CN114160655A - 一种含阵列特征的金属薄板低温电液成形装置及方法 - Google Patents

一种含阵列特征的金属薄板低温电液成形装置及方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种含阵列特征的金属薄板低温电液成形装置及成形方法，其解决了含阵列特征的金属薄板成形质量差的技术问题；包括液室内腔、脉冲大电流放电设备和低温液体介质容器，脉冲大电流放电设备连接有插入液室内腔的正电极、负电极，低温液体介质容器通过第一管道与液室内腔连通；液室内腔是由上部液室、下部成型模具围成的空间，下部成型模具的上端面中部设有用于放置初始板坯的成型凹槽，成型凹槽的尺寸大于液室下端开口尺寸。本申请广泛应用于金属薄板塑性成形制造技术领域。

Description

一种含阵列特征的金属薄板低温电液成形装置及方法
技术领域
本申请涉及一种金属薄板成形装置，更具体地说，是涉及一种含阵列特征的金属薄板低温电液成形装置及成形方法。
背景技术
对于金属薄板而言，表面三维形貌的特点会影响其性能特征，比如光学特性、湿润特性以及摩擦特性。因此，工业上常通过改变板材表面三维特征来实现对其性能的调控，而且这些表面三维形貌常具有阵列特征。
然而，这些阵列特征的出现对金属薄板的加工提出了新的挑战。通常来说，这类零件对加工精度、表面质量及成形后件的强度要求较高。对于传统的冲压工艺，其很难实现该类零件成形时的紧密贴模，而且无法保证薄板成形后的表面质量，而且在冲压过程中很容易导致在阵列交汇处发生应力集中，进而导致板坯的破裂。升高板坯的成形温度虽然能够在一定程度上避免这种破裂现象，但较高的成形温度会造成成形件表面氧化严重，且会导致成形件的强度降低。电液成形具有高速率特征，依靠这种高速率特性可以改变薄板的应力分布，从而抑制工件的局部颈缩，继而提升材料的成形能力。然而对于一些纵横比较大的阵列特征，典型的电液成形工艺很难保证其成形精度与成形质量。
发明内容
为解决上述问题，本申请采用的技术方案是：提供一种含阵列特征的金属薄板低温电液成形装置，包括液室内腔、脉冲大电流放电设备和低温液体介质容器，脉冲大电流放电设备连接有插入液室内腔的正电极、负电极，低温液体介质容器通过第一管道与液室内腔连通；
液室内腔是由上部液室、下部成型模具围成的空间，下部成型模具的上端面中部设有用于放置初始板坯的成型凹槽，成型凹槽的尺寸大于液室下端开口尺寸。
优选地，液室内腔的下方设有辅助冷却腔，辅助冷却腔通过第二管道与低温液体介质容器连通。
优选地，辅助冷却腔是由下模板、成型模具围成的空间，下模板的上端面中部设有冷却凹槽，冷却凹槽的外圈设有与成型模具、液室相配合环形槽。
优选地，位于液室内腔、辅助冷却腔之间的成型模具内设有温度传感器。
优选地，第一管道包括第一循环上管道、第一循环下管道，第一循环上管道与液室内腔的上部连通，第一循环下管道与液室内腔的下部连通，第二管道与辅助冷却腔的底部连通；第一循环上管道、第一循环下管道和第二管道分别设有第一循环上管道阀、第一循环下管道阀和第二管道阀。
优选地，第一循环下管道、第二管道还分别设有第一循环下管道泵、第二管道泵。
优选地，液室底部与成型凹槽相对应的位置设有密封圈。
优选地，液室外侧包裹有保温套，正电极、负电极的外侧套设有绝缘套。
本发明还提供一种含阵列特征的金属薄板低温电液成形方法，包括以下步骤：
步骤1：将成型模具置入下模板的环形凹槽内，将初始板坯放到成型模具预留的成型凹槽内，将液室置于成型模具之上，并将三者连接固定；成型模具与下模板之间形成辅助冷却腔，成型模具与液室之间形成液室内腔；
步骤2：将脉冲大电流放电设备的正电极、负电极分别置入液室两侧，并通过第一管道连通液室内腔、低温液体介质容器，通过第二管道连通辅助冷却腔、低温液体介质容器；
步骤3：导通第二管道，将低温液体介质排入辅助冷却腔中，待低温液体介质充满辅助冷却腔后，关闭第二管道；打开第一管道，持续将低温介质通入液室中；
步骤4：待成型模具中的温度传感器检测的数值达到设定参数且稳定时，关闭第一管道；打开脉冲大电流放电设备开关，进行含阵列特征的金属薄板的电液成形；
