專(zhuān)利名稱(chēng)：異種金屬?gòu)?fù)合板材電磁輔助成形裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合板材成形的裝置及方法，具體涉及一種應(yīng)用電磁輔助提高異種金屬?gòu)?fù)合板成形極限的成形方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和各種新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，人們對(duì)材料性能的要求日益增高，在某些特殊條件下，單一組元材料的性能已經(jīng)很難滿(mǎn)足使用要求。通過(guò)各種不同的連接方法將單一金屬材料復(fù)合為一體，制備成金屬?gòu)?fù)合板，這種經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)組合后的層狀復(fù)合板結(jié)合了不同金屬組元各自的優(yōu)點(diǎn)，得到了單層金屬材料所不具有的物理、化學(xué)性能以及力學(xué)特性，滿(mǎn)足高強(qiáng)度、高比剛度、抗疲勞性、尺寸穩(wěn)定、耐磨、抗振等性能的要求，同時(shí)節(jié)省了稀有貴重材料，降低了生產(chǎn)成本。由于復(fù)合板具有良好的綜合性能及優(yōu)越的性?xún)r(jià)比，國(guó)內(nèi)外都非常重視它的研究與開(kāi)發(fā)。在品種方面，根據(jù)不同的材料服役條件，開(kāi)發(fā)了鈦系列、不銹鋼系列、鋁系列、銅系列復(fù)合板等，在成形工藝方面則研究了如爆炸復(fù)合法、軋制復(fù)合法、擴(kuò)散連接法、液固相復(fù)合法等方法。液相復(fù)合法、半固態(tài)壓力復(fù)合法等先進(jìn)方法的出現(xiàn)，使大批量、連續(xù)化生產(chǎn)金屬?gòu)?fù)合板成為可能、降低了復(fù)合板的制造成本，并具有很高的性?xún)r(jià)比。由此，金屬?gòu)?fù)合板的成形方法成為材料加工領(lǐng)域下一步的研究重點(diǎn)。金屬?gòu)?fù)合板的成形比單一金屬板材成形復(fù)雜得多，它不僅需要考慮成形的相關(guān)工藝因素，還要考慮金屬板料各組元的塑性力學(xué)性能及變形協(xié)調(diào)能力。在成形過(guò)程中會(huì)造成上下兩層板變形不協(xié)調(diào)，容易產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)和起皺，其成形機(jī)理遠(yuǎn)比單層板復(fù)雜。傳統(tǒng)的板材液壓成形是在成形板料的下表面施加液體壓力，使坯料在液體壓力作用下貼靠凸模，來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬板材零件的成形，如圖2所示。為解決錐形件和球底筒形件等成形過(guò)程中過(guò)低反向壓力容易導(dǎo)致凸模圓角破裂和過(guò)高反向壓力導(dǎo)致懸空區(qū)破裂的問(wèn)題，采用了正反向加壓充液拉深方法，就是在成形坯料的上表面也施加液壓來(lái)配合底部的充液拉深，形成雙面加壓復(fù)合成形。上表面的正向壓力可以部分甚至全部抵消底部反向壓力導(dǎo)致的反脹，允許施加更大的反向壓力抑制減薄，提高成形極限。但是正向壓力的存在雖然能提高反向壓力的數(shù)值，同時(shí)也減少了板料與凸模間的有益摩擦力的作用，其正反作用相互抵消，因此雙向加壓對(duì)于提高板料極限拉深比的效果是有限的。傳統(tǒng)的徑向力施加方法，如圖3所示，是將液室壓力引到坯料法蘭外緣實(shí)現(xiàn)徑向加載，徑向壓力與液室壓力相等，且不能獨(dú)立調(diào)節(jié)。相比較通過(guò)液壓系統(tǒng)施加徑向液壓力的方法，使用磁脈沖成形裝置，更為簡(jiǎn)單高效，易于控制，而且節(jié)約成本和場(chǎng)地。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有金屬?gòu)?fù)合板材拉深成形過(guò)程中出現(xiàn)的成形極限低，導(dǎo)致板材在成形過(guò)程中減薄嚴(yán)重直至破裂的問(wèn)題，而提供一種異種金屬?gòu)?fù)合板材電磁輔助成形裝置及其方法。本發(fā)明的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
