CN1195305A - 较硬材料的成形方法 - Google Patents

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Abstract

一种较硬材料的成形方法。该方法包括提供对较硬材料的带材(10)进行成型操作的工具。该工具包括一个连接到高速冲压成形机(70)上的成形工具(22)和配合模具(24)。将该工具和成形机设置成可以在一个小于待成型材料的应力张弛时间常数的时间间隔内完成成形操作。

Description

较硬材料的成形方法
本发明涉及在冲压成形机中对较硬材料的成形，特别是对这类材料进行成形而不会产生在成形处或其附近造成断裂之类的有害影响。
采用现行工业中的工艺和设备对某些较硬材料成形时，成形操作引起的材料变形应当超过某一最小值，不然将在变形处或其附近发生断裂。例如，在弯曲时，弯曲半径或弯曲程度必须超过某个最小值。人们普遍认为，在进行成形时，材料会加工硬化，而当继续弯曲时，材料会发生断裂，并在加工硬化区超过材料的弹性极限。对某些材料，如飞行器中使用的硬质铝合金，人们发展了一些与成形操作相配合的热处理工艺，从而可以进行有限度的成形而不致发生断裂。但是，这些工艺实行起来十分繁杂而且昂贵，且仅限于少数较硬的材料。而某些材料则不能以通常的冲压和成形速度进行有意义的成形，也没有能够比较容易地使这些材料成形的合适的热处理工艺。Paliney 7就是这种材料的一个例子，这是一种高强度的钯金合金，在其最高硬度状态下，其极限抗拉强度约为每平方英寸195,000磅，它是由Hartford城的J M Ney公司制造的。在正常的冲压和成形速度下，这种材料的成形被限制在某一最小范围内，然而，如下面将要说明的，通过采用本公开内容讲述的方法则可以实现对这种材料的冲压和成形。众所周知，可以采用一定的爆炸成形法成功地对某些较硬的材料进行成形。例如，冲击波速率超过每秒20,000英尺的叠氮化铅已用来弯曲甚至焊接一些采用传统工艺与设备弯曲和成形时一般均会断裂的材料。这种工艺通常用于成形较大的构件，如大容器、高压釜、锅炉和类似构件的端面。但是，还不知道有人利用爆炸法来成形如电气接插件用的电气插头之类的小型部件，并且认为这样做是不切合实际的。
问题在于还没有一种已知的方法来在不采用复杂的热处理工艺或利用具有危险性的爆炸法的情况下，在制造象电气插头之类的较小部件时，能够容易地成形这些较硬的材料。用手工来回弯曲一段金属丝使其折断时，在弯曲的部分会引起明显的温升。这一局部温升与弯曲速度成正比。通过高速成形这些材料发现，在成形区产生足够高的温度起到使之退火的作用，进而，如果在一个短于材料的应力张弛常数的时间间隔内完成成形，则材料的成形极限可显著地改善。
这里公开一种对较硬材料的带材进行成形操作的方法。该方法包括下述步骤。提供具有第一工具和可与之配合的第二工具的工具以进行成形操作。提供一个具有第一工具和与之连接的第二工具的冲压成形机。第一工具安排成可向第二工具运动并与之紧密配合，且可离开第二工具运动与之脱离配合。较硬材料的带材置于第一工具和第二工具之间。然后操作冲压成形机，它的动作使第一工具向第二工具运动到达与较硬材料带材啮合的第一位置。然后进一步使第一工具运动到与第二工具紧密配合的第二位置，从而完成成形操作。其中第一工具由第一位置向第二位置运动的运动速度足够高，从而完成成形操作而不会使较硬材料的带材断裂。
图1是一个待成形的较硬材料带材的剖视图；
图2是类似于图1的带材成形后的视图；
图3是一个用于执行成形操作的试验设备的示意图；
图4是一个图3中所示工具的放大剖面图；
图5是类似于图4的成形后的视图；
图6是一个高速冲压成形机的部分截面的正视图；
图7表示图在6所示机器中冲头冲程与时间的关系曲线；
图8表示在传统冲压成形机中冲头冲程与时间的关系曲线。
下面采用举例的方式参照附图对本发明加以描述，其中：
当弯曲一个金属件例如一段金属丝时，在弯曲部分产生热量。已经发现，当以极高的速度进行弯曲时，将不会发生通常会产生的断裂。人们认为，在弯曲过程中，在变形部位产生足够高的温度，将会产生晶面滑移就象材料被充分退火一样。尽管变形速率也就是弯曲速率对材料可以经受大变形的能力所起的作用尚未得到很好的理解，但是人们发现，如果在一个足够短的时间内进行弯曲，就没有足够的时间发生加工硬化。因此，材料就不会因弯曲操作而断裂。为此，弯曲操作的时间必须小于材料的应力张弛时间常数。
现有的冲压成形机和技术没有提供成功地成形这些较硬的材料所必需的速度。但是，现在已经制造并试验了一种设备，并证明可以很容易地实现这种成形。现将对本发明的这种设备和方法加以描述。
