CN111167918A - 一种用于板材的多点-电磁气化复合成形装置及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于板材的多点‑电磁气化复合成形装置及成形方法，包括可上下移动的上冲头和下冲头，多个上冲头阵列形成一上冲头群，多个下冲头阵列形成下冲头群，其特征在于，上冲头群和下冲头群之间设置有弹性夹持组件、第一弹性垫和可通电气化的金属薄片，金属薄片设置在弹性夹持组件和第一弹性垫之间，弹性夹持组件包括用于夹持在板材上下侧的第二弹性垫。本发明一方面可以将计算机控制上冲头和下冲头的位置形成形状可变的“柔性模具”，从而实现不同形状的板材的快速成形；另一方面通过电磁成形实现板材，回弹的大幅度降低甚至完全消除，提升了板材成形的质量。

Description

一种用于板材的多点-电磁气化复合成形装置及成形方法

技术领域

本发明涉及板材成形技术领域，尤其涉及一种用于板材的电磁-多点复合成形装置及其成形方法。

背景技术

随着航空航天等高技术产业的迅速发展，先进飞机、航天器、火箭及导弹等迫切需要采用结构效益十分显著的大尺寸板型零件，以减轻质量、提高运载器承载能力极限和航程等整体性能。

在大尺寸板料成形中，板料的不同区域往往变形程度不一样，这就会导致板料不同区域产生不同方向、不同大小的回弹，从而最终严重影响成形质量。并且目前铝合金、钛合金等高强度轻质材料在航空航天上大量应用，这类材料相比于传统的钢材具有更大的回弹量，回弹控制更加困难。而常用的解决回弹的方法就是对模具进行修正，这就需要多次调试和修模，来满足成形精度的要求。最终造成产品的生产效率低、成本高、生产周期长，造成了时间和资源的巨大浪费。

电磁脉冲成形是一种利用脉冲磁场力对金属工件进行高速加工的方法。研究表明：材料在高速冲击下，产生不同于传统加工方法准静态的变形行为而出现一种动态行为，即材料在变形弹性波、塑性波的冲击下出现晶体孪生、组织相变、绝热剪切等动力学行为。因而能够有效提高难变形材料的成形极限、降低回弹。例如：在专利“一种蒙皮件的温热电磁成形装置及方法”中，崔晓辉等提出“拉形-加热-电磁”多次交替进行实现板料的精确成形以及回弹控制。

但目前电磁成形技术的发展严重限制于线圈的寿命，在电磁成形过程中，线圈在产生使工件变形的脉冲电磁力时，也受到巨大的电磁载荷和机械载荷，当载荷过大时线圈遭到破坏，导致成形失败。且电磁成形只适用于电导率高的材料，对于电导率低的材料往往需要电导率高的材料驱动成形，这也造成了材料的浪费。

电磁气化成形是一种利用金属薄片通电加热气化产生冲击波对工件进行高速成形的加工方法，研究表明材料在高速变形条件下能够获得更好的加工性能，体现在材料的成形极限更高，且成形件基本无回弹。因此，相比于采用放电线圈的电磁成形，电磁气化成形具有更大的应用领域。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于板材的电磁-多点复合成形装置及成形方法，从而解决上述问题。

为实现上述目的，本发明首先公开了一种用于板材的多点-电磁气化复合成形装置，包括上冲头和下冲头，多个所述上冲头阵列形成一上冲头群，多个所述下冲头阵列形成所述下冲头群，所述上冲头群和下冲头群之间设置有弹性夹持组件、第一弹性垫和可通电气化的金属薄片，所述金属薄片设置在所述弹性夹持组件和第一弹性垫之间，所述弹性夹持组件包括用于夹持在所述板材上下侧的第二弹性垫。

