CN110280672B

CN110280672B - 一种基于高速冲击的金属板类件连接及成形复合制造方法

Info

Publication number: CN110280672B
Application number: CN201910624836.1A
Authority: CN
Inventors: 邓磊; 杜飞; 王新云; 金俊松; 龚攀
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-07-11
Filing date: 2019-07-11
Publication date: 2020-08-04
Anticipated expiration: 2039-07-11
Also published as: CN110280672A

Abstract

本发明属于板类构件加工成形相关领域，并公开了一种基于高速冲击的金属板类件连接及成形复合制造方法，包括：将增强板放置到模具上，并在它的上方布置基板；为基板配备电路回路，同时采用铝箔作为产生气化驱动的材料源；使电流流经铝箔及发生气化，所产生的局部高压气团驱动基板向下高速运动并撞击增强板；增强板于冲击处与基板产生连接，并随着撞击的不断持续及最终停止，两者在模具中逐渐连接及成形为一体，直至完成整个复合制造过程。本发明还公开了相应的金属板类件产品。通过本发明，不仅可提高板类件的成形极限，而且还有利于减少转角处应变过大及与模具产生连接之类的加工缺陷，同时具备所需工序少、成形精度和效率高、便于操控等优点。

Description

一种基于高速冲击的金属板类件连接及成形复合制造方法

技术领域

本发明属于板类构件加工成形相关领域，更具体地，涉及一种基于高速冲击的金属板类件连接及成形复合制造方法。

背景技术

随着航空、航天、汽车、电子、船舶等现代工业的飞速发展，金属构件不仅要满足力学要求，还需满足导电性、导热性、耐磨性、耐腐蚀性、轻量化等多方面的要求。同时，随着工程结构越来越复杂，对局部区域的性能有着特殊要求，因此，单一材料难以同时满足各项要求，需要将不同性能的材料进行连接及成形的复合加工。例如，可在需要成形的板类件上连接相同或异种金属使局部区域满足特定的要求(强度、硬度、导热、耐蚀等)，该类型的工件目前通常采用了成形加物理机械式的连接或者成形加熔融连接的方法。然而，在机械式的连接中，需先加工出局部凸筋或凸台用来扣接，这会造成工序的增多及材料的浪费；而如果采用熔融连接加成形相结合的方式，不论是先成形后连接，还是先连接后成形，都会影响板类件的形状以及表面光洁度，并且在焊缝处会出现热影响区，极大地降低整体强度。不仅如此，若采用两步成形，不仅增加工序，而且会产生二次装配误差，甚至导致整个大型零件的报废，造成资源浪费。因此，对于复杂结构的板类件，这类传统方法无法保证零件的整体性能及经济性。

目前已经探索提出了一种高速率成形技术，其是将高能量密度的场能或高能束作为外界输入能量，通过能场与物质的相互作用驱动材料发生高速运动，与另一材料发生高速碰撞而成形的过程。由于它具有提高难成形材料成形性能和减小工件回弹的优势，如能够在室温下对钛合金、铝合金和高强度钢进行成形，可减少升温带来的能量消耗，并可能在基本不改变原始组织和性能的前提下，实现两种材料间的冶金结合，有效避免连接热影响区的形成。

然而，进一步的研究表明，这类高速率成形技术目前仍存在以下多个技术难题，并直接影响到了其在实际运用中的适用程度：其一，在材料的碰撞过程中，撞击区域的能量不易控制，无法实现特定区域的较高精度的连接或成形要求；其二，传统的高速成形技术大多采用炸药爆炸或电磁脉冲来提供驱动力，不仅炸药的储存和运输受到限制，对工作环境要求高并有一定危险性，而且电磁脉冲的线圈寿命低，还需要对加工材料导电性提出了较高要求；最后，采用以上高速率成形过程所获得的产品可能产生一些成形缺陷，譬如转角处发生应变过大导致开裂、甚至与模具产生连接等。相应地，本领域亟需对此作出进一步的研究和改进，以便符合基于高速率成形技术在更高质量及效率等方面的关键需求。

