CN117772923A - 一种电辅助成形的点阵导电压边模具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电辅助成形的点阵导电压边模具，包括下模和上模，下模的顶面固定设置有冲压成形模，上模的底面上开设有冲压成形凹模，下模的顶部设置有绝缘压料板，绝缘压料板的顶面设置有压边板，压边板的顶面上设置有拉延筋凸起，上模的底面上开设有与拉延筋凸起相配合的拉延筋凹槽；下模的底部设置有若干个动力输入端；绝缘压料板的顶面两侧设置有固定板，固定板的上方设置有电极板，电极板上螺纹连接有若干个螺钉式电极。本发明模具和成形工艺，通过点阵电极导电，可实现分区非均匀通电和改变成形过程中板件瞬时电流分布的作用，有效解决薄壁非对称异型结构电辅助成形过程中的局部失稳起皱与过度减薄等缺陷，从而提升成形质量和精度。
Description
技术领域
本发明涉及金属塑性加工及成形技术领域，特别是涉及一种电辅助成形的点阵导电压边模具。
背景技术
随着我国航空航天、石油化工领域的发展，以水下潜航器环壳过渡段为代表的大型薄壁环壳类构件的需求在各个领域大大增加。例如水下潜航器环壳过渡段及耐压环壳等主承力结构件、大尺寸上面级燃料贮箱环壳，以及石油天然气装置中多段反应器的承压管道、椭圆形封头等大型薄壁结构。上述构件多采用难变形合金（钛合金、高强不锈钢等）与薄壁非对称异型结构，在以拉深、弯曲等工艺为代表的成形过程中存在变形抗力大、成形极限低的问题，且易出现显著不均匀变形和多种成形缺陷。主要体现为：外缘受拉容易开裂与过度减薄，内缘受压容易失稳起皱，成形质量难以控制。
电辅助成形工艺包含自阻加热、载流成形和成形后电处理等步骤，因其方便、节能、高效等优点而备受关注，近几十年来，许多研究表明电流激发的焦耳热效应和电致塑性效应，能够改善难变形材料的成形性，快速自阻加热可极大程度上缩短构件的生产周期；并且，成形后保载电处理可以通过诱发电致应力松弛来降低残余应力与残余变形，构件的成形精度和质量也能明显提高，在材料成形领域具有广泛的应用前景。现目前已经应用在汽车领域与航空航天领域，有效降低了零件的减薄率和成形过程中的变形抗力，有效控制了成形件的回弹等。并有报道表明施加电流塑性变形还有利于位错运动与扩散型相变等。但由于目前电辅助成形工艺中电流的加载主要是利用导电电极对板材进行均匀加载，电流分布不能主动调控。特别是由于成形过程中构件几何形状的改变及其与模具接触条件的变化导致构件内部电流场、温度场分布复杂多变，最终难以控制成形精度，所以电辅助成形主要应用于小型、形状规则的构件，在大尺寸、非对称复杂构件上的应用鲜见报道。
发明内容
为解决现有技术中存在的技术不足，本发明提出基于分域调控的脉冲电流辅助与分区压边拉深成形技术，通过在不同成形区域通入不同密度的电流，并施加不同大小的压边力，构件局部不均匀电流场，利用不均匀电流和不均匀压边力，以解决成形过程中的拉裂、起皱、减薄等问题，也为薄壁非对称异型结构成形提供一种优良的方案。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：
一种电辅助成形的点阵导电压边模具，包括下模和位于下模正上方的上模，所述下模的顶面固定设置有冲压成形模，所述上模的底面上开设有与冲压成形模相配合的冲压成形凹模，所述下模的顶部设置有可垂向升降且活动套设在冲压成形模外侧的绝缘压料板，所述绝缘压料板的顶面设置有由若个区域压边板活动拼接而成的压边板，所述压边板的顶面上设置有拉延筋凸起，所述上模的底面上开设有与拉延筋凸起相配合的拉延筋凹槽；
所述上模的底面内活动嵌设有若干个区域压边块，每个区域压边块分别对应地位于相邻两个区域压边板交接处的上方，且每个区域压边块的顶端可施加彼此独立的顶压力；