进一步的，所述金属薄片设置在所述弹性夹持组件的上侧，所述第一弹性垫设置在所述金属薄片的上侧。

进一步的，所述第一弹性垫的硬度不小于所述第二弹性垫。

进一步的，所述第二弹性垫和弹性夹持组件之间设置有垫块。

进一步的，所述金属薄片为一体式薄片结构，所述一体式薄片结构的厚度为0.01mm-0.3mm。

进一步的，所述金属薄片包括从内到外依次设置多个离散薄片，所述离散薄片的厚度为0.01mm-0.3mm。

进一步的，所述第一弹性垫为聚氨酯树脂弹性垫，所述第二弹性垫为橡胶弹性垫。

然后本发明公开了一种用于板材的多点-电磁气化复合成形方法，包括上述方案所述的用于板材的多点-电磁气化复合成形装置，包括如下步骤：

S1、将上冲头和/或下冲头按照成形后板材的型面轮廓进行组合；

S2、通过所述第二弹性垫夹紧板材，并依次布置所述金属薄片和第一弹性垫，均放置于所述下冲头群上；

S3、驱动所述上冲头群下降以对板材进行预成形；

S4、控制所述金属薄片通电加热气化后高速膨胀，产生高速冲击波实现板材的成形。

进一步的，在所述步骤S4中，所述金属薄片为一体式薄片结构，所述金属薄片为一次性放电气化。

进一步的，在所述步骤S4中，所述金属薄片包括从内到外依次设置多个薄片环，且所述薄片环从外到内依次放电气化。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的冲头冲压后，对板料直接放电可消除板料回弹，实现高效-高质量的零件快速成形。避免了专利“一种蒙皮件的温热电磁成形装置及方法”中，多次“拉形-加热-电磁”过程，从而大幅度提高成形效率。

(2)本发明板料被整体冲压后，只需要较小的放电能量使板料发生较小的塑性变形既可以产生高频震荡现象，较小的塑性变形会降低板料减薄。相比于专利“一种蒙皮件的温热电磁成形装置及方法”中，被拉型后的板料与模具往往存在较大的间隙，这就需要较大的放电能量，并且板料需要较大的塑性变形量，会导致板料发生减薄；

(3)本发明将线圈和刚性工具头间隙式布置，同时具有多点成形和电磁成形的优势，从而能大幅度降低模具对的制作成本，并解决传统多点成形所出现的大回弹缺陷；

(4)本发明通过弹性垫的设置有利于避免刚性工具头在板料上会产生的压痕。并且由于弹性垫较软，当线圈放电驱使板料向背离线圈方向运动外，弹性垫的恢复又驱动板料反向移动，保证板料最终的变形精度。同时由于电磁成形的高频震荡效应消除回弹，以及弹性垫驱动零件反向弯曲变形，都有助于消除回弹。

(5)采用金属薄片气化实现零件高速成形，避免了线圈的复杂制作工作。可根据零件的变形要求设计需要的气化薄片结构，提高零件成形的柔性化。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1a为传统多点成形工艺下板料的变形示意图；

图1b为传统多点成形后，刚性工具头卸载后板料的回弹示意图；

图2a为本发明实施例中带金属薄片的多点模具的冲压结果示意图；

图2b为本发明实施例中金属薄片在第一个位置通电气化后板料和软弹性垫的变形结果示意图；

图2c为本发明实施例中金属薄片在第一个位置通电气化后，软弹性垫恢复并驱动板料反向变形的变形结果示意图；

图2d为本发明实施例中金属薄片在第二个位置通电气化后板料的变形结果示意图；

图2e为本发明实施例中金属薄片在第三个个位置通电气化后板料的变形结果示意图；

图2f为本发明实施例中金属薄片在最后一个位置通电气化后板料的变形结果示意图；

图3为本发明实施例中带大型金属薄片的多点模具的冲压结果示意图；

图4为本发明实施例中经过金属薄片气化后，多点模具卸载后的回弹结果示意图。

图例说明：

1、上冲头群；2、下冲头群；3、板材；4、第二弹性垫；5、第一弹性垫；6、金属薄片；7、垫块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图2a-图4所示，本发明实施例首先公开了一种用于板材的多点-电磁气化复合成形装置，包括上冲头和下冲头，多个上冲头阵列形成一上冲头群1，多个下冲头阵列形成下冲头群2，上冲头群1和下冲头群2之间设置有弹性夹持组件、第一弹性垫5和可通电气化的金属薄片6，金属薄片6设置在弹性夹持组件和第一弹性垫5之间，弹性夹持组件包括用于夹持在板材3上下侧的第二弹性垫4。通过弹性垫的设置有助于抑制刚性冲头在板材3表面产生压痕，更为重要的是金属薄片6气化后高速膨胀使板材3局部区域发生塑性变形及高频震荡效应，消除板材3局部区域的回弹，而弹性垫的恢复会对板材3进行反向弯曲，既可以消除回弹，又有助于保证零件的成形质量。同时，待变形板材3不仅适合于高电导率材料，比如铝合金、铜合金，镁合金等；也可以适合于低电导率材料，比如钛合金，钢等。在大幅度降低模具对的制作成本的同时，解决了传统多点成形所出现的大回弹缺陷的问题。

在本实施例中，金属薄片6设置在弹性夹持组件的上侧，且贴合第二弹性垫4设置，第一弹性垫5设置在金属薄片6的上侧，从而便于上冲头群1上升，调整金属薄片6和垫块7的位置。