发明内容

针对现有技术的以上技术问题和改进需求，本发明提出了一种基于高速冲击的金属板类件连接及成形复合制造方法，其中不仅采用了铝箔汽化来提供冲击驱动力的基本思路，而且还通过对多个关键工序操作的相互配合确保可在动态加载下有效改善材料性能，将高速冲击连接与高速冲击成形更好地融合一体，并尤其能够实现工件局部特征及连接处的高质量成形效果，避免了转角应变过大等成形缺陷，同时具备便于操控、成形效率高和加工成本低等优点，因而尤其适用于一些形状复杂、室温成形能力差的金属构件加工场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于高速冲击的金属板类件连接及成形复合制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(i)将作为加工对象之一的增强板(9)放置到对应的模具(10)上，将作为另一加工对象的基板(3)放置于该增强板(9)的上方且保持对置；

(ii)在所述基板(3)的上侧设置铝箔(8)，并在该铝箔的上侧继续放置固定块(7)，将所述铝箔的两端通过导线(1)连接到电容器(6)以构成一条回路；此外，将该铝箔的上、下表面均贴上绝缘层(2)以使得其与所述固定块(7)、所述基板(3)均保持隔开；

(iii)使所述电容器(6)瞬时放电，电流流经所述铝箔(8)并使得该铝箔的有效区域发生汽化且产生局部高压气团，由此在所述固定块(7)的约束下输出局部压力以驱动所述基板(3)向下高速运动且发生塑性变形；

(iv)所述增强板(9)被所述基板(3)所撞击并在冲击处产生薄层金属射流，相应在对应区域产生连接，同时在连接部位的部分界面形成波纹；随着撞击的不断持续及最终停止，所述增强板(9)、基板(3)在所述模具中逐渐连接及成形为一体，直至与该模具完全贴合并定型，由此得到所需的金属板类件产品。

作为进一步优选地，在步骤(i)中，所述增强板(9)的厚度优选设定为 2mm～4mm，所述基板(3)的厚度优选设定为0.5mm～1.5mm，并且两者之间的间距优选为1mm～2.5mm。

作为进一步优选地，在步骤(ii)中，所述铝箔(8)的厚度优选设定为 0.065mm～0.15mm，进一步优选为0.08mm。

作为进一步优选地，在步骤(ii)中，所述铝箔(8)优选为一次性消耗品，其平面形状优选为两端宽、中间细的狗骨型。

作为进一步优选地，在步骤(iii)中，所述电容器的放电能量优选设置为 5KJ～15KJ；此外，优选采用所述铝箔(8)的中间区域来作为有效区域发生汽化。

作为进一步优选地，在步骤(iv)中，在所述增强板被所述基板所撞击的过程中，所述基板相对于所述增强板的撞击角优选设定为12°～20°，所述基板相对于所述增强板的撞击速度优选为300m/s～1000m/s。

作为进一步优选地，在所述模具(10)的水平两侧优选还分别布置有压缩弹簧(5)，各个压缩弹簧的上部设置有水平背压板(4)，由此进一步对所述基板相对于所述增强板的撞击速度进行调整。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的金属板类件产品。

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，主要具备以下的技术优点：

1、本发明通过采用铝箔汽化的基本思路来提供基板的驱动力，相对于炸药等方式更为安全可靠，特别是铝箔汽化对基板是否导电没有限制，并在相同的放电能量下可使得基板的速度更高；

2、本发明通过对整体工序操作及其相互配合的重新设计，较多的实际测试表明，可在动态加载下显著改善材料性能，更好地将高速冲击连接和高速冲击成形融合一体，并可通过调整撞击距离及背压力来控制撞击能量，从而实现工件的局部特征和需连接处的一次加工成形；

3、本发明的工艺方法不仅能够提高成形极限、减少回弹以及成形工序，而且还有效避免了连接热影响区的形成，从而可获得尺寸精度更高、表面质量更好、厚度分布更为均匀等优点的工件；

4、此外，本发明的工艺方法便于操控、只需一套电容设备及一副目标模具，在节约加工成本的同时还显著提高了加工效率，对操作环境要求低，因而尤其适用于一些形状复杂、室温成形能力差的金属构件高速率成形过程。