所述绝缘压料板的顶面两侧分别设置点阵导电组件，所述点阵导电组件包括可升降调节地连接在绝缘压料板上的固定板、设置于固定板上方的电极板，电极板上螺纹连接有若干个螺钉式电极，螺钉式电极的底端可与固定板接触或分离，待成形的板料被固定夹持后，板料的边缘与固定板电接触，通过设置电极板上与固定板相接触的螺钉式电极的数量及位置分布，可调节由电极板引入板料内的电流密度和位置分布。
进一步的，所述上模的顶部固定连接有连接垫板。
进一步的，所述上模的内部活动设置有推动块，推动块完全位于上模内部时，推动块的底面与冲压成形腔的表面光滑过度。
进一步的，所述绝缘压料板的顶面开设有嵌槽，所述压边板嵌设于嵌槽内，且压边板的内侧面与冲压成形模的侧面滑动贴合，压边板的顶面与绝缘压料板的顶面位于同一水平面内。
进一步的，所述下模的顶面上固定设置有若干个活动贯穿绝缘压料板的导向柱。
进一步的，所述绝缘压料板的边缘转动连接有调节螺钉，调节螺钉的顶部与固定板螺纹连接。
进一步的，所述固定板的顶面上设置有若干个与螺钉式电极对应设置的插接柱。
还提供了一种电辅助成形的点阵导电压边成形工艺，包括以下步骤：
（1）工艺参数设置：根据待成形的板料的成形工艺参数设置脉冲电源发生器和各个动力输出端输出力大小的参数；
（2）板料装夹：将两侧的固定板升起，将待冲压成形的板料准确放置在绝缘压料板的顶面上，再将两侧的固定板下降，使固定板与板料的边缘可靠接触；
（3） 电流分布设置：根据板料的仿真成形得到的最优工艺参数，调节电极板上与固定板相接触的螺钉式电极的数量及位置分布；
（4）通电加热：通过脉冲电源发生器向电极板通入预设功率和电流大小的成形作业电流，持续至预设时长，使板料加热到预设的成形温度；
（5）分区域压边：上模下行，与绝缘压料板相配合将板料夹持，顶部的液压动力输出端向各个区域压边块提供垂直向下的压边力，底部的液压动力输出端向绝缘压料板提供垂直向上的背压力；
（6）冲压成形：上模继续下行，冲压成形模与冲压成形腔相配合完成板料的成形加工；
（7）低温保压：冲压完成后，通过脉冲电源发生器向电极板通入预设功率和电流大小的保压作业电流，持续至预设时长并保压；
（8）取出样品：绝缘压料板与上模同步上行，将冲压成形后的工件从冲压成形模上脱离，再将工件从上模中取出。
进一步的，在板料装夹前，将板料、上模、下模和冲压成形模的表面均进行油污处理与光整处理，以确保后续装夹效果，板料切割成目标形状后在板料表面喷涂耐高温润滑导电涂料。
进一步的，步骤（4）中，成形作业电流的工艺参数为：电流频率为500Hz，电流密度大小为40～50A/mm2 ，占空比为5％，预设的成形温度为600～800℃。
进一步的，保压作业电流的工艺参数为：电流大小10A/mm2～20A/mm2，保压时长为600～1200s。
与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：
（1）本发明采用电辅助成形技术，通过点阵式分区导电来控制电流的空间分布，实现成形区局部软化条件，从而降低成形载荷，解决了薄壁非对称异型结构成形力大、成形难的问题。
（2）本发明可根据成形件的异形特点，在不同成形区域通入密度不等的差异化电流来辅助加热，并配合不同成形分区施加不同的压边力，主动利用此种不均匀性实现薄壁非对称异型结构的均匀性成形。
（3）通过应用该电辅助成形的点阵导电压边模具和成形工艺方法，可通过点阵分区导电，实现分区非均匀通电和改变成形过程中板件瞬时电流分布的作用，有效解决薄壁非对称异型结构电辅助成形过程中的局部失稳起皱与过度减薄等缺陷，从而保证成形质量和精度，从而实现薄壁非对称异型结构高质量成形。
附图说明
图1是采用本发明的模具和成形工艺所加工的工件的立体结构示意图。
