CN115846484B - 结合原位加热与超声振动的金属板件冲压成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种结合原位加热与超声振动的金属板件冲压成形装置，包括超声振动装置、自阻加热装置以及用于冲压成形的上模和下模，超声振动装置包括换能器、振动支架和连接板，换能器设置在振动支架上并与上模连接，连接板连接冲压动力装置，自阻加热装置包括水平位移调节器和绝缘夹具，水平位移调节器设于下模座的两侧，水平位移调节器上设有垂直位移轴，垂直位移轴上设绝缘夹具，金属板件夹持在两绝缘夹具之间，绝缘夹具的内侧设有加热电极。本发明将自阻加热与超声振动相结合实现复合成形，快速实现板料加热，并在室温条件下采用普通模具，通过一次成形工艺快速完成成形过程，保证制件的组织结构和性能要求，并做到抑制回弹，降低成本。

Description

结合原位加热与超声振动的金属板件冲压成形装置

技术领域

本发明涉及金属板件冲压成形技术领域，尤其涉及一种结合原位加热与超声振动的金属板件冲压成形装置。

背景技术

金属薄壁钣金件在国内外目前主要采用热成形工艺制造，由于胚料在出炉转移到模具成形过程中存在大量的热量散失，必须提高胚料出炉温度，成形完成后需要再次加热进行热校形以消除回弹，此外，热板料与模具接触时产生激冷，显著影响胚料的温度场分布。

对质量要求较高的制件通常采用等温成形工艺，将胚料和模具均加热至成形温度，以较低的应变率进行冲压成形，成形完成后，再保压一段时间，使制件产生蠕变或应力松弛，以消除回弹。但这种工艺方法带来的主要问题是，成形周期长，模具成本高，组织演变复杂，晶粒易粗大，如果是在真空环境下进行等温成形，同样也存在制件表面氧化和吸氢现象。

总而言之，现有的热成形方法普遍存在成形时间长，制件质量低，难以满足实际生产需求等问题，因此有必要设计一种新的成形装置，以克服上述问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种结合原位加热与超声振动的金属板件冲压成形装置。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种结合原位加热与超声振动的金属板件冲压成形装置，包括超声振动装置、自阻加热装置以及用于冲压成形的上模和下模，下模设置于下模座上，上模连接超声振动装置，所述超声振动装置包括换能器、振动支架和连接板，换能器通过振动支架与上模连接，连接板设于振动支架上端，自阻加热装置包括水平位移调节器和绝缘夹具，所述水平位移调节器设于下模座的两侧，水平位移调节器上设有垂直位移轴，绝缘夹具设于垂直位移轴并可沿垂直位移轴上下移动，金属板件夹持在两绝缘夹具之间，所述绝缘夹具的内侧设有加热电极。

采用自阻加热，使金属板件的温度可在数十秒内快速上升到成形温度左右，通过垂直位移轴带动金属板件调节位置，金属板件可在模具上进行原位加热，一方面避免制件转运导致的热损失，同时也避免了模具激冷的影响；本发明采用超声振动可显著提高材料的成形性能，降低变形抗力，在成形过程中耦合超声振动，一方面可提高成形速率，另一方面，还可在成形的同时实现制件的应力松弛，从而避免热校形过程，大幅缩短制件的成形时间。

进一步地，换能器的下端连接有变幅杆，换能器和变幅杆一体成型，所述变幅杆外设有套筒，所述套筒与上模连接。

进一步地，所述振动支架包括上面板和下面板，上面板和下面板相对应的四角之间设置有连接杆，所述换能器下端通过法兰盘与下面板连接，上面板上端通过绝缘板与连接板连接。

进一步地，所述水平位移调节器中间设有伸缩轴，所述伸缩轴横向贯穿下模座并与水平位移调节器固定连接。

进一步地，所述垂直位移轴相对下模座对称设置，垂直位移轴上端设有限位器，垂直位移轴与绝缘夹具的连接处设有绝缘垫。

本发明还提供金属板材复合冲压成形的方法，采用上述的结合原位加热和超声振动的金属板件冲压成形装置，包括以下步骤：

上料：调节水平位移调节装置两侧的相对位置使绝缘夹具夹住待加工金属板件；

加热：调节绝缘夹具使其沿垂直位移轴向上移动，绝缘夹具带动金属板件向上移动离开下模，上升至限位位置后，通过加热电极对金属板件加热，加热完成后，调节绝缘夹具使其向下移动，金属板件回到原位；

振动成形：启动换能器，通过变幅杆带动上模进行频率20-50kHz的超声振动，并开始下压，冲压速度为0.01-50m/s，完成下压后，继续保持超声振动并对金属板进行保压0-600s之后升高上模完成成形。

进一步地，加热电极的电源功率为1-50kW，所用加热时间为0.1-300s。

本发明具有以下有益效果：

本发明将自阻加热与超声振动相结合实现复合成形，可以快速实现板料加热，并在室温条件下采用普通模具，通过一次成形工艺快速完成成形过程，保证制件的组织结构和性能要求，并通过耦合超声振动做到抑制回弹，可有效降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例1中装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1中装置的正视图；

