本實用新型涉及材料高速成形技術領域，具體為一種高能率脈動沖擊液壓成形設備。

背景技術：

針對目前我國汽車、航空航天及核電等關鍵領域?qū)芰悴考妮p量化、無余量化、高精度及整體化發(fā)展的迫切需求，鎂、鋁、鈦等輕質(zhì)合金的復雜零件的研制已成為促進國民經(jīng)濟發(fā)展和推動國家安全保障水平提升所亟待解決的重要問題之一。但是上述輕質(zhì)合金都屬于難變形合金，在成形過程中容易發(fā)生起皺、破裂等現(xiàn)象，阻礙其廣泛應用。通過三種途徑可以改善上述難成形材料的成形性能：溫熱成形、高速成形和柔性成形。

溫熱成形可以提高難變形合金的成形能力，但是加熱過程中材料表面氧化會降低最終產(chǎn)品質(zhì)量，并且增加能耗提高成本，同時對于成形介質(zhì)耐熱性和安全性及工裝設備的熱穩(wěn)定性都提出了更高的要求。

高速成形和柔性介質(zhì)成形包括爆炸成形、電液成形、電磁成形、顆粒成形及液壓成形。爆炸成形對于大型零件的拉深、脹形有很好的效果，如果用于工業(yè)化批量生產(chǎn)，需要精確控制能量配比，效率難以提高。電液成形時，如果以水中爆絲獲得沖擊壓力，其不能連續(xù)放電，需每次換絲，增加了工藝復雜性。若以間隙放電獲得沖擊壓力，則對絕緣結(jié)構耐壓要求高。電磁成形的成形速度非常高，應變速率可達到10⁴s^-1，能夠極大的提高材料的成形性能，但是因電極尺寸的原因工件規(guī)格普遍相對較小，暫時未見用于汽車、航空及核電的板管類零件的制造加工。顆粒介質(zhì)填充成形的工作原理是剛性模具離散化，用于薄壁管彎管具有良好的效果，但該方法的工作效率不高，目前還無法應用于工業(yè)生產(chǎn)。液壓成形具有工裝少、成形零件質(zhì)量好、能夠整體成形復雜形狀零件等優(yōu)點、已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)諸多領域，但是由于升壓速度無法得到較大的提升，因此仍屬于準靜態(tài)成形范圍，無法使難變形材料的成形性能獲得顯著提高，同時成形凸筋等局部小特征需要很高的壓力，增加了對增壓器和密封等方面的要求。

近年來有學者研發(fā)了一種沖擊液壓復合成形工藝，該工藝用于解決小特征成形困難的問題，把沖擊成形作為液壓成形的輔助工藝，但是需要分別提供兩套獨立的液壓源和沖擊源，增加了工序和成本。另外有研究報道提出一種基于電樞發(fā)射體的高速沖擊成形，其沖擊過程使用了兩個沖擊體，包括：電樞發(fā)射體和高速推動桿，在沖擊過程中能量會有損失，且成形介質(zhì)是橡膠，其柔性較液體介質(zhì)差。還有學者提出了一種金屬薄壁管沖擊液壓脹形裝置，其成形原理是利用上下模具閉合過程對預先封滿液體的金屬管進行成形，本質(zhì)上屬于沖壓成形而非沖擊液壓成形，并且成形速率仍屬于準靜態(tài)范疇。前人研究中均未提到循環(huán)脈動式?jīng)_擊作用，以及針對沖擊頻率和沖擊能量的調(diào)控功能，而實際上受材料和尺寸結(jié)構等限制，很多工件如果嘗試一次成形到位時，很容易產(chǎn)生破裂和起皺現(xiàn)象。因此，通過將變形量合理分配到多個道次的漸進式的高速脈動沖擊液壓成形能夠很好的解決工藝缺陷的發(fā)生。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有成形技術中存在的不足之處，本實用新型提供一種高能率脈動沖擊液壓成形設備，該設備結(jié)合了高速沖擊成形和脈動液壓成形二者的優(yōu)勢，通過多次沖擊完成零件的漸進成形。該設備所用設備主要由蓄能器，動力油腔體、沖擊體、運行腔體、壓邊液壓缸、液體工作介質(zhì)、坯料、模具、機體組成。單次沖擊過程為：通過蓄能器產(chǎn)生高速高壓的液壓源，從而驅(qū)動沖擊體高速運動，當沖擊體快速沖擊液體介質(zhì)時，沖擊體的動能瞬時轉(zhuǎn)化為液體介質(zhì)的壓力能，使工件完成快速變形。該設備能夠精確控制總的輸出能量從而精確控制能量傳遞比率，即用于工件成形的能量，可經(jīng)多次脈動沖擊成形出所需零件形狀。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所采用的技術方案如下：