图2是本发明的电辅助成形的点阵导电压边模具的立体结构示意图。
图3是本发明的下模及其上部件的立体结构示意图之一。
图4是本发明的下模及其上部件的立体结构示意图之二。
图5是本发明的下模及其上部件的俯视结构示意图。
图6是本发明的点阵导电组件的立体结构示意图。
图7是本发明的点阵导电组件在下模上组配状态的立体结构示意图。
图8是本发明的绝缘压料板的立体结构示意图。
图9是本发明的上模及其上部件的立体结构示意图之一。
图10是本发明的上模及其上部件的立体结构示意图之二。
图11是本发明的电辅助成形的点阵导电压边成形工艺的流程图。
图12是实施例中对板料进行分区域通入电流的仿真结果示意图。
图中：1下模、2上模、201拉延筋凹槽、3冲压成形模、4绝缘压料板、401下顶杆、5固定板、501插接柱、6电极板、7螺钉式电极、8压边板、801拉延筋凸起、9连接垫板、10推动块、11导向柱、12区域压边块、121下压杆、13导向块、14调节螺钉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示，为本发明的电辅助成形的点阵导电压边模具和成形工艺所加工的工件，该工件为整体式非对称双曲壳体结构，由上部的拱形状曲面主体和在拱形状曲面部位底端两侧一体结构的弧线状平面翻边组成，且弧线状平面翻边上均设置有拖延筋。采用传统的磨具直接冲压成形时，其外圆受拉应力的作用容易拉裂，内圆受剪压应力的作用容易起皱，尤其曲率变化程度较大的部位，成形质量难以控制。
本发明的点阵导电压边模具应用在多动力输出的液压机上，液压机的主动力输出用于给上模2提供上行和下行的动力，以完成冲压过程和上模2的复位；上部液压动力输出端用于给区域压边块12提供彼此独立且垂直向下的压边力；下部液压动力输出用于给绝缘压料板4提供垂直向上的背压力，以配合上模2的下行过程完成工件的冲压成形作业，以及绝缘压料板4的复位。
请参阅图2至10，一种电辅助成形的点阵导电压边模具，包括下模1和位于下模1正上方的上模2，下模1的顶面固定设置有冲压成形模3，上模2的底面上开设有与冲压成形模3相配合的冲压成形腔。冲压成形模3的表面与冲压成型腔之间的空间构成工件的拱形状曲面主体的成形空间。冲压成形模3的底端为与工件的顶部底面（内侧）曲面相匹配的弧形曲面，底端为侧面垂直的柱体结构，其底面通过螺栓固定连接在下模1的顶面上。冲压成形模3为金属铸造件，其底部内侧为空心壳体结构，以减轻冲压成形模3的自身重量，且空心部位设置纵横交错的加强筋以保证冲压成形模3的整体强度。
下模1的顶部设置有可垂向升降且活动套设在冲压成形模3外侧的绝缘压料板4（采用绝缘材料制成），绝缘压料板4的顶面设置有由若个区域压边板活动拼接而成的压边板8，压边板8的顶面上设置有拉延筋凸起801，上模2的底面上开设有与拉延筋凸起801相配合的拉延筋凹槽201；由于工件的中部段为长弧段，两端有明显的折弯段，因而本实施例中，在工件的每一侧设置四块压边板8，相邻两个压边板8的交接处对应地位于工件的长弧段中部及两个折弯部位，两侧共6个压边板交接处对应工件的外圆和内圆转折部位。压边板8的顶面与上模2的底面将待成形的板件的两侧边缘夹持，用于工件的弧线状平面翻边的冲压成形，同时拉延筋凸起801与拉延筋凹槽201相配合，形成弧线状平面翻边的拉延筋，同时又可提升模具对板件边缘的夹持效果。