裝置:所述裝置包括凸模、壓邊圈、密封圈、線(xiàn)圈和凹模，所述凹模的上端面由里向外設(shè)有凹模腔和壓邊圈槽，壓邊圈槽的底面上設(shè)有環(huán)形線(xiàn)圈槽，線(xiàn)圈設(shè)置在環(huán)形線(xiàn)圈槽中，壓邊圈的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有環(huán)形密封圈槽，凸模的沖頭為圓臺(tái)，凸模的尾部為圓柱，壓邊圈套裝在圓柱上，且壓邊圈的內(nèi)壁與圓柱之間設(shè)有液體通道，密封圈套裝在圓柱上且設(shè)置在環(huán)形密封圈槽中，壓邊圈的側(cè)壁上橫向設(shè)有上進(jìn)液道，凹模的側(cè)壁上橫向設(shè)有下進(jìn)液道，凸模和壓邊圈位于凹模的上方，且凸模與凹模腔正對(duì)，壓邊圈與壓邊圈槽正對(duì)。方法:所述方法是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的:步驟一、將復(fù)合板料放置在壓邊圈槽的底面上，壓邊圈下移至壓邊圈的下端面距復(fù)合板料的上端面0.5mm 2mm處,對(duì)壓邊圈施加壓邊力Fbh為5kN 200kN ；步驟二、凸模下移到復(fù)合板料的上表面，同時(shí)由上進(jìn)液道向液體通道內(nèi)施加正向液體，其正向液體壓力P1為2MPa 50MPa，由下進(jìn)液道向凹模腔內(nèi)施加反向液體，其反向液體壓力P2應(yīng)大于1.5倍正向液體壓力P1、小于lOOMPa，然后通過(guò)線(xiàn)圈對(duì)復(fù)合板料的法蘭外緣施加徑向電磁力Fd為IOMPa IOOMpa ；步驟三、復(fù)合板料在反向壓力Fp2、正向壓力Fp1、徑向電磁力Fd聯(lián)合作用下成形，當(dāng)凸模達(dá)到使復(fù)合板料成形后的行程時(shí)，即完成零件的成形；步驟四、成形結(jié)束后，先卸載正向液體壓力P1、再卸載反向液體壓力P2，凸?；爻蹋〕龀尚瘟慵?，即完成一個(gè)成形過(guò)程。本發(fā)明具有以下有益效果:一、利用本發(fā)明的裝置完成異種金屬?gòu)?fù)合板材電磁輔助成形方法，該方法是在板料的上下表面都施加液壓的基礎(chǔ)上，再通過(guò)線(xiàn)圈對(duì)復(fù)合板料的法蘭外緣放電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可以根據(jù)加載曲線(xiàn)進(jìn)行主動(dòng)實(shí)時(shí)控制，使徑向電磁力與正反液壓力的匹配，徑向壓力推動(dòng)板料的法蘭外緣向下流動(dòng)，參與凸模底部板料的積極變形，從而使拉深變形更容易進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)趨于均勻的應(yīng)變分布，從而最大限度地提高板材的成形性能，尤其適用于異種金屬?gòu)?fù)合板材。本發(fā)明的方法降低了變形區(qū)的徑向拉應(yīng)力，避免了破裂的產(chǎn)生，并形成雙面流體潤(rùn)滑效果，使板材處于較好的變形狀態(tài)而提高了其成形性。雙向壓力和徑向力的耦合作用，延遲了復(fù)合板的牽引變形和內(nèi)部空洞的形成長(zhǎng)大，提高了其成形極限。在法蘭外緣施加徑向電磁力，隨著徑向力的增加，坯料變形區(qū)的徑向拉應(yīng)力降低、切向壓應(yīng)力增加，有利于坯料的流動(dòng)、變形，避免了嚴(yán)重減薄。二、本發(fā)明可以延遲復(fù)合板材的牽引變形和界面的粘滯作用，在復(fù)合板的上、下表面形成壓差，降低了變形區(qū)的徑向拉應(yīng)力，避免了破裂的產(chǎn)生，并形成雙面流體潤(rùn)滑效果，提高了復(fù)合板的成形極限和成形件壁厚分布的均勻性。并且由于反向壓力的提高使復(fù)合板材構(gòu)件的貼模性、形狀穩(wěn)定性好，液壓卸載后回彈小，尺寸精度高。三、本發(fā)明方法的成形構(gòu)件的壁厚分布相對(duì)傳統(tǒng)成形方法而言更為均勻。因此該方法可以彌補(bǔ)材料成形性能方面的不足，節(jié)省工序、提高效率，為異種金屬?gòu)?fù)合板構(gòu)件的高精度成形提供新的途徑。


圖1是具體實(shí)施方式
