CN110640018B - 一种多物理场复合效应微成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多物理场复合效应微成形装置及方法，成形装置包括底板，底板上端通固定有固定板，固定板上端安装有外导柱，外导柱上设有动板，动板中心位置安装有绝热层，绝热层内设有高频电磁感应线圈，绝热层之间设有板料，压边圈上端设有凸模固定板。本发明通过高频电磁感应线圈对成形板料进行预加热处理，避免了高强度金属板料的成形难、回弹量大等问题，同时，由于采用高频电磁感应线圈对成形板料进行预加热处理，改善了成形工件的塑性、减小了冲压设备的成形力、降低了对成形模具的强度与刚度要求等特点；同时，结合超声振动技术，利于提高成形工件的形状复杂性和抑制回弹问题，此外，在超声振动作用下也利于提高工件的成形质量。
Description
技术领域
本发明涉及金属薄板热成形技术领域，具体的是一种多物理场复合效应微成形装置及方法。
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。
热成形是将坯料加热至奥氏体化温度，经冲压设备成形后在模具中快速冷却淬火。加热方式是热成形工艺中的关键技术之一，也是与传统冷冲压成形工艺的重要区别。目前热成形的加热方式主要有加热炉加热、电磁感应加热以及电阻加热等，由于微成形装置体积小、加工精度高、可控性好等特点，利用电磁感应加热为首选方式。相比传统微成形方式，热成形技术具有成形件强度高、塑性好、回弹小、冲压设备成形力要求低等优点。
自Blaha等学者在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”以来，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
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种多物理场复合效应微成形装置及方法，本发明通过高频电磁感应线圈对成形板料进行预加热处理，避免了高强度金属板料的成形难、回弹量大等问题，同时，由于采用高频电磁感应线圈对成形板料进行预加热处理，改善了成形工件的塑性、减小了冲压设备的成形力、降低了对成形模具的强度与刚度要求等特点；
同时，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材料流动性能和填充能力，利于提高成形工件的形状复杂性和抑制回弹问题，此外，在超声振动作用下使得成形工件与模具间的摩擦力减小利于提高工件的成形质量。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种多物理场复合效应微成形装置，包括底板，所述底板上端通过第一螺栓固定有两个平行分布的支撑杆，支撑杆顶部通过第二螺栓固定有固定板。
所述固定板中心位置贯穿有变幅杆，变幅杆底端螺纹连接有换能器，变幅杆上端设有凹模，凹模与变幅杆通过内螺纹相连接。
所述固定板上端安装有两个平行分布的外导柱，外导柱上设有第一弹簧、动板和压边圈，动板和压边圈不接触，压边圈中心位置开有第一限位孔。
所述动板中心位置安装有绝热层，绝热层内设有高频电磁感应线圈，绝热层之间设有板料。
所述压边圈上端设有两个平行分布的第二弹簧，第二弹簧顶端均设有凸模固定板，凸模固定板底端通过内螺纹连接有凸模。
所述凸模固定板侧端开有第二限位孔，压边圈和凸模固定板之间设有限位螺栓，限位螺栓分别贯穿第二限位孔、第二弹簧和压边圈上端螺纹连接。
进一步地，所述变幅杆和换能器形成超声振动单元，超声振动单元通过螺栓和固定板固定连接。
进一步地，所述第一弹簧、动板和压边圈从下向上依次贯穿在外导柱上，第一弹簧通过动板控制板料的工作状态，控制板料的预加热初始状态及复位。
进一步地，所述凸模和第一限位孔采用间隙配合，凸模和凹模限位适配。
进一步地，所述动板和压边圈通过外导柱实现运动的导向和定位。
进一步地，所述凸模固定板与外设的压力机上的滑块相连接，滑块上下运动带动凸模固定板上下运动。
一种多物理场复合效应微成形方法，包括以下步骤：