如图7所示，绝缘压料板4的内侧开设有弧形状的通孔，通孔的形状与冲压成形模3的底端主体结构的截面形状相匹配，使得绝缘压料板4可活动套设在冲压成形模3的外侧。绝缘压料板4的底面上固定连接有若干个活动贯穿下模1且均匀分布的下顶杆401，下顶杆401固定连接于底部的液压动力输出端，通过该液压动力输出端可驱动绝缘压料板4的垂直升降，并在成形过程中提供背压。下模1的顶面四角分别固定设置有导向柱11，绝缘压料板4的四角内分别固定嵌装有导向块13，导向块13分别对应地滑动套接在导向柱11的外侧，通过导向块13与导向柱11之间的滑动配合，保证绝缘压料板4平稳、可靠地垂直升降，保证夹持过程中，板料各处同步夹持。在装夹用于成形工件的板料阶段，绝缘压料板4位于其最高位置，此时其顶面与冲压成形模3的最高点位置位于同一水平面内或高于冲压成形模3的最高点位置，以便板料平铺在绝缘压料板4的顶面上，从而完成板料后续在绝缘压料板4上的夹持固定。
绝缘压料板4的顶面开设有嵌槽，压边板8嵌设于嵌槽内，且压边板8的内侧面与冲压成形模3的侧面滑动贴合，压边板8的顶面与绝缘压料板4的顶面位于同一水平面内，以保证成形模具表面形状的连续性。压边板8采用活动拼接的结构，满足分区加压的工艺要求；采用活动嵌装的方式，便于更换，以满足不同拉延筋成形的需要，以提升设备的通用性。
绝缘压料板4的顶面两侧分别设置点阵导电组件，一个点阵导电组件与外部电源的正极连接，另一个与外部电源的负极连接。如图6所示，点阵导电组件包括可升降调节地连接在绝缘压料板4上的固定板5、设置于固定板5上方的电极板6。具体的，绝缘压料板4的边缘转动连接有调节螺钉14，调节螺钉14的顶部与固定板5螺纹连接。通过调节螺钉14可调节固定板5的垂向高度；在板料放置前，固定板5处于升起状态，其底面与绝缘压料板4的顶面之间留有间隙，板料放置后，板料的边缘位于该间隙内，而后通过旋转调节螺钉14使固定板5下降，将板料的边缘夹持，可保证固定板5与板料之间处于良好的导电状态，同时实现板料在绝缘压料板4上的初步夹持。
电极板6上螺纹连接有若干个线性矩阵分布的螺钉式电极7，螺钉式电极7的底端可与固定板5接触或分离，待成形的板料被固定夹持后，板料的边缘与固定板5电接触，通过设置电极板6上与固定板5相接触的螺钉式电极7的数量及位置分布，可调节由电极板6引入板料内的电流密度和位置分布。优选的，固定板5的顶面上设置有若干个与螺钉式电极7对应设置的插接柱501。螺钉式电极7正向拧动而向下伸出时，可将电极板6整体向上托起，则未正向拧动的部分螺钉式电极7的底端则悬置于固定板5的上方而与固定板5处于非连接状态，通过此种方式可在固定板5的不同位置实现不同空间分布和不同密度的电流输入（输入电极设置在电极板6上，各个螺钉式电极7为并联结构，从电极板6处分流均相同，并联数目越多，电流密度越大），从而在板料的对应区域实现对应电流的通入；同时螺钉式电极7的底端插接于插接柱501内后，可使电极板6和固定板5保持相对位置不变。
本实施例中，除电极板6、螺钉式电极7和固定板5之外，其余部件均为非导电体（至少表面不导电，如模具表面采用电木或云母石绝缘），可控制电流的流通区域和方向。在实际进行工件的成形作业之前，通过仿真模拟实验和有限次的实际成形实验，获得与工件外形相对应的电流分布情况，从而在对电极板6通电之前，预先调整每个螺钉式电极7的位置（与固定板5接触或非接触），形成对应的空间点阵电极分布。
如图9和图10所示，上模2的底面内活动嵌设有若干个区域压边块12，每个区域压边块12分别对应地位于相邻两个区域压边板交接处的上方，且每个区域压边块12的顶端可施加彼此独立的顶压力，区域压边块12的底面与上模2的底面位于同一平面内，且底面上的拉延筋凹槽201表面拼接后连续完整。每个区域压边块12的顶部固定设置有活动贯穿上模2的下压杆121，下压杆121固定连接于顶部的液压动力输出端，通过该液压动力输出端可驱动每个区域压边块12的垂直升降，从而在与下模2同步下行的过程中，在板料的边缘提供不同大小的压边力（在采用同一个液压动力输出端时，可在每个下压杆121的外侧套设不同刚度的弹簧，以使现相同位移条件下不同作用力的输出）。优选的，上模2的顶部固定连接有连接垫板9，便于上模2的固定安装。同时，连接垫板9上开设有导向孔，下压杆121活动套设在导向孔内，以对下压杆121的垂向移动进行导向。