一的結(jié)構(gòu)主剖視圖，圖2是傳統(tǒng)的充液拉深成形的原理示意圖，圖3是傳統(tǒng)的徑向力施加方法的示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一:結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括凸模1、壓邊圈2、密封圈3、線(xiàn)圈4和凹模5，所述凹模5的上端面由里向外設(shè)有凹模腔5-1和壓邊圈槽5-2，壓邊圈槽5-2的底面上設(shè)有環(huán)形線(xiàn)圈槽5-2-1，線(xiàn)圈4設(shè)置在環(huán)形線(xiàn)圈槽5-2-1中，壓邊圈2的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有環(huán)形密封圈槽2-2，凸模I的沖頭為圓臺(tái)1-1，凸模I的尾部為圓柱1-2，壓邊圈2套裝在圓柱1-2上，且壓邊圈2的內(nèi)壁與圓柱1-2之間設(shè)有液體通道6，密封圈3套裝在圓柱1-2上且設(shè)置在環(huán)形密封圈槽3-1中，壓邊圈2的側(cè)壁上橫向設(shè)有上進(jìn)液道2-1，凹模5的側(cè)壁上橫向設(shè)有下進(jìn)液道5-3,凸模I和壓邊圈2位于凹模5的上方,且凸模I與凹模腔5-1正對(duì)，壓邊圈2與壓邊圈槽5-2正對(duì)。
具體實(shí)施方式
二:結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的上進(jìn)液道2-1與下液體通道6-1上、下正對(duì)設(shè)置。其它連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三:結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的:步驟一、將復(fù)合板料7放置在壓邊圈槽5-2的底面上，壓邊圈2下移至壓邊圈2的下端面距復(fù)合板料7的上端面0.5mm 2mm處,對(duì)壓邊圈2施加壓邊力Fbh為5kN 200kN ；步驟二、凸模I下移到復(fù)合板料7的上表面，同時(shí)由上進(jìn)液道2-1向液體通道6內(nèi)施加正向液體，其正向液體壓力P1為2MPa 50MPa，由下進(jìn)液道5_3向凹模腔5_1內(nèi)施加反向液體，其反向液體壓力P2應(yīng)大于1.5倍正向液體壓力P1、小于100MPa(即IOOMPa ^ P2 ^ P1)，然后通過(guò)線(xiàn)圈4對(duì)復(fù)合板料7的法蘭外緣施加徑向電磁力Fd為IOMPa IOOMpa ；電磁成形是利用瞬間的高壓脈沖磁場(chǎng)對(duì)制件進(jìn)行間接或直接加工的高速率成形工藝，由于其能量易于控制，可以方便的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高速成形，可以方便的實(shí)現(xiàn)各種工藝參數(shù)和成形過(guò)程的控制。步驟三、復(fù)合 板料7在反向壓力Fp2、正向壓力Fp1、徑向電磁力Fd聯(lián)合作用下成形，當(dāng)凸模I達(dá)到使復(fù)合板料7成形后的行程時(shí)，即完成零件的成形；成形過(guò)程中，根據(jù)成形零件的形狀和材料特性，可調(diào)整正向液體壓力P1、反向液體壓力P2和徑向電磁力Fd的數(shù)值大小，以形成不同的正向壓力Fp1、反向壓力Fp2和徑向電磁力Fd的組合；調(diào)整正向液體壓力P1、反向液體壓力P2和徑向電磁力Fd數(shù)值的目的是為了獲得最佳的工藝參數(shù)組合，即正向液體壓力P1、反向液體壓力P2和徑向電磁力Fd之間最佳的配合關(guān)系，例如:對(duì)于材料為5A06招合金和20號(hào)鋼組成的復(fù)合板材,成形為圓筒形零件時(shí)，最佳的參數(shù)組合為正向液體壓力P1 = 20MPa、反向液體壓力P2 = 40MPa、徑向電磁力Fd =25MPa，在此參數(shù)組合下成形后的零件壁厚的減薄率最小。步驟四、成形結(jié)束后，先卸載正向液體壓力P1、再卸載反向液體壓力P2,凸模I回程，取出成形零件，即完成一個(gè)成形過(guò)程。徑向電磁力Fd的施加是通過(guò)嵌在凹模中的線(xiàn)圈4放電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可以根據(jù)加載曲線(xiàn)進(jìn)行主動(dòng)實(shí)時(shí)控制，使徑向電磁力Fd與正反壓力達(dá)到最佳匹配，徑向電磁力Fd推動(dòng)復(fù)合板料7的法蘭外緣向下流動(dòng)，參與凸模底部復(fù)合板料7的積極變形，從而使拉深變形更容易進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)趨于均勻的應(yīng)變分布，從而最大限度地提高板材的成形性能，尤其適用于異種金屬?gòu)?fù)合板材。
具體實(shí)施方式