步骤5：放电完毕，打开第一管道，将低温介质排出到低温液体介质容器；拆卸模具，取出成形件。
优选地，步骤3中，第一管道包括与液室内腔下部连通的第一循环下管道、与液室内腔上部连通的第一循环上管道，两者形成回路，持续将低温介质通入液室内腔中。
本发明的有益效果，为含阵列特征的金属薄板的成形提供了一种新的可行性思路，初创性的将电液成形与低温成形结合起来，从高速率及低温两个方面来同时提高金属薄板的成形能力以实现常规成形方法难以完成的金属薄板阵列特征的成形任务，并且能够保证较高的成形质量及成形件强度。
本发明包括脉冲大电流放电设备、液室、成型模具、正负电极、低温液体介质循环装置、辅助冷却腔。通过低温液体介质循环装置持续将低温液体介质通入液室内部对板坯进行冷却，与此同时，将低温液体介质通入辅助冷却腔内实现对初始板坯的辅助冷却，待板坯冷却到所需温度且稳定后，关闭与液室相连的管道，以保证整个成形腔的密闭。然后通过两电极放电在液室内低温液体介质中产生高压气泡对含阵列特征的金属薄板进行加工。本发明利用电液成形高速率特征改善成形过程板坯的应力分布，并通过降低板坯的变形温度来以抑制坯料后续成形过程中位错的回复，从而大幅度提高板坯的成形能力且保证后续成形件良好的力学性能及表面质量，继而解决传统工艺金属成形能力不足、成形件表面质量差以及力学性能下降的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构示意图；
图2为含球冠阵列特征的金属薄板的结构示意图；
图3为含球冠阵列特征的金属薄板的俯视结构示意图；
图4为含球冠阵列特征的金属薄板的侧视结构示意图；
图5为具体实施例成型装置的成型模具俯视结构示意图；
图6为具体实施例成型装置的液室俯视结构示意图；
图7为具体实施例成型装置的下模板结构示意图。
图中符号说明：
1.绝缘套；2.正电极；3.液室；4.保温套；5.第一循环上管道阀；6.脉冲大电流放电设备；7.第一循环上管道；8.液室内腔；9.负电极；10.第一循环下管道阀；11.第一循环下管道泵；12.第一循环下管道；13.低温液体介质容器；14.第二管道泵；15.第二管道；16.第二管道阀；17.辅助冷却腔；18.温度传感器；19.初始板坯；20.成型模具；21.密封圈；22.螺栓；23.下模板；24.交汇点；25.交汇边。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
现对本申请实施例提供的含阵列特征的金属薄板低温电液成形装置及成形方法进行说明。
请参阅图1，为含阵列特征的金属薄板低温电液成形装置的结构示意图。含阵列特征的金属薄板低温电液成形装置，包括液室内腔8、脉冲大电流放电设备6和低温液体介质容器13，脉冲大电流放电设备6连接有插入液室内腔8的正电极2、负电极9，低温液体介质容器13通过第一管道与液室内腔8连通；
液室内腔8是由上部液室3、下部成型模具20围成的空间，下部成型模具20的上端面中部设有用于放置初始板坯19的成型凹槽，成型凹槽的尺寸大于液室3下端开口尺寸。如此，当初始板坯19放置在成型凹槽时，液室3下端能够按压住初始板坯19的边缘，实现定位，便于金属薄板成型。更进一步，液室3内底部设有密封圈21。
低温液体介质容器13用于输出、回收、制冷低温液体介质，装置及其内部工作原理为现有技术，在此不做展开说明。
更进一步地，在本实施例中，液室内腔8的下方设有辅助冷却腔17，辅助冷却腔17通过第二管道15与低温液体介质容器13连通。
更进一步地，在本实施例中，辅助冷却腔17是由下模板23、成型模具20围成的空间，下模板23的上端面中部设有冷却凹槽，冷却凹槽的外圈设有与成型模具20、液室3相配合环形槽。
进一步地，液室3、成型模具20、下模板23之间通过紧固件的连接，是通过多个螺栓22由下模板23底部进入，依次连接成型模具20、液室3的，本实施例中的螺栓22采用了4个。
更进一步地，在本实施例中，位于液室内腔8、辅助冷却腔17之间的成型模具20内设有温度传感器18。温度传感器18靠近初始板坯19，确保检测数据的准确性。