一、将板料放置于绝热层上，接通高频电磁感应线圈对待成形板料进行预加热；
二、启动外设的压力机，凸模固定板、凸模及压边圈下行运动，当压边圈接触动板时，在第二弹簧的作用下推动动板向下运动直至板料与绝热层脱离，板料落至凹模上；
三、压力机继续下行，压边圈在第二弹簧作用下对落至凹模上的板料压紧；
四、断开高频电磁感应线圈，凸模下行，执行拉深成形工艺；
五、根据工艺要求在拉深成形开始、过程和结束三个阶段开启超声振动单元的超声振动功能；
六、凸模上行，第一弹簧复位，动板上行，完成开模。
本发明的有益效果：
1、本发明通过高频电磁感应线圈对成形板料进行预加热处理，避免了高强度金属板料的成形难、回弹量大等问题，同时，由于采用高频电磁感应线圈对成形板料进行预加热处理，改善了成形工件的塑性、减小了冲压设备的成形力、降低了对成形模具的强度与刚度要求等特点；
2、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材料流动性能和填充能力，利于提高成形工件的形状复杂性和抑制回弹问题，此外，在超声振动作用下使得成形工件与模具间的摩擦力减小利于提高工件的成形质量。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明多物理场复合效应微成形装置的结构示意图；
图2是本发明多物理场复合效应微成形装置的工作状态示意图；
图3是本发明图1中A处放大结构示意图；
图4是本发明图2中B处放大结构示意图。
图中：限位螺栓1、第二弹簧2、压边圈3、动板4、外导柱5、变幅杆6、支撑杆7、凸模固定板8、凸模9、高频电磁感应线圈10、板料11、绝热层12、凹模13、第一弹簧14、固定板15、换能器16、第二螺栓17、第一螺栓18、底板20、第一限位孔31、超声振动单元60、第二限位孔81。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
一种多物理场复合效应微成形装置，如图1和2所示，包括底板20，底板20上端通过第一螺栓18固定有两个平行分布的支撑杆7，支撑杆7顶部通过第二螺栓17固定有固定板15。
固定板15中心位置贯穿有变幅杆6，变幅杆6底端螺纹连接有换能器16，变幅杆6和换能器16形成超声振动单元60，超声振动单元60通过螺栓和固定板15固定连接。变幅杆6上端设有凹模13，凹模13与变幅杆6通过内螺纹相连接。
如图1和2所示，固定板15上端安装有两个平行分布的外导柱5，外导柱5上设有第一弹簧14、动板4和压边圈3，第一弹簧14、动板4和压边圈3从下向上依次贯穿在外导柱5上，第一弹簧14通过动板4控制板料11的工作状态，控制板料11的预加热初始状态及复位。动板4和压边圈3不接触，动板4和压边圈3通过外导柱5实现运动的导向和定位，压边圈3中心位置开有第一限位孔31。
动板4中心位置安装有绝热层12，绝热层12内设有高频电磁感应线圈10，绝热层12之间还设有板料11，板料11经加热会发生变形。
如图1和2所示，压边圈3上端设有两个平行分布的第二弹簧2，第二弹簧2顶端均设有凸模固定板8，凸模固定板8底端通过内螺纹连接有凸模9，凸模9和第一限位孔31采用间隙配合，凸模9和凹模13限位适配。
凸模固定板8与外设的压力机上的滑块相连接，滑块上下运动带动凸模固定板8上下运动。凸模固定板8侧端开有第二限位孔81，压边圈3和凸模固定板8之间设有限位螺栓1，限位螺栓1分别贯穿第二限位孔81、第二弹簧2和压边圈3上端螺纹连接。
一种多物理场复合效应微成形方法，包括以下步骤：
一、如图1所示，将板料11放置于绝热层12上，接通高频电磁感应线圈10对待成形板料11进行预加热；
二、启动外设的压力机，凸模固定板8、凸模9及压边圈3下行运动，当压边圈3接触动板4时，在第二弹簧2的作用下推动动板4向下运动直至板料11与绝热层12脱离，板料11落至凹模13上；
三、压力机继续下行，压边圈3在第二弹簧2作用下对落至凹模13上的板料11压紧；
四、断开高频电磁感应线圈10，凸模9下行，执行拉深成形工艺，如图2所示；
