CN103191971A - 异种金属复合板材电磁辅助成形装置及其方法 - Google Patents

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李峰
刘钢
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Abstract

异种金属复合板材电磁辅助成形装置及其方法，它涉及一种复合板材成形的装置及方法，以解决现有金属复合板材拉深成形过程中，板材减薄严重直至破裂的问题。装置：线圈设置在环形线圈槽中，压边圈的内壁与圆柱之间设有液体通道，压边圈的侧壁上横向设有上进液道，凹模的侧壁上横向设有下进液道。方法：一、将复合板料放在压边圈槽的底面上；二、向液体通道内施加正向液体，向凹模腔内施加反向液体，通过线圈对复合板料的法兰外缘施加径向电磁力Fd；三、复合板料在反向压力Fp2、正向压力Fp1、径向电磁力Fd联合作用下成形；四、先卸载正向液体压力P1、再卸载反向液体压力P2，凸模回程，取出成形零件。本发明用于异种金属复合板材成形。

Description

异种金属复合板材电磁辅助成形装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种复合板材成形的装置及方法，具体涉及一种应用电磁辅助提高异种金属复合板成形极限的成形方法。
背景技术
随着现代工业技术的发展和各种新技术、新产业的出现，人们对材料性能的要求日益增高，在某些特殊条件下，单一组元材料的性能已经很难满足使用要求。通过各种不同的连接方法将单一金属材料复合为一体，制备成金属复合板，这种经过合理设计组合后的层状复合板结合了不同金属组元各自的优点，得到了单层金属材料所不具有的物理、化学性能以及力学特性，满足高强度、高比刚度、抗疲劳性、尺寸稳定、耐磨、抗振等性能的要求，同时节省了稀有贵重材料，降低了生产成本。由于复合板具有良好的综合性能及优越的性价比，国内外都非常重视它的研究与开发。在品种方面，根据不同的材料服役条件，开发了钛系列、不锈钢系列、铝系列、铜系列复合板等，在成形工艺方面则研究了如***复合法、轧制复合法、扩散连接法、液固相复合法等方法。液相复合法、半固态压力复合法等先进方法的出现，使大批量、连续化生产金属复合板成为可能、降低了复合板的制造成本，并具有很高的性价比。由此，金属复合板的成形方法成为材料加工领域下一步的研究重点。金属复合板的成形比单一金属板材成形复杂得多，它不仅需要考虑成形的相关工艺因素，还要考虑金属板料各组元的塑性力学性能及变形协调能力。在成形过程中会造成上下两层板变形不协调，容易产生错动和起皱，其成形机理远比单层板复杂。
传统的板材液压成形是在成形板料的下表面施加液体压力，使坯料在液体压力作用下贴靠凸模，来实现金属板材零件的成形，如图2所示。为解决锥形件和球底筒形件等成形过程中过低反向压力容易导致凸模圆角破裂和过高反向压力导致悬空区破裂的问题，采用了正反向加压充液拉深方法，就是在成形坯料的上表面也施加液压来配合底部的充液拉深，形成双面加压复合成形。上表面的正向压力可以部分甚至全部抵消底部反向压力导致的反胀，允许施加更大的反向压力抑制减薄，提高成形极限。但是正向压力的存在虽然能提高反向压力的数值，同时也减少了板料与凸模间的有益摩擦力的作用，其正反作用相互抵消，因此双向加压对于提高板料极限拉深比的效果是有限的。
传统的径向力施加方法，如图3所示，是将液室压力引到坯料法兰外缘实现径向加载，径向压力与液室压力相等，且不能独立调节。相比较通过液压***施加径向液压力的方法，使用磁脉冲成形装置，更为简单高效，易于控制，而且节约成本和场地。
发明内容
本发明的目的是为解决现有金属复合板材拉深成形过程中出现的成形极限低，导致板材在成形过程中减薄严重直至破裂的问题，而提供一种异种金属复合板材电磁辅助成形装置及其方法。
本发明的是通过以下技术方案来实现的：
装置：所述装置包括凸模、压边圈、密封圈、线圈和凹模，所述凹模的上端面由里向外设有凹模腔和压边圈槽，压边圈槽的底面上设有环形线圈槽，线圈设置在环形线圈槽中，压边圈的内侧壁上设有环形密封圈槽，凸模的冲头为圆台，凸模的尾部为圆柱，压边圈套装在圆柱上，且压边圈的内壁与圆柱之间设有液体通道，密封圈套装在圆柱上且设置在环形密封圈槽中，压边圈的侧壁上横向设有上进液道，凹模的侧壁上横向设有下进液道，凸模和压边圈位于凹模的上方，且凸模与凹模腔正对，压边圈与压边圈槽正对。