附图说明

图1是按照本发明所构建的基于高速冲击的金属板类件连接及成形复合制造系统的基本构造示意图；

图2是用于更显示电容器放电之后的复合制造系统的场景示意图；

图3是用于更为具体地解释说明高速冲击过程的工况示意图；

图4是用于更为具体地解释说明高速冲击结束时的工况示意图；

图5是按照本发明所获得的金属板类件工件示意图；

图6是按照本发明的一个优选实施例、所采用的铝箔形状示意图。

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.导线、2.绝缘层、3.基板、4.背压板、5.压缩弹簧、6.电容器、7.固定块、8.铝箔、9.增强板、10.模具、11.高压气团、12.金属射流、13.波形界面、 14.铝箔有效区域。

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是按照本发明所构建的基于高速冲击的金属板类件连接及成形复合制造系统的基本构造示意图。按照本发明的基本构思，基于该复合制造系统的金属板类件连接及成形复合制造方法主要包括下列步骤：

首先，将作为加工对象之一的增强板9放置到对应的模具10上，将作为另一加工对象的基板3放置于该增强板9的上方且保持对置；其中，增强板9和基板3的材质可以相同，也可以不同。

在此过程中，按照本发明的一个优选实施方式，所述增强板的厚度优选设定为2mm～4mm，所述基板的厚度优选设定为0.5mm～1.5mm，并且两者之间的间距优选为1mm～2.5mm。

接着，在所述基板3的上侧设置铝箔8，并在该铝箔的上侧继续放置固定块7，将所述铝箔的两端通过导线1连接到电容器6以构成一条回路；此外，将该铝箔的上、下表面均贴上譬如聚氨酯胶带之类的绝缘层2，由此使得其与固定块7、基板3均保持隔开。该聚氨酯胶带不仅可以起到绝缘作用，还能防止铝箔直接驱动基板造成表面的缺陷。

在此过程中，作为本发明的关键工艺参数之一，按照本发明的一个优选实施方式，所述铝箔的厚度优选设定为0.065mm～0.15mm，进一步优选为0.08mm。此外，该铝箔优选为一次性消耗品，其平面形状优选为两端宽、中间细的狗骨型。

接着，使所述电容器6瞬时放电，电流流经所述铝箔8并使得该铝箔的有效区域发生汽化且产生局部高压气团，由此在所述固定块7的约束下输出局部压力，相应驱动所述基板3向下高速运动且发生塑性变形。

在此过程中，作为另一关键工艺参数，按照本发明的一个优选实施方式，所述电容器的放电能量优选设置为5KJ～15KJ；相应地，基板以极快的速度(300m/s-1000m/s)与增强板发生撞击，并且基板相对于增强板的撞击角优选设定为12°～20°，以此方式可获得更为合适的撞击效果。此外，铝箔中间部分是产生汽化的有效区域，电容器放电后的高强电流在约8μs通过铝箔，铝箔汽化提供基板的驱动力。

接着，所述增强板9被所述基板3所撞击，并在冲击处产生薄层金属射流，相应在对应区域产生连接，同时在连接部位的部分界面形成波纹；随着撞击的不断持续及最终停止，所述增强板9、基板3在所述模具中逐渐连接及成形为一体，直至与该模具完全贴合并定型，由此得到所需的金属板类件产品。

需要说明的是，在此过程中，撞击是基板分别与增强板和模具逐渐接触的一个过程，并在撞击点处产生薄层金属射流，将两个板接触表面的金属氧化物及杂质冲刷走。此外，可以通过弹簧改变背压力，由此更好地调整基板的撞击速度。

下面将通过一些具体实施例，来更为清楚地解释说明本发明。

实施例1

以0.5mm厚5083铝合金为基板，2mm厚纯钛为增强板实现连接及成形复合高速制造。

1)在室温下，如附图1将纯钛9放到对应的模具10上，将5083铝合金 3放置距增强板9上方2.5mm的位置，并在0.05mm厚的铝箔8两端通过导线1连接到电容器6，铝箔8通过聚氨酯胶带2分别与固定块7和基板3隔离开；