针对环壳件回弹严重、起皱、减薄等缺陷，通过点阵导电，可分区通电，改变电流分布，主动利用此种不均匀性实现薄壁非对称异型结构的均匀性成形。
上模2的内部顶端活动设置有推动块10，推动块10完全位于上模2内部时，推动块10的底面与冲压成形腔的表面光滑过度，从而时上模2的内表面形成完整的成形面。推动块10可采用电磁驱动式，灵活可靠、响应快，在吸附状态，可完全位于上模2内，不会对冲压成形过程产生干扰，尤其不会对冲压件的表面产生除正常支撑力以外的额外作用力；在冲压成形完成后，推动块10在电磁力作用下下移，使工件脱离冲压成型腔，便于工件得到脱模。
如图11所示，一种电辅助成形的点阵导电压边成形工艺，包括以下步骤：
（1）工艺参数设置：根据待成形的板料的成形工艺参数设置脉冲电源发生器和各个动力输出端输出力大小的参数；成型工艺参数主要包括提供电辅助加热的脉冲电源发生器的输出功率和时长、提供给绝缘压料板4的背压力值、提供给上模2的成形压力值，以及提供给各个区域压边块12的压边力值。
（2）板料装夹：将两侧的固定板5升起，将待冲压成形的板料准确放置在绝缘压料板4的顶面上，再将两侧的固定板5下降，使固定板5将板料的边缘压在其下方，且使固定板5的底面与板料的边缘可靠接触，以保证通入固定板5内的电流可顺利进入板料中；
（3） 电流分布设置：根据板料的仿真成形得到的最优工艺参数，调节电极板6上与固定板5相接触的螺钉式电极7的数量及位置分布；在脉冲电源发生器向电极板6通入预设的脉冲电流时，两个电极板6之间形成电流通路，电流通过板料而对板料实现快速辅助加热，板料在与螺钉式电极7与固定板5相接处的位置所对应的区域，会出现局部高热，实现成形区局部软化条件，从而降低成形载荷，解决了薄壁非对称异型结构构件成形力大、成形难的问题。
（4）通电加热：通过脉冲电源发生器向电极板6通入预设功率和电流大小的成形作业电流，持续至预设时长，使板料加热到预设的成形温度；
（5）分区域压边：液压机的主动力输出驱动上模2下行，与绝缘压料板4相配合将板料夹持，顶部的液压动力输出端向各个区域压边块12提供垂直向下的压边力，底部的液压动力输出端向绝缘压料板4提供垂直向上的背压力；采用压边力的不均匀性实现薄壁非对称异型结构的均匀性成形。
（6）冲压成形：液压机的主动力输出驱动上模2继续下行，冲压成形模3与冲压成形腔相配合完成工件的拱形状曲面主体的成形加工，同时，上模2底面上的拉延筋凹槽201与压边板8顶面上的拉延筋凸起801相配合，完成工件的弧线状平面翻边上的拖延筋的成形；
（7）低温保压：冲压完成后，通过脉冲电源发生器向电极板通入预设功率和电流大小的保压作业电流，持续至预设时长并保压；
（8）取出样品：液压机的主动力输出驱动上模2上行，绝缘压料板4与上模2同步上行，绝缘压料板4上行至周期最高位置而复位，将冲压成形后的工件从冲压成形模3上脱离，推动块10工作，再将工件从上模2中推出，从而可将工件从成形模具中取出。
在板料装夹前，将板料、上模2、下模1和冲压成形模3的表面均进行油污处理与光整处理，以确保后续装夹效果，板料切割成目标形状后在板料表面喷涂耐高温润滑导电涂料，以提升其自身的导电性能。