一種高能率脈動沖擊液壓成形設備，該設備包括機體、成形模具、成形介質(zhì)、壓邊液壓缸、沖擊體、動力油腔體和蓄能器；其中：所述沖擊體由上端、中間段和下段組成；所述動力油腔體內(nèi)蓄滿液體介質(zhì)，動力油腔體內(nèi)設置筒狀空腔，所述沖擊體的上端能夠在該筒狀空腔內(nèi)沿其內(nèi)壁軸向滑動；所述沖擊體的中間段與筒狀空腔的內(nèi)壁之間形成閉合間隙；所述動力油腔體的底端與所述運行腔體相連接，所述沖擊體的下段能夠沿運行腔體內(nèi)壁滑動；所述沖擊體下段中的一部分能夠與運行腔體內(nèi)壁之間形成環(huán)狀空間，所述壓邊液壓缸能夠在該環(huán)狀空間內(nèi)滑動；所述運行腔體的底端固定在所述機會上；所述機體上還安裝成形模具，用于裝配坯料及成形零件；所述壓邊液壓缸對成形模具壓邊或合模后，坯料與壓邊液壓缸之間形成內(nèi)腔用于裝入成形介質(zhì)。

所述動力油腔體內(nèi)的液體介質(zhì)用于供給蓄能器，同時蓄能器內(nèi)的液體介質(zhì)能夠返回動力油腔體內(nèi)。所述蓄能器為兩個，分別為沖擊行程蓄能器和返回行程蓄能器，所述沖擊行程蓄能器與所述筒狀空腔相連接，并能向其內(nèi)提供沖擊行程高速高壓液體介質(zhì)，該沖擊行程高速高壓液體介質(zhì)驅(qū)動所述沖擊體高速運動；所述返回行程蓄能器與所述閉合間隙相連接，并能向其內(nèi)提供返回行程高速高壓液體介質(zhì)，該返回行程高速高壓液體介質(zhì)驅(qū)動所述沖擊體作返程運動。

所述沖擊體通過高速運動沖擊成形介質(zhì)，在成形介質(zhì)產(chǎn)生的瞬時高壓作用下使待成形坯料發(fā)生塑性變形并最終貼合模具，通過多次脈動式?jīng)_擊成形介質(zhì)，從而使坯料漸進成形出所需零件外形特征。

所述成形介質(zhì)為液體、橡膠、顆?；蛘咭后w和顆粒的混合物。所述成形介質(zhì)的體積能夠在壓邊液壓缸的內(nèi)腔容積范圍內(nèi)任意調(diào)控。

所述坯料為板材或管材。

本實用新型設備具有以下優(yōu)點和有益效果：

1、成形時間短：300μs-600μs。升壓速度快：理論液體壓力峰值80MPa-100MPa，升壓速度約為1.7×10⁷MPa/s-3.3×10⁷MPa/s，具有瞬時高壓的特點。