在图1中表示出了一种较硬材料带材10的横截面，在本实施例中，这种材料是由J M Ney公司制造的Paliney 7，它在最高硬度状态下的极限抗拉强度约为每平方英寸195,000磅。该带材10的厚度为0.0018英寸，它含有一个贯通该带材的、直径为0.005英寸的开始孔12。通过将该材料沿孔12向下变形而将其成形为图2所示的形状，以便形成一个内径为0.010英寸、长度16约为0.006英寸的环形凸缘14。如图3所示，一个音频扬声器20做为换能器来驱动成形工具22，使之与模具24紧密配合以形成凸缘14。一个信号发生器26通过电路30与扬声器的音圈28相互连接。音圈28连接在一个可动的锥形筒32上并对其进行驱动，成形工具22则以任何合适的方式例如粘接连接在锥形筒32上。音圈28以通常的方式磁性耦合到磁芯36上，从而，通过控制信号34的上升时间、长度及振幅可精确地控制锥形筒的运动，而信号34的振幅则是由信号发生器26通过电路30传递给音圈的。如图4所示，成形工具22有一个稍具球形的端部40和基本上与直径12相等的直径42，在本实施例中为0.010英寸。模具24包括一个面朝上的模具表面44，一个与成形工具22的形状相符合的模孔46贯穿该表面，但该模孔的尺寸稍大，以便获得凸缘14的所需壁厚。就象在工业中通常所做的那样，模孔46的上边缘包含一个倒圆半径48，在本实施例中为0.0001-0.0005英寸，以便在成形过程中防止开裂。如图4所示，在操作时，带材10置于模具表面44上，其开始孔12与模孔及成形工具22对准。然后启动信号发生器26，传递出一个具有足够振幅的信号脉冲34，以便能够驱动锥形筒32和连接于其上的成形工具22，从而推动顶端40进入模孔46到达图5所示的位置。脉冲信号34经过整形以保证音圈的动作时间为0.15毫秒，从而在顶端40运动与带材啮合之后，它可以在该期间内继续向图5所示的位置运动。也就是说，整个成形操作从顶端40与带材10初始啮合到该顶端与模具24完全配合时为止约为0.15毫秒。
曾将一个类似的成形工具和模具装配到一个传统的冲压成形机上，该冲压成形机包括一个行程为1.5英寸并以每分钟1200个冲程进行操作的冲头。将一个与带材10相类似的最硬状态的Paliney 7放置在成形工具和模具之间，并开动该机器令其形成一个类似于凸缘14的凸缘。在成形工具运动到与带材啮合之后，需要0.39毫秒该成形工具才能继续运动到它与模具完全配合的位置。这一较长的成形操作完成时间大于材料的应力张弛时间常数，带材则如所预期的那样在成形部位断裂。
虽然扬声器20适合于将本发明的构思应用于非常小的部件上，但一个具有在所需0.15毫秒的时间周期内完成成形操作能力的高速冲压成形机将更适合于较大的部件，如电气接插件用的电气插头等。在由本发明人于1995年6月29日提出申请并转让于本受让人、委托书号为16067、序号为08/496,376、标题为“实现高速冲压和成形操作的机器”(“AMACHINE FOR PERFORMING HIGH SPEED STAMPING ANDFORMING OPERATIONS”)的共同未决专利申请中，公开了一种如图6所示的这样一种高速机器70，该文献在这里引用作为参考。该高速机器70包括一个以每分钟6000冲程的速度朝向和背离支承板74运动的冲头72。此冲程的长度是0.4英寸。一个电机76连接到驱动轴78上，该轴具有一个借助曲柄82驱动冲头的偏心装置80。驱动轴和曲柄的轴颈放置在静压轴承中，而冲头则安置在一线性静压轴承内，它包含有独特的流体导管，所有这些都是特殊设计的，以使得该机器能以这样高的速度运转。一个上部工具固定件84连接在冲头72上并由之载带。成形工具22紧固在该工具的固定件84上，配合模具24则以通常的方式紧固在支承板74上。
利用冲头冲程为0.4英寸、每分钟6000个冲程操作的冲压成形机和冲头冲程为1.5英寸、每分钟1200个冲程操作的传统冲压成形机的两个例子分别表示在具有曲线90和曲线92的图7和图8中。如图7所示，曲线90示出了机器70的冲头72沿着Y轴通过其0.4英寸的冲程、沿X轴由时刻0.00秒到0.01秒完成一个单一冲程的运动情况。成形工具22的顶端40开始与带材10相啮合的点由直线94在Y轴的0.0018的点表示。曲线90与这条直线在沿X轴的4.85毫秒的点处相交，如图7中的96处所示。曲线90也在5.00毫秒的点处与X轴相交，如98处所示。全部成形过程均发生在这两点之间，冲头的移动量为0.0018英寸、所需时间间隔为0.15毫秒。而图8中的曲线92则画出了传统的冲压成形机的冲头沿Y轴通过其1.5英寸的冲程、沿X轴由0.00秒到0.05秒完成一个单一冲程的运动情况。成形工具22的顶端40开始与带材10啮合的点由直线102在Y轴上0.0018的点表示。曲线92与该直线102在沿X轴的24.61毫秒的点处相交，由图8中的104处表示。曲线92也在沿X轴25.00毫秒的点处与X轴相交，如106处所示。全部成形过程均发生在这两点之间，冲头的移动量为0.0018英寸，时间间隔为0.89毫秒。如前面指出过的，这个时间间隔大于带材10的应力张弛时间常数，从而在成形处或其附近会引起断裂。
虽然本发明可借助图3所示的扬声器20和图6中所示的高速冲压成形机70来实施，但是，也可采用其它合适的设备在约0.39毫秒到0.15毫秒或更短的临界时间间隔内完成成形操作，这取决于被成形的具体材料及其应力张弛时间常数。这里所说的其它合适设备可包括在传统压力机中以常规速度操作的工具，但是它具有一个提速机构用以提供必要的工具截止速率，以确保成形发生在所要求的时间间隔之内。此外，尽管这里所列举的成形操作是一个使材料移位的拉伸操作，但可以看出，本发明的主旨也可便利地在使材料移位的其它冲压及成形操作中加以实施，例如弯曲、冲切、压印、扭转、镦锻、拉拔以及切割或使材料变形等其它操作。
本发明的一个重要优点在于，许多迄今为止尚不能容易成形的许多不同的较硬材料现在可以认为是能够使用的了。它使得许多合金能得以应用，例如宾夕法尼亚州瑞丁(Reading)城的NGK金属公司制造的铍镍合金以及Paliney 7，它们是非常吸引人的电接触材料，而如果试图以传统的成形速度成形的这些合金是无法使用的。