方法：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、将复合板料放置在压边圈槽的底面上，压边圈下移至压边圈的下端面距复合板料的上端面0.5mm～2mm处，对压边圈施加压边力FBH为5kN～200kN；
步骤二、凸模下移到复合板料的上表面，同时由上进液道向液体通道内施加正向液体，其正向液体压力P1为2MPa～50MPa，由下进液道向凹模腔内施加反向液体，其反向液体压力P2应大于1.5倍正向液体压力P1、小于100MPa，然后通过线圈对复合板料的法兰外缘施加径向电磁力Fd为10MPa～100Mpa；
步骤三、复合板料在反向压力Fp2、正向压力Fp1、径向电磁力Fd联合作用下成形，当凸模达到使复合板料成形后的行程时，即完成零件的成形；
步骤四、成形结束后，先卸载正向液体压力P1、再卸载反向液体压力P2，凸模回程，取出成形零件，即完成一个成形过程。
本发明具有以下有益效果：
一、利用本发明的装置完成异种金属复合板材电磁辅助成形方法，该方法是在板料的上下表面都施加液压的基础上，再通过线圈对复合板料的法兰外缘放电来实现的，可以根据加载曲线进行主动实时控制，使径向电磁力与正反液压力的匹配，径向压力推动板料的法兰外缘向下流动，参与凸模底部板料的积极变形，从而使拉深变形更容易进行，实现趋于均匀的应变分布，从而最大限度地提高板材的成形性能，尤其适用于异种金属复合板材。本发明的方法降低了变形区的径向拉应力，避免了破裂的产生，并形成双面流体润滑效果，使板材处于较好的变形状态而提高了其成形性。双向压力和径向力的耦合作用，延迟了复合板的牵引变形和内部空洞的形成长大，提高了其成形极限。在法兰外缘施加径向电磁力，随着径向力的增加，坯料变形区的径向拉应力降低、切向压应力增加，有利于坯料的流动、变形，避免了严重减薄。
二、本发明可以延迟复合板材的牵引变形和界面的粘滞作用，在复合板的上、下表面形成压差，降低了变形区的径向拉应力，避免了破裂的产生，并形成双面流体润滑效果，提高了复合板的成形极限和成形件壁厚分布的均匀性。并且由于反向压力的提高使复合板材构件的贴模性、形状稳定性好，液压卸载后回弹小，尺寸精度高。
三、本发明方法的成形构件的壁厚分布相对传统成形方法而言更为均匀。因此该方法可以弥补材料成形性能方面的不足，节省工序、提高效率，为异种金属复合板构件的高精度成形提供新的途径。
附图说明
图1是具体实施方式一的结构主剖视图，图2是传统的充液拉深成形的原理示意图，图3是传统的径向力施加方法的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括凸模1、压边圈2、密封圈3、线圈4和凹模5，所述凹模5的上端面由里向外设有凹模腔5-1和压边圈槽5-2，压边圈槽5-2的底面上设有环形线圈槽5-2-1，线圈4设置在环形线圈槽5-2-1中，压边圈2的内侧壁上设有环形密封圈槽2-2，凸模1的冲头为圆台1-1，凸模1的尾部为圆柱1-2，压边圈2套装在圆柱1-2上，且压边圈2的内壁与圆柱1-2之间设有液体通道6，密封圈3套装在圆柱1-2上且设置在环形密封圈槽3-1中，压边圈2的侧壁上横向设有上进液道2-1，凹模5的侧壁上横向设有下进液道5-3，凸模1和压边圈2位于凹模5的上方，且凸模1与凹模腔5-1正对，压边圈2与压边圈槽5-2正对。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的上进液道2-1与下液体通道6-1上、下正对设置。其它连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：
步骤一、将复合板料7放置在压边圈槽5-2的底面上，压边圈2下移至压边圈2的下端面距复合板料7的上端面0.5mm～2mm处，对压边圈2施加压边力FBH为5kN～200kN；
步骤二、凸模1下移到复合板料7的上表面，同时由上进液道2-1向液体通道6内施加正向液体，其正向液体压力P1为2MPa～50MPa，由下进液道5-3向凹模腔5-1内施加反向液体，其反向液体压力P2应大于1.5倍正向液体压力P1、小于100MPa(即100MPa≥P2≥P1)，然后