2、該設備可以精確控制總的輸出能量、能量傳遞比率即用于工件成形的能量，每道次的變形量。

3、對于小特征零件具有良好的成形能力，降低了對增壓器等設備的要求。

4、材料處于動態(tài)載荷狀態(tài)，能夠提高材料成形極限，因此可用于成形鎂、鋁、鈦等難成形合金的精密成形。

附圖說明

圖1為高能率脈動沖擊液壓成形的四種工作模式示意圖。

圖2為板材放入、壓邊液壓缸工作(合模)、及充液階段。

圖3為本實用新型第一次沖擊階段。

圖4為本實用新型第一次沖擊后返回階段。

圖5為本實用新型最后沖擊階段。

圖6為管材放入、壓邊液壓缸工作(合模)、及充液階段。

圖7為管材成形的最后沖擊階段。

圖中：1-沖擊行程蓄能器，2-返回行程蓄能器，3-動力油腔體，4-沖擊體，5-運行腔體，6-壓邊液壓缸，7-機體，8-板材模具，9-板材，10-成形介質(zhì)，11-沖擊行程高速高壓液壓介質(zhì)，12-返回行程高速高壓液壓介質(zhì)，13-管材模具，14-管材。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖及實施例詳述本實用新型。

本實施新型設備是通過高速運動的沖擊體沖擊液體介質(zhì)，在液體介質(zhì)產(chǎn)生的瞬時高壓作用下迫使工件發(fā)生塑性變形并最終貼合模具的高速柔性成形設備。該設備可以通過多次脈動式?jīng)_擊液體介質(zhì)，從而使工件漸進成形出所需的零件外形特征。

本實用新型設備所用蓄能器分為沖擊行程蓄能器和返回行程蓄能器。沖擊行程蓄能器用于產(chǎn)生高速高壓液壓源，用于驅(qū)動沖擊體產(chǎn)生高速運動；返回行程蓄能器用于沖擊體回程，當一個沖擊行程結(jié)束以后，返回行程蓄能器產(chǎn)生高速高壓液體，驅(qū)動沖擊體快速回程。

該設備所用運行腔體用于連接機體和沖擊液壓源控制裝置并向沖擊液壓源控制裝置提供結(jié)構支撐，同時向沖擊體提供運行空間，保證沖擊方向的準確性。同時也為壓邊液壓缸提供結(jié)構支撐。

該設備所用壓邊液壓缸是液壓動力。對于板材可以實現(xiàn)壓邊力，對于管材和型材可以實現(xiàn)合模力，具體作用要依據(jù)模具類型而定。

該設備所用液體工作介質(zhì)不僅限于液體、同時還可以使用橡膠等柔性介質(zhì)，也可以使用離散介質(zhì)，例如顆粒、液體和顆粒不同比例的混合系統(tǒng)介質(zhì)。具體選擇需根據(jù)不同的成形材料、變形量、成形零件的結(jié)構進行選擇。

該設備所用工件類型包括：板材、管材、型材。成形不同類型的工件需對模具結(jié)構、成形介質(zhì)等做相應調(diào)整即可。

該設備所用機體結(jié)構用于為其他結(jié)構和零部件提供支撐和裝配，并在一定程度上實現(xiàn)減震功能。

高能率脈動沖擊液壓成形的主要參數(shù)包括沖擊頻率和沖擊能量。不同沖擊頻率下，在沖擊間隔時間內(nèi)材料的恢復行為不同，不同沖擊能量材料的變形程度不同，本實用新型脈動沖擊液壓成形有以下4種工作模式，見圖1，分別是：頻率和能量都固定(a)、頻率固定能量變化(b)、能量固定頻率變化(c)、頻率和能量都變化(d)。

成形過程中，脈動沖擊頻率可在10次/分鐘-100次/分鐘內(nèi)調(diào)節(jié)，沖擊源能量提供方式為高速高壓液體，通過控制蓄能器進而控制沖擊體的沖擊速度和能量，沖擊能量可達10KJ-100KJ，沖擊速度可達10m/s-50m/s，通過全液壓驅(qū)動方式控制沖擊體的高速下落沖擊和返回運動。成形過程是動態(tài)載荷過程，材料的應變速率可達10³s^-1以上。