在本实施例中，第一弹性垫5的硬度大于第二弹性垫4，具体的，第一弹性垫5为聚氨酯树脂弹性垫，第二弹性垫4为橡胶弹性垫。第一弹性垫5有助于把金属薄片6气化产生的高压力传递到第二弹性垫4以及板材3上。

在本实施例中，第二弹性垫4和弹性夹持组件之间设置有垫块7，从而将第二弹性垫4和第一弹性垫5隔开，由于金属薄片的厚度一般在0.01～0.3mm之间，那么垫块7的厚度也不超过0.3mm，当垫块非常薄的情况下，不会对板料产生应力集中。

在本实施例中，金属薄片6为一体式薄片结构，使用时一次性放电气化，实现零件上回弹的消除，成形速率快。

可选的，金属薄片6包括从内到外依次设置多个离散薄片，使用时，离散薄片从外到内依次放电气化，零件发生塑性变形，使气化金属薄片对应的板料区域上的回弹被消除。这样可以采用小功率设备实现大型零件的成形，节约成本。

然后本发明公开了一种用于板材的多点-电磁气化复合成形方法，包括上述方案的用于板材的多点-电磁气化复合成形装置，包括如下步骤：

S1、将上冲头和/或下冲头的上下位置，按照成形后板材3的型面轮廓进行组合；

S2、通过第二弹性垫4夹紧板材3，并依次布置金属薄片6和第一弹性垫5，均放置于下冲头群2上；

S3、驱动上冲头群1下降以对板材3进行预成形；

S4、控制金属薄片6通电加热气化后高速膨胀，产生高速冲击波实现板材3的成形。

在本实施例中，在步骤S4中，金属薄片6为一体式薄片结构，金属薄片6为一次性放电气化。

可选的，在步骤S4中，金属薄片6包括从内到外依次设置多个薄片环，且薄片环从外到内依次放电气化。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于板材的多点-电磁气化复合成形装置，包括可上下移动的上冲头和下冲头，多个所述上冲头阵列形成一上冲头群(1)，多个所述下冲头阵列形成所述下冲头群(2)，其特征在于，所述上冲头群(1)和下冲头群(2)之间设置有弹性夹持组件、第一弹性垫(5)和可通电气化的金属薄片(6)，所述金属薄片(6)设置在所述弹性夹持组件和第一弹性垫(5)之间，所述弹性夹持组件包括用于夹持在所述板材(3)上下侧的第二弹性垫(4)。

2.根据权利要求1所述的用于板材的多点-电磁气化复合成形装置，其特征在于，所述金属薄片(6)设置在所述弹性夹持组件的上侧，所述第一弹性垫(5)设置在所述金属薄片(6)的上侧。

3.根据权利要求1所述的用于板材的多点-电磁气化复合成形装置，其特征在于，所述第一弹性垫(5)的硬度不小于所述第二弹性垫(4)。

4.根据权利要求1所述的用于板材的多点-电磁气化复合成形装置，其特征在于，所述第二弹性垫(4)和弹性夹持组件之间设置有垫块(7)。

5.根据权利要求1所述的用于板材的多点-电磁气化复合成形装置，其特征在于，所述金属薄片(6)为一体式薄片结构，所述一体式薄片结构的厚度为0.01mm-0.3mm。

6.根据权利要求1所述的用于板材的多点-电磁气化复合成形装置，其特征在于，所述金属薄片(6)包括从内到外依次设置多个离散薄片，所述离散薄片的厚度为0.01mm-0.3mm。

7.根据权利要求1所述的用于板材的多点-电磁气化复合成形装置，其特征在于，所述第一弹性垫(5)为聚氨酯树脂弹性垫，所述第二弹性垫(4)为橡胶弹性垫。

8.一种用于板材的多点-电磁气化复合成形方法，包括上述权利要求1-7任一所述的用于板材的多点-电磁气化复合成形装置，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将上冲头和/或下冲头按照成形后板材(3)的型面轮廓进行组合；

S2、通过所述第二弹性垫(4)夹紧板材(3)，并依次布置所述金属薄片(6)和第一弹性垫(5)，均放置于所述下冲头群(2)上；

S3、驱动所述上冲头群(1)下降以对板材(3)进行预成形；

S4、控制所述金属薄片(6)通电加热气化后高速膨胀，产生高速冲击波实现板材(3)的成形。

9.根据权利要求8所述的用于板材的多点-电磁气化复合成形方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述金属薄片(6)为一体式薄片结构，所述金属薄片(6)为一次性放电气化。

10.根据权利要求8所述的用于板材的多点-电磁气化复合成形方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述金属薄片(6)包括从内到外依次设置多个离散薄片，且所述离散薄片从外到内依次放电气化。

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