四:結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為步驟一中的復(fù)合板料7的材質(zhì)為低碳鋼、鋁合金、純鋁、不銹鋼、銅合金、鈦合金或鎂合金。其他步驟與具體實(shí)施方式
三相同。
具體實(shí)施方式
五:結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為步驟一中的復(fù)合板料7的厚度為1.0mm 4.0_。其他步驟與具體實(shí)施方式
三或四相同。
具體實(shí)施方式
六:結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為步驟一中的復(fù)合板料7的厚度為2.0mm。其他步驟與具體實(shí)施方式
五相同。
具體實(shí)施方式
七:結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為步驟一中的復(fù)合板料7的厚度為3.0mm。其他步驟與具體實(shí)施方式
五相同。
具體實(shí)施方式
八:結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為步驟二中由上進(jìn)液道2-1向液體通道6內(nèi)施加正向液體壓力P1為20MPa，由下進(jìn)液道5_3向凹模腔5_1內(nèi)施加反向液體壓力P2為30MPa，通過(guò)線(xiàn)圈4對(duì)復(fù)合板料7的法蘭外緣施加徑向電磁力Fd為50Mpa。其他步驟與具體實(shí)施方式
三相同。
具體實(shí)施方式
九:結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為步驟二中由上進(jìn)液道2-1向液體通道6內(nèi)施加正向液體壓力P1為30MPa，由下進(jìn)液道5_3向凹模腔5_1內(nèi)施加反向液體壓力P2為45MPa，通過(guò)線(xiàn)圈4對(duì)復(fù)合板料7的法蘭外緣施加徑向電磁力Fd為60Mpa。其他步驟與具體實(shí)施方式
三相同。
具體實(shí)施方式
十:結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為步驟三中的成形過(guò)程中，密封圈3應(yīng)保證在凸模I下行時(shí)上模腔的密封。其他步驟與具體實(shí)施方式
三相同。
權(quán)利要求
1.一種異種金屬?gòu)?fù)合板材電磁輔助成形裝置，其特征在于:所述裝置包括凸模(I)、壓邊圈(2)、密封圈(3)、線(xiàn)圈(4)和凹模(5)，所述凹模(5)的上端面由里向外設(shè)有凹模腔(5-1)和壓邊圈槽(5-2)，壓邊圈槽(5-2)的底面上設(shè)有環(huán)形線(xiàn)圈槽(5-2-1)，線(xiàn)圈(4)設(shè)置在環(huán)形線(xiàn)圈槽(5-2-1)中，壓邊圈(2)的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有環(huán)形密封圈槽(2-2)，凸模(I)的沖頭為圓臺(tái)(1-1)，凸模(I)的尾部為圓柱(1-2)，壓邊圈(2)套裝在圓柱(1-2)上，且壓邊圈(2)的內(nèi)壁與圓柱(1-2)之間設(shè)有液體通道(6)，密封圈(3)套裝在圓柱(1-2)上且設(shè)置在環(huán)形密封圈槽(3-1)中，壓邊圈(2)的側(cè)壁上橫向設(shè)有上進(jìn)液道(2-1)，凹模(5)的側(cè)壁上橫向設(shè)有下進(jìn)液道(5-3),凸模(I)和壓邊圈(2)位于凹模(5)的上方,且凸模(I)與凹模腔(5-1)正對(duì)，壓邊圈(2)與壓邊圈槽(5-2)正對(duì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述異種金屬?gòu)?fù)合板材電磁輔助成形裝置，其特征在于:上進(jìn)液道(2-1)與下液體通道(6-1)上、下正對(duì)設(shè)置。
3.一種利用權(quán)利要求1所述裝置實(shí)現(xiàn)異種金屬?gòu)?fù)合板材電磁輔助成形方法，其特征在于:所述方法是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的: 步驟一、將復(fù)合板料(7)放置在壓邊圈槽(5-2)的底面上，壓邊圈(2)下移至壓邊圈(2)的下端面距復(fù)合板料(7)的上端面0.5mm 2mm處，對(duì)壓邊圈⑵施加壓邊力FBH為5kN 200kN ； 步驟二、凸模(I)下移到復(fù)合板料(J)的上表面，同時(shí)由上進(jìn)液道(2-1)向液體通道(6)內(nèi)施加正向液體，其正向液體壓力Pl為2MPa 