图3为本发明实施例1中变幅杆和套筒的安装示意图；

图4为本发明实施例2提供的TC4钛合金板件在800℃传统热成形方法与复合冲压成形情况下的回弹对比；

图5为本发明实施例3提供的AZ31镁合金板件在250℃传统热成形方法与复合冲压成形情况下的回弹对比。

图中：1-换能器；2-振动支架；3-绝缘板；4-连接板；5-变幅杆；6-套筒；7-上模；8-下模；9-下模座；10-水平位移调节器；11-伸缩轴；12-垂直位移轴；13-限位器；14-绝缘夹具；15-加热电极。

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做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。

实施例1

参见图1-3，本发明实施例提供一种结合原位加热与超声振动的金属板件冲压成形装置，包括超声振动装置、自阻加热装置以及用于冲压成形的上模7和下模8，下模8设置于下模座9上，上模7连接超声振动装置。

超声振动装置包括换能器1、振动支架2和连接板4，振动支架2包括上面板和下面板，上面板和下面板相对应的四角之间设置有连接杆，上面板上端与连接板4连接并且之间设有绝缘板3，连接板4连接冲压动力装置带动冲压合模，换能器1下端通过法兰盘与下面板连接，换能器1通过振动支架2与上模7连接，换能器1的下端连接有变幅杆5，换能器1和变幅杆5一体成型，变幅杆5外套设有套筒6，套筒6与上模7连接。

自阻加热装置包括水平位移调节器10和绝缘夹具14，水平位移调节器10设于下模座9的两侧，水平位移调节器10中间设有伸缩轴11，伸缩轴11横向贯穿下模座9并与水平位移调节器10固定连接，通过调节伸缩轴11，水平位移调节器10能够调节绝缘夹具14的水平位置，从而可对不同尺寸金属板件进行复合成形加工；

水平位移调节器10上设有垂直位移轴12，绝缘夹具14设于垂直位移轴12并可沿垂直位移轴12上下移动，绝缘夹具14可通过外接电机来进行调节控制，垂直位移轴12相对下模座9对称设置，垂直位移轴12上端设有限位器13，垂直位移轴12与绝缘夹具14的连接处设有绝缘垫，金属板件夹持在两绝缘夹具14之间，绝缘夹具14的内侧设有加热电极15，通过加热电极15可实现原位加热。本发明采用自阻加热，使金属板件的温度可在数秒至数十秒内快速上升到成形温度左右，通过垂直位移轴12带动金属板件调节位置，金属板件可在模具上进行原位加热，一方面避免制件转运导致的热损失，同时也避免了模具激冷的影响；

待加热完成后，冲压动力装置带动上模7向下移动进行合模，上模7连接超声振动装置，采用超声振动可显著提高材料的成形性能，降低变形抗力，振动还具有应力松弛作用，可消除残余应力，在成形过程中耦合超声振动，一方面可提高成形速率，另一方面，还可在成形的同时实现制件的应力松弛，从而避免热校形过程，大幅缩短制件的成形时间。

本实施例中，金属板件复合冲压成形的具体操作步骤：

上料：通过调节伸缩轴11，来调节水平位移调节装置两侧的相对位置，使绝缘夹具14夹住待加工金属板件；

加热：对于金属板件，通过调节外接电机使绝缘夹具14向上移动到限位位置(限位器13下端)，从而使金属板件离开下模8，对加热电极15通电以加热金属板件，金属板件加热完成后，调节外接电机使绝缘夹具14向下移动，金属板件回到原位；

振动成形：设置换能器1参数，启动换能器1带动变幅杆5运动，上模7开始进行超声振动，在冲压动力装置作用下开始下压，完成下压过程后，继续保持超声振动并对金属板件进行保压，保压完成后，升高上模7完成成形。

本发明通过设置水平位移调节器10、绝缘夹具14、加热电极15，使本复合冲压成形装置对金属板件实现原位自阻加热，自阻加热装置可以实现板件的垂直位移，避免下模8引起热分流现象。通过设置换能器1参数，使本复合冲压成形模具实现超声振动耦合热冲压成形，超声振动可以消除残余应力，提高成形速率，并且实现制件的应力松弛，大幅缩短制件的成形时间。同时，本模具能够便捷简单的进行操作，从而能够满足金属板件折弯冲压的加工需求。

实施例2

在实施例1的基础上，TC4钛合金板件复合冲压成形的具体操作步骤：

上料：通过调节伸缩轴11，来调节水平位移调节装置两侧的相对位置，使绝缘夹具14夹住待加工钛合金板件；

加热：对于钛合金板件，通过调节外接电机使绝缘夹具14以10mm/s速度向上移动到限位位置(限位器13下端)，从而使金属板件离开下模8，对加热电极15通电以加热钛合金板件(电源功率为10kW，加热时间10s)，钛合金板件加热完成后，调节外接电机使绝缘夹具14以10mm/s速度向下移动，钛合金板件回到原位；