更进一步地，在本实施例中，正电极2、负电极9的外侧套设有绝缘套1，液室3外套设有保温套4，阻止液室内腔8的低温液体介质与外界进行热交换。
更进一步地，在本实施例中，第一管道包括第一循环上管道7、第一循环下管道12，具体地，第一循环上管道7与液室内腔8的上部连通，第一循环下管道12与液室内腔8的下部连通，第二管道15与辅助冷却腔17的底部连通。第一循环上管道7、第一循环下管道12和第二管道15分别设有第一循环上管道阀5、第一循环下管道阀10和第二管道阀16，各阀可以阻止低温液体介质的回流，并保证液室内腔8、辅助冷却腔17的密闭性。在向液室内腔8上液的过程中，第一循环上管道7、第一循环下管道12导通形成回路，起到循环冷却的作用，待温度达到设定且稳定时，第一循环上管道7、第一循环下管道12关闭，停止循环。
更进一步地，在本实施例中，第一循环下管道12、第二管道15还分别设有第一循环下管道泵11、第二管道泵14，第一循环下管道泵11用于将低温液体介质排入液室内腔8，第二管道泵14用于将低温液体介质排入辅助冷却腔17。
本发明结合电液成型与低温成型工艺，提供一种含阵列特征的金属薄板低温电液成形方法，具体包括以下步骤：
步骤1：将成型模具20置入下模板23的环形凹槽内，将初始板坯19放到成型模具20预留的成型凹槽内，将液室3置于成型模具20之上，并将三者连接固定。
具体地，三者连接靠螺栓22连接固定，螺栓22从下模板23底部依次旋入下模板23、成型模具20及液室3。
进一步地，液室3与初始板坯19之间可以放置密封圈21，既能定位初始板坯19，便于金属薄板成型，又能确保密封性。液室3外侧还包裹有保温套4，减少与外界的热交换。
步骤2：将脉冲大电流放电设备6的正电极2、负电极9分别置入液室3两侧，并通过第一管道连通液室内腔8、低温液体介质容器13，通过第二管道15连通辅助冷却腔17、低温液体介质容器13。
步骤3：导通第二管道15，将低温液体介质排入辅助冷却腔17中，待低温液体介质充满辅助冷却腔17后，关闭第二管道15；打开第一管道，持续将低温介质通入液室3中。
具体地，第一管道包括与液室内腔8下部连通的第一循环下管道12、与液室内腔8上部连通的第一循环上管道7，两者形成回路，持续将低温介质通入液室内腔8中。
具体地，第二管道15上设有第二管道阀16、第二管道泵14，通过控制第二管道阀16的开关，实现第二管道15的导通与关闭。
第一循环下管道12上设有第一循环下管道阀10、第一循环下管道泵11，通过控制第一循环下管道阀10，实现第一循环下管道12的导通与关闭。
第一循环上管道7上设有第一循环上管道阀5，通过控制第一循环上管道阀5，实现第一循环下管道12的导通与关闭。
步骤4：待成型模具20中的温度传感器18检测的数值达到设定参数且稳定时，关闭第一管道，即关闭第一循环下管道阀10、第一循环下管道泵11和第一循环上管道阀5；打开脉冲大电流放电设备6开关，进行含阵列特征的金属薄板的电液成形。
步骤5：放电完毕，打开第一管道，即打开第一循环下管道12上的第一循环下管道阀10、第二管道15上的第二管道阀16，将低温介质排出到低温液体介质容器13中，拆卸模具，取出成形件。
具体地，对模具的拆卸，旋出底部螺栓22即可，也可以一并将正电极2、负电极9、各管道拆卸下来。
本实施例中，脉冲大电流放电设备6、各阀、泵、温度传感器18以及低温液体介质容器13均与控制装置连接，由控制装置控制各部件的动作，此部分为现有技术，在此不做展开说明。
本发明可以利用电液成形的高速率特征大幅度削弱成形过程中应力的不均匀分布，并通过低温抑制位错的回复，从而提升板坯的成形能力，采用该成形方法既能保证零件的成形精度又能保证成形件的强度与表面质量。
具体实施例：
请参阅图2、3和4，为含球冠阵列特征的金属薄板的结构示意图。含球冠阵列特征的金属薄板可以作为精密电子仪器的屏蔽层。
