工具头对待成形非合金板材进行碾压实现待成形非晶合金板材的成形，所述工具头(6)中设置有加热通道(602)和冷却通道(603)，所述加热通道(602)用于通入加热介质加热所述待成形非晶合金板材表面，并使得被加热区域加热至过冷液相区的超塑性状态，所述冷却通道(603)用于在所述工具头碾压所述待成形非晶合金板材后通入冷却介质，以此降低所述工具头的温度，然后通过所述工具头与待成形非晶合金板材接触的热传递降低该待成形非晶合金板材表面的温度，从而使其冷却，由此完成待成形非晶合金板材的成形。

2.如权利要求1所述的一种非晶合金板材的柔性成形系统，其特征在于，所述工具头(6)的底端设置有多个所述加热通道的出口，使得在待成形非晶合金板材表面的被加热区域呈圆形，且该被加热区域的面积大于所述工具头的截面面积。

3.如权利要求1所述的一种非晶合金板材的柔性成形系统，其特征在于，所述工具头的加热通道中还设置有传感器，用于监测所述加热通道中的温度，通过控制该加热通道中的热风流道，以此保证所述被加热区域处于过冷液相区的超塑性状态。

4.如权利要求1所述的一种非晶合金板材的柔性成形系统，其特征在于，所述加工单元还包括支撑模具(10)，该支撑模具位于所述待成形非晶合金板材的下方作为凸模，使得待成形非晶合金板材成形为所需的形状。

5.如权利要求1所述的一种非晶合金板材的柔性成形系统，其特征在于，所述夹紧单元包括垫板(2)、压板(4)和导柱(5)，待成形非晶合金板材夹持在所述垫板和压板之间，所述导柱用于在所述垫板和压板带动所述非晶合金板材上下移动时在竖直方向进行导向。

6.如权利要求1所述的一种非晶合金板材的柔性成形系统，其特征在于，所述预热单元包括箱体(1)、压缩机(7)和加热器(8)，所述箱体(1)设置在待成形非晶合金板材的下方，用于充入热的气体以此对待成形非晶合金板材进行预热，所述压缩机(7)用于向所述箱体中充入气体，所述加热器(8)用于在所述气体充入所述箱体之前加热所述气体。

7.如权利要求6所述的一种非晶合金板材的柔性成形系统，其特征在于，所述气体采用惰性气体，避免氧化待成形非晶合金板材。

8.一种权利要求1-7任一项所述的成形系统的成形方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)在待成形非晶合金表面涂覆一层润滑油，将待成形非晶合金板材夹持在所述夹紧单元上，采用预热单元预热待成形非晶合金板材至其温度至玻璃化温度以下10℃～30℃；

(b)在所述工具头的加热通道中通入热风对待成形非晶合金板材加热，使得被加热区域达到过冷液相区的超塑状态，所述工具头按照预设的轨迹对所述被加热区域进行碾压；

(c)在所述工具头中的冷却通道中通入冷却液降低所述工具头的温度，冷却后的工具头与待成形合金板材接触使其冷却，避免待成形非晶合金板材晶化，由此完成待成形非晶合金板材的成形；

(d)从所述夹紧单元上取下成形后的板材，清洗后获得所需的板材。