50MPa，由下進(jìn)液道(5_3)向凹模腔(5-1)內(nèi)施加反向液體，其反向液體壓力P2應(yīng)大于1.5倍正向液體壓力P1、小于IOOMPa^后通過(guò)線(xiàn)圈⑷對(duì)復(fù)合板料(7)的法蘭外緣施加徑向電磁力Fd為IOMPa IOOMpa ； 步驟三、復(fù)合板料(7)在反向壓力Fp2、正向壓力Fpl、徑向電磁力Fd聯(lián)合作用下成形，當(dāng)凸模(I)達(dá)到使復(fù)合板料(7)成形后的行程時(shí)，即完成零件的成形； 步驟四、成形結(jié)束后，先卸載正向液體壓力P1、再卸載反向液體壓力P2，凸模(I)回程，取出成形零件，即完成一個(gè)成形過(guò)程。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述異種金屬?gòu)?fù)合板材電磁輔助成形方法，其特征在于:所述步驟一中的復(fù)合板料(7)的材質(zhì)為低碳鋼、鋁合金、純鋁、不銹鋼、銅合金、鈦合金或鎂合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述異種金屬?gòu)?fù)合板材電磁輔助成形方法，其特征在于:所述步驟一中的復(fù)合板料(7)的厚度為1.0mm 4.0mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述異種金屬?gòu)?fù)合板材電磁輔助成形方法，其特征在于:所述步驟一中的復(fù)合板料(7)的厚度為2.0mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述異種金屬?gòu)?fù)合板材電磁輔助成形方法，其特征在于:所述步驟一中的復(fù)合板料(7)的厚度為3.0mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述異種金屬?gòu)?fù)合板材電磁輔助成形方法，其特征在于:所述步驟二中由上進(jìn)液道(2-1)向液體通道(6)內(nèi)施加正向液體壓力Pl為20MPa，由下進(jìn)液道(5_3)向凹模腔(5-1)內(nèi)施加反向液體壓力P2為30MPa，通過(guò)線(xiàn)圈(4)對(duì)復(fù)合板料(7)的法蘭外緣施加徑向電磁力Fd為50Mpa。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述異種金屬?gòu)?fù)合板材電磁輔助成形方法，其特征在于:所述步驟二中由上進(jìn)液道(2-1)向液體通道(6)內(nèi)施加正向液體壓力Pl為30MPa，由下進(jìn)液道(5_3)向凹模腔(5-1)內(nèi)施加反向液體壓力P2為45MPa，通過(guò)線(xiàn)圈(4)對(duì)復(fù)合板料(7)的法蘭外緣施加徑向電磁力Fd為60Mpa。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述異種金屬?gòu)?fù)合板材電磁輔助成形方法，其特征在于:所述步驟三中的成形過(guò)程中， 密封圈(3)應(yīng)保證在凸模(I)下行時(shí)上模腔的密封。
全文摘要
異種金屬?gòu)?fù)合板材電磁輔助成形裝置及其方法，它涉及一種復(fù)合板材成形的裝置及方法，以解決現(xiàn)有金屬?gòu)?fù)合板材拉深成形過(guò)程中，板材減薄嚴(yán)重直至破裂的問(wèn)題。裝置線(xiàn)圈設(shè)置在環(huán)形線(xiàn)圈槽中，壓邊圈的內(nèi)壁與圓柱之間設(shè)有液體通道，壓邊圈的側(cè)壁上橫向設(shè)有上進(jìn)液道，凹模的側(cè)壁上橫向設(shè)有下進(jìn)液道。方法一、將復(fù)合板料放在壓邊圈槽的底面上；二、向液體通道內(nèi)施加正向液體，向凹模腔內(nèi)施加反向液體，通過(guò)線(xiàn)圈對(duì)復(fù)合板料的法蘭外緣施加徑向電磁力Fd；三、復(fù)合板料在反向壓力Fp2、正向壓力Fp1、徑向電磁力Fd聯(lián)合作用下成形；四、先卸載正向液體壓力P1、再卸載反向液體壓力P2，凸模回程，取出成形零件。本發(fā)明用于異種金屬?gòu)?fù)合板材成形。
文檔編號(hào)B21D26/14GK103191971SQ20131011090
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月1日
發(fā)明者林俊峰, 李峰, 劉鋼, 苑世劍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)