五、根据具体的工艺要求在拉深成形开始、过程和结束三个阶段开启超声振动单元60的超声振动功能；
六、凸模9上行，第一弹簧14复位，动板4上行，完成开模。
与传统的成形技术相比，本发明通过高频电磁感应线圈对成形板料进行预加热处理，避免了高强度金属板料的成形难及回弹量大等问题，同时，由于采用高频电磁感应线圈对成形板料进行预加热处理，改善了成形工件的塑性、减小了冲压设备的成形力、降低了对成形模具的强度与刚度要求等特点；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材料流动性能和填充能力，利于提高成形工件的形状复杂性和抑制回弹问题，此外，在超声振动作用下使得成形工件与模具间的摩擦力减小利于提高工件的成形质量。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (5)
1.一种多物理场复合效应微成形装置，包括底板(20)，其特征在于，所述底板(20)上端通过第一螺栓(18)固定有两个平行分布的支撑杆(7)，支撑杆(7)顶部通过第二螺栓(17)固定有固定板(15)；
所述固定板(15)中心位置贯穿有变幅杆(6)，变幅杆(6)底端螺纹连接有换能器(16)，变幅杆(6)上端设有凹模(13)，凹模(13)与变幅杆(6)通过内螺纹相连接；
所述变幅杆(6)和换能器(16)形成超声振动单元(60)，超声振动单元(60)通过螺栓和固定板(15)固定连接；
所述固定板(15)上端安装有两个平行分布的外导柱(5)，外导柱(5)上设有第一弹簧(14)、动板(4)和压边圈(3)，动板(4)和压边圈(3)不接触，压边圈(3)中心位置开有第一限位孔(31)；
所述第一弹簧(14)、动板(4)和压边圈(3)从下向上依次贯穿在外导柱(5)上，第一弹簧(14)通过动板(4)控制板料(11)的工作状态，控制板料(11)的预加热初始状态及复位；
所述动板(4)中心位置安装有绝热层(12)，绝热层(12)内设有高频电磁感应线圈(10)，绝热层(12)之间设有板料(11)；
所述压边圈(3)上端设有两个平行分布的第二弹簧(2)，第二弹簧(2)顶端均设有凸模固定板(8)，凸模固定板(8)底端通过内螺纹连接有凸模(9)；
所述凸模固定板(8)侧端开有第二限位孔(81)，压边圈(3)和凸模固定板(8)之间设有限位螺栓(1)，限位螺栓(1)分别贯穿第二限位孔(81)、第二弹簧(2)和压边圈(3)上端螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的一种多物理场复合效应微成形装置，其特征在于，所述凸模(9)和第一限位孔(31)采用间隙配合，凸模(9)和凹模(13)限位适配。
3.根据权利要求1所述的一种多物理场复合效应微成形装置，其特征在于，所述动板(4)和压边圈(3)通过外导柱(5)实现运动的导向和定位。
4.根据权利要求1所述的一种多物理场复合效应微成形装置，其特征在于，所述凸模固定板(8)与外设的压力机上的滑块相连接，滑块上下运动带动凸模固定板(8)上下运动。
5.一种多物理场复合效应微成形方法，包括如权利要求1-4任一项所述的多物理场复合效应微成形装置，其特征在于，所述成形方法包括以下步骤：
一、将板料(11)放置于绝热层(12)上，接通高频电磁感应线圈(10)对待成形板料(11)进行预加热；
二、启动外设的压力机，凸模固定板(8)、凸模(9)及压边圈(3)下行运动，当压边圈(3)接触动板(4)时，在第二弹簧(2)的作用下推动动板(4)向下运动直至板料(11)与绝热层(12)脱离，板料(11)落至凹模(13)上；
三、压力机继续下行，压边圈(3)在第二弹簧(2)作用下对落至凹模(13)上的板料(11)压紧；
四、断开高频电磁感应线圈(10)，凸模(9)下行，执行拉深成形工艺；
五、根据工艺要求在拉深成形开始、过程和结束三个阶段开启超声振动单元(60)的超声振动功能；
六、凸模(9)上行，第一弹簧(14)复位，动板(4)上行，完成开模。
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