2)如附图2，电容器6释放15KJ的能量，高强电流在约8μs瞬时通过铝箔8，使铝箔8的有效区域14(如附图6)发生汽化，产生约103～104MPA 的局部高压，在固定块7的约束下局部压力驱动基板3高速移动并发生塑性变形；

3)基板3以极快的速度约1000m/s与增强板10发生撞击，并在撞击点前沿形成一股金属射流12，将两个板接触表面的金属氧化物及杂质冲刷走，在条件合适(冲击角度15°)的区域产生连接，并会在连接区域的部分界面形成规则的波纹界面13；

4)在基板3的后续撞击如附图3，由于冲击能量的损耗及弹簧5的作用，基板3与模具10逐渐贴合而不产生连接；

5)当基板3的冲击能量完全消耗完时，其5083铝合金3与模具10完全贴合并定型如图4，最后得到5083铝合金和纯钛的复合工件如图5。

实施例2

以1.5mm厚H62铜合金为基板，3mm厚DP780钢为增强板实现连接及成形复合高速制造。

1)在室温下，如附图1将DP780钢9放到对应的模具10上，将H62 铜合金3放置距增强板9上方1mm的位置，并在0.15mm厚的铝箔8两端通过导线1连接到电容器6，铝箔8通过聚氨酯胶带2分别与固定块7和基板3隔离开；

2)如附图2，电容器6释放5KJ的能量，高强电流在约12μs瞬时通过铝箔8，使铝箔8的有效区域14(如附图6)发生汽化，产生约103～104MPA 的局部高压，在固定块7的约束下局部压力驱动基板3高速移动并发生塑性变形；

3)基板3以约300m/s的速度与增强板10发生撞击，并在撞击点前沿形成一股金属射流12，将两个板接触表面的金属氧化物及杂质冲刷走，在条件合适(冲击角度15°)的区域产生连接，并会在连接区域的部分界面形成规则的波纹界面13；

5)当基板3的冲击能量完全消耗完时，其H62铜合金3与模具10完全贴合并定型如图4，最后得到H62铜合金和DP780钢的复合工件如图5。

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

1.一种基于高速冲击的金属板类件连接及成形复合制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

2.如权利要求1所述的一种基于高速冲击的金属板类件连接及成形复合制造方法，其特征在于，在步骤(i)中，所述增强板(9)的厚度设定为2mm～4mm，所述基板(3)的厚度设定为0.5mm～1.5mm，并且两者之间的间距为1mm～2.5mm。

3.如权利要求2所述的一种基于高速冲击的金属板类件连接及成形复合制造方法，其特征在于，在步骤(ii)中，所述铝箔(8)的厚度设定为0.065mm～0.15mm。

4.如权利要求3所述的一种基于高速冲击的金属板类件连接及成形复合制造方法，其特征在于，在步骤(ii)中，所述铝箔(8)的厚度为0.08mm。

5.如权利要求1-4任意一项所述的一种基于高速冲击的金属板类件连接及成形复合制造方法，其特征在于，在步骤(ii)中，所述铝箔(8)为一次性消耗品，其平面形状为两端宽厚、中间细的狗骨型。

6.如权利要求1-4任意一项所述的一种基于高速冲击的金属板类件连接及成形复合制造方法，其特征在于，在步骤(iii)中，所述电容器的放电能量设置为5KJ～15KJ；此外，采用所述铝箔(8)的中间区域来作为有效区域发生汽化。

7.如权利要求5所述的一种基于高速冲击的金属板类件连接及成形复合制造方法，其特征在于，在步骤(iv)中，在所述增强板被所述基板所撞击的过程中，所述基板相对于所述增强板的撞击角设定为12°～20°，所述基板相对于所述增强板的撞击速度为300m/s～1000m/s。

8.如权利要求1-4任意一项所述的一种基于高速冲击的金属板类件连接及成形复合制造方法，其特征在于，在所述模具(10)的水平两侧还分别布置有压缩弹簧(5)，各个压缩弹簧的上部设置有水平背压板(4)，由此进一步对所述基板相对于所述增强板的撞击速度进行调整。

9.一种金属板类件产品，其采用权利要求1-8任意一项所述的方法而制得。