进行含球冠阵列特征的5052铝合金薄板低温电液成形时，选择板厚为50μm在600℃下进行退火处理一小时的5052铝合金薄板为初始板坯19，板坯为圆形，直径为300mm。成形件球冠阵列间距为d＝3mm，球冠曲率半径为R＝2mm，两阵列交汇边长度为L＝1.73mm。
采用传统成形工艺对该零件进行成形，因薄板成形能力不足导致阵列交汇点24及交汇边25处(请参阅图3)出现破裂现象，而且成形件的表面质量较差。
采用本发明装置方法，装置大体结构为圆柱形，请参阅图5、6和7，成形过程所采用的低温液体介质为液氮，放电电压为5kV，电容为800μF，薄板成形，阵列交汇点及交汇边处无破裂现象，成形件的质量良好。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含阵列特征的金属薄板低温电液成形装置，其特征在于：包括液室内腔、脉冲大电流放电设备和低温液体介质容器，所述脉冲大电流放电设备连接有插入所述液室内腔的正电极、负电极，所述低温液体介质容器通过第一管道与所述液室内腔连通；
所述液室内腔是由上部液室、下部成型模具围成的空间，所述下部成型模具的上端面中部设有用于放置初始板坯的成型凹槽，所述成型凹槽的尺寸大于所述液室下端开口尺寸。
2.如权利要求1所述的含阵列特征的金属薄板低温电液成形装置，其特征在于：所述液室内腔的下方设有辅助冷却腔，所述辅助冷却腔通过第二管道与所述低温液体介质容器连通。
3.如权利要求2所述的含阵列特征的金属薄板低温电液成形装置，其特征在于：所述辅助冷却腔是由下模板、所述成型模具围成的空间，所述下模板的上端面中部设有冷却凹槽，所述冷却凹槽的外圈设有与所述成型模具、液室相配合环形槽。
4.如权利要求2所述的含阵列特征的金属薄板低温电液成形装置，其特征在于：位于所述液室内腔、辅助冷却腔之间的所述成型模具内设有温度传感器。
5.如权利要求2所述的含阵列特征的金属薄板低温电液成形装置，其特征在于：所述第一管道包括第一循环上管道、第一循环下管道，所述第一循环上管道与所述液室内腔的上部连通，所述第一循环下管道与所述液室内腔的下部连通，所述第二管道与所述辅助冷却腔的底部连通；所述第一循环上管道、第一循环下管道和第二管道分别设有第一循环上管道阀、第一循环下管道阀和第二管道阀。
6.如权利要求5所述的含阵列特征的金属薄板低温电液成形装置，其特征在于：所述第一循环下管道、第二管道还分别设有第一循环下管道泵、第二管道泵。
7.如权利要求2所述的含阵列特征的金属薄板低温电液成形装置，其特征在于：所述液室底部与所述成型凹槽相对应的位置设有密封圈。
8.如权利要求2所述的含阵列特征的金属薄板低温电液成形装置，其特征在于：液室外侧包裹有保温套，所述正电极、负电极的外侧套设有绝缘套。
9.如权利要求2-8任一所述的含阵列特征的金属薄板低温电液成形装置的成形方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将成型模具置入下模板的环形凹槽内，将初始板坯放到成型模具预留的成型凹槽内，将液室置于成型模具之上，并将三者连接固定；成型模具与下模板之间形成辅助冷却腔，成型模具与液室之间形成液室内腔；
步骤2：将脉冲大电流放电设备的正电极、负电极分别置入液室两侧，并通过第一管道连通液室内腔、低温液体介质容器，通过第二管道连通辅助冷却腔、低温液体介质容器；
步骤3：导通第二管道，将低温液体介质排入辅助冷却腔中，待低温液体介质充满辅助冷却腔后，关闭第二管道；打开第一管道，持续将低温介质通入液室中；
步骤4：待成型模具中的温度传感器检测的数值达到设定参数且稳定时，关闭第一管道；打开脉冲大电流放电设备开关，进行含阵列特征的金属薄板的电液成形；
步骤5：放电完毕，打开第一管道，将低温介质排出到低温液体介质容器；拆卸模具，取出成形件。
10.如权利要求9所述的含阵列特征的金属薄板低温电液成形装置的成形方法，其特征在于：步骤3中，第一管道包括与液室内腔下部连通的第一循环下管道、与液室内腔上部连通的第一循环上管道，两者形成回路，持续将低温介质通入液室内腔中。
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