Claims (9)

1、一种对较硬材料的带材(10)进行成形操作的方法，它包括以下步骤：
(a)提供具有第一工具(22)和与所述第一工具配合的第二工具(24)的工具，以完成所述成形操作；
(b)提供一个具有所述第一工具和与第一工具相连的第二工具的冲压成形机(70)，使所述第一工具(22)向所述第二工具(24)周期运动成与之紧密配合，并且运动离开该第二工具与之脱离所述配合；
(c)将一个较硬材料的带材(10)置于所述第一和第二工具(22，24)之间；
(d)操作所述冲压成形机(70)，借以实现所述第一工具向所述第二工具周期运动到一个与所述较硬材料的带材(10)啮合的第一位置，然后再进一步移动所述第一工具(22)到达与所述第二工具(24)紧密配合的第二位置，从而完成所述的成形操作，
该方法的特征在于，所述第一工具(22)从所述第一位置向所述第二位置以足够快的速率运动，从而完成所述成形操作而不使所述较硬材料的带材(10)断裂。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一工具(22)以至少每秒约5英寸的速率由所述第一位置向所述第二位置运动。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一工具(22)以每秒约12英寸到每秒约15英寸的速率由所述第一位置向所述第二位置运动。
4、如权利要求1所述的方法，其中在步骤(d)中的所述周期运动的长度约为0.40英寸，所述方法的特征在于，在步骤(d)中所述工具(22)由所述第一位置向第二位置的运动距离约为该周期运动长度的0.45％。
5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一工具(22)由所述第一位置向所述第二位置运动的时间小于约0.5毫秒。
6、如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一工具(22)由所述第一位置向所述第二位置的运动时间小于约0.2毫秒。
7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(d)中的所述周期运动以每分钟约6000次的速度进行。
8、如权利要求7所述的方法，其中在步骤(d)中所述周期运动的长度约为0.40英寸，所述方法的特征在于，在步骤(d)中所述的第一工具(22)由所述第一位置向第二位置的运动距离约为该周期运动长度的0.45％。
9、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成形操作包括使较硬材料的所述带材(10)的一部分(14)移位。
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