高能率脈動沖擊液壓成形的其他兩個重要參數(shù)是壓邊力和液體介質(zhì)體積，壓邊力需要根據(jù)最大成形壓力進行設定，液體介質(zhì)體積決定了用于材料成形的能量傳遞比率。壓邊液壓缸的壓邊力(合模力)的調(diào)節(jié)范圍為200t-500t。沖擊頻率、沖擊能量、壓邊力、液體介質(zhì)體積都可以調(diào)節(jié)。

該實用新型所述高能率脈動沖擊液壓成形過程分為以下幾個階段：

(1)準備階段，過程為：將模具安裝于機體；

(2)放料階段，過程為：坯料放于模具；

(3)壓邊(合模)階段：壓邊液壓缸下行，施加壓邊力；

(4)充液階段：充入一定體積的工作介質(zhì)；

(5)第一次沖擊行程：沖擊行程蓄能器供給高壓高速液壓源，高壓高速液壓源驅(qū)動沖擊體產(chǎn)生高速運動，高速運動的沖擊體沖擊液體介質(zhì)，液體介質(zhì)產(chǎn)生瞬時高壓，瞬時高壓驅(qū)動板材變形；

(6)第一次返回行程：返回行程蓄能器供給高壓高速液壓源，驅(qū)動沖擊體產(chǎn)生高速運動返回。

(7)中間沖擊行程及返回行程：根據(jù)材料的變形程度，進行第二次，第三次沖擊，每次沖擊行程和返回行程如步驟(5)-(6)所述，成形過渡形。

(8)完成零件終成形，整個脈動沖擊液壓成形過程結(jié)束。

實施例1

本實施例以一種典型板材零件為例，結(jié)合圖2-5說明本實用新型的具體實施方案。

(1)參數(shù)制定階段，根據(jù)材料和零件要求，制定沖擊頻率，沖擊能量，充液量，壓邊力；例如1mm厚屈服強度300MPa延伸率50％的金屬板材，采用三次沖擊，每次沖擊能量16KJ，沖擊速度20m/s，所需成形零件型腔體積2L，實際充入工作介質(zhì)3L，壓邊力150t。

(2)準備階段，如圖2，過程為：將板材模具8安裝于機體7，并精確定位，以便沖擊成形過程中沖擊體4和板材模具8型腔具有良好的同軸度；

(3)放料階段，如圖2，過程為：板材9放于板材模具8中并定位；

(4)壓邊(合模)階段，如圖2，過程為：壓邊液壓缸6下行，根據(jù)成形需求，施加預設的壓邊力F；

(5)充液階段，如圖2，過程為：根據(jù)成形需求，充入一定體積的液體介質(zhì)10；

(6)第一次沖擊行程，如圖3，過程為：沖擊行程蓄能器1供給沖擊行程高速高壓液壓介質(zhì)11，沖擊行程高速高壓液壓介質(zhì)11驅(qū)動沖擊體4產(chǎn)生高速運動，高速運動的沖擊體4沖擊液體介質(zhì)10，液體介質(zhì)10產(chǎn)生瞬時高壓，瞬時高壓驅(qū)動板材9變形；

(7)第一次返回行程，如圖4，過程為：高返回行程蓄能器2供給返回行程高速高壓液壓介質(zhì)12，返回行程高速高壓液壓介質(zhì)12驅(qū)動沖擊體4產(chǎn)生高速運動返回。

(8)中間沖擊行程及返回行程：根據(jù)成形需求進行第二次，第三次沖擊，每次沖擊行程和返回行程如步驟(5)-(6)所述，成形過渡形。

(9)完成零件終成形，如圖5，整個脈動沖擊液壓成形過程結(jié)束。

實施例2

本實施例以一種典型管材零件為例，結(jié)合圖6-7詳述本實用新型。

采用上述高能率脈動沖擊液壓成形設備，難成形材料管材的成形過程和實施例1中板材零件的成形過程相同，其中管材模具13的作用同板材模具8，管材14的作用同板材9。