本实施例中，以图1所示的薄壁非对称异型结构，该工件采用厚度为1mm的钛合金板材（如TC4、纯钛），采用本设计的冲压成形模具和成形工艺制得。将板料两侧的压边板8分成单边各4个，对应的区域压边块12数量（压边区域数量）设置为单边各3个，如图5中的虚线所示。在进行样板下料前，进行电流辅助自阻加热-分时逐域渐进拉深-电热耦合应力松弛全流程形性协同仿真，模拟仿真图如图12所示，其中图12中的（a）所示的是右端电极全部接通，中间部分50％电极接通，左端部分25％电极接通，其中图12中的（b）所示的中间端电极全部接通，两端电极接通20％均可达到温度不均匀的效果。通过仿真分析，得出六个区域总压边为20-40t为宜，具体压力分配为：A区域的压边力为5.5t、B区域的压边力为2.1t（防止起皱）、C区域的压边力为5t、A1区域的压边力为3t、B1区域的压边力为8.5（该处曲面大，防止破裂）、C1区域的压边力为4.5t。冲压成形前通入的电流频率为为500Hz，电流密度大小为40～50A/mm2 A ，占空比为5％，板材通电后温度达到600～800℃左右为宜。冲压过程采用的冲压力以260t为宜，冲压结束后，保压工作电流改为小电流（以10A/mm2～20A/mm2为宜），保压600～1200s。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种电辅助成形的点阵导电压边模具，包括下模（1）和位于下模（1）正上方的上模（2），其特征在于：所述下模（1）的顶面固定设置有冲压成形模（3），所述上模（2）的底面上开设有与冲压成形模（3）相配合的冲压成形凹模，所述下模（1）的顶部设置有可垂向升降且活动套设在冲压成形模（3）外侧的绝缘压料板（4），所述绝缘压料板（4）的顶面设置有由若个区域压边板活动拼接而成的压边板（8），所述压边板（8）的顶面上设置有拉延筋凸起（801），所述上模（2）的底面上开设有与拉延筋凸起（801）相配合的拉延筋凹槽（201）；
所述上模（2）的底面内活动嵌设有若干个区域压边块（12），每个区域压边块（12）分别对应地位于相邻两个区域压边板交接处的上方，且每个区域压边块（12）的顶端可施加彼此独立的顶压力；
所述绝缘压料板（4）的顶面两侧分别设置点阵导电组件，所述点阵导电组件包括可升降调节地连接在绝缘压料板（4）上的固定板（5）、设置于固定板（5）上方的电极板（6），电极板（6）上螺纹连接有若干个螺钉式电极（7），螺钉式电极（7）的底端可与固定板（5）接触或分离，待成形的板料被固定夹持后，板料的边缘与固定板（5）电接触，通过设置电极板（6）上与固定板（5）相接触的螺钉式电极（7）的数量及位置分布，可调节由电极板（6）引入板料内的电流密度和位置分布。
2.根据权利要求1所述的一种电辅助成形的点阵导电压边模具，其特征在于：所述上模（2）的顶部固定连接有连接垫板（9）。
3.根据权利要求1或2所述的一种电辅助成形的点阵导电压边模具，其特征在于：所述上模（2）的内部活动设置有推动块（10），推动块（10）完全位于上模（2）内部时，推动块（10）的底面与冲压成形腔的表面光滑过度。
4.根据权利要求1所述的一种电辅助成形的点阵导电压边模具，其特征在于：所述绝缘压料板（4）的顶面开设有嵌槽，所述压边板（8）嵌设于嵌槽内，且压边板（8）的内侧面与冲压成形模（3）的侧面滑动贴合，压边板（8）的顶面与绝缘压料板（4）的顶面位于同一水平面内。
5.根据权利要求1或4所述的一种电辅助成形的点阵导电压边模具，其特征在于：所述下模（1）的顶面上固定设置有若干个活动贯穿绝缘压料板（4）的导向柱（11）。
6.根据权利要求1或4所述的一种电辅助成形的点阵导电压边模具，其特征在于：所述绝缘压料板（4）的边缘转动连接有调节螺钉（14），调节螺钉（14）的顶部与固定板（5）螺纹连接。
7.根据权利要求6所述的一种电辅助成形的点阵导电压边模具，其特征在于：所述固定板（5）的顶面上设置有若干个与螺钉式电极（7）对应设置的插接柱（501）。
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