振动成形：设置换能器1参数，启动换能器1带动变幅杆5运动，上模7开始进行频率20kHz的超声振动，在冲压动力装置作用下开始下压，完成下压过程后，继续保持20kHz超声振动并对金属板件进行保压，保压完成后，升高上模7完成成形。

如图4所示，展示了TC4钛合金板件在800℃传统热成形方法与复合冲压成形情况下的回弹对比。图4(a)展示了用传统热成形方法成形TC4钛合金板件的成形结果，经过电炉加热、板材转移与板材成形三种工艺，成形时间长达90秒，且回弹大(曲率半径R＝118.1mm)，图4(b-e)展示了用复合冲压成形方法成形TC4钛合金钣金件的成形结果，成形时间大幅减少至30秒，回弹显著降低(曲率半径R＝101.7mm)。

实施例3

在实施例1的基础上，AZ31镁合金板件复合冲压成形的具体操作步骤：

上料：通过调节伸缩轴11，来调节水平位移调节装置两侧的相对位置，使绝缘夹具14夹住待加工镁合金板件；

加热：对于钛合金板件，通过调节外接电机使绝缘夹具14以10mm/s速度向上移动到限位位置(限位器13下端)，从而使金属板件离开下模8，对加热电极15通电以加热镁合金板件(电源功率为4kW，加热时间10s)，镁合金板件加热完成后，调节外接电机使绝缘夹具14以10mm/s速度向下移动，镁合金板件回到原位；

振动成形：设置换能器1参数，启动换能器1带动变幅杆5运动，上模7开始进行频率25kHz的超声振动，在冲压动力装置作用下开始下压，完成下压过程后，继续保持25kHz超声振动并对金属板件进行保压，保压完成后，升高上模7完成成形。

如图5所示，展示了AZ31镁合金板件在250℃传统热成形方法与复合冲压成形情况下的回弹对比。图5(a)展示了用传统热成形方法成形AZ31镁合金板件的成形结果，经过电炉加热、板材转移与板材成形三种工艺，成形时间长达90秒，且回弹大(曲率半径R＝112.7mm)，图5(b-e)展示了用复合冲压成形方法成形AZ31镁合金钣金件的成形结果，成形时间大幅减少至30秒，回弹显著降低(曲率半径R＝101.8mm)。

从实施例2、实施例3可以看出，本发明与传统的冲压成形方式相比，本发明通过将自阻加热与超声振动相结合，快速实现板料加热，并在室温条件下采用普通模具，通过一次成形工艺快速完成成形过程，保证制件的组织结构和性能要求，并通过耦合超声振动做到抑制回弹，可有效降低成本。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.金属板材复合冲压成形的方法，采用结合原位加热和超声振动的金属板件冲压成形装置，其特征在于：所述金属板件冲压成形装置包括超声振动装置、自阻加热装置以及用于冲压成形的上模和下模，下模设置于下模座上，上模连接超声振动装置，所述超声振动装置包括换能器、振动支架和连接板，换能器通过振动支架与上模连接，连接板设于振动支架上端，自阻加热装置包括水平位移调节器和绝缘夹具，所述水平位移调节器设于下模座的两侧，水平位移调节器上设有垂直位移轴，绝缘夹具设于垂直位移轴并可沿垂直位移轴上下移动，金属板件夹持在两绝缘夹具之间，所述绝缘夹具的内侧设有加热电极；所述水平位移调节器中间设有伸缩轴，所述伸缩轴横向贯穿下模座并与水平位移调节器固定连接；所述垂直位移轴相对下模座对称设置，垂直位移轴上端设有限位器，垂直位移轴与绝缘夹具的连接处设有绝缘垫；

所述方法具体包括以下步骤：

上料：调节水平位移调节装置两侧的相对位置使绝缘夹具夹住待加工金属板件；

加热：调节绝缘夹具使其沿垂直位移轴向上移动，绝缘夹具带动金属板件向上移动离开下模，上升至限位位置后，通过加热电极对金属板件加热，加热完成后，调节绝缘夹具使其向下移动，金属板件回到原位；

振动成形：启动换能器，通过变幅杆带动上模进行频率20-50kHz的超声振动，并开始下压，冲压速度为0.01-50mm/s，完成下压后，继续保持超声振动并对金属板进行保压0-600s之后升高上模完成成形。

2.如权利要求1所述的金属板材复合冲压成形的方法，其特征在于：换能器的下端连接有变幅杆，换能器和变幅杆一体成型，所述变幅杆外设有套筒，所述套筒与上模连接。

3.如权利要求1所述的金属板材复合冲压成形的方法，其特征在于：所述振动支架包括上面板和下面板，上面板和下面板相对应的四角之间设置有连接杆，所述换能器下端通过法兰盘与下面板连接，上面板上端通过绝缘板与连接板连接。

4.如权利要求1所述的金属板材复合冲压成形的方法，其特征在于：加热电极的电源功率为1-50kW，所用加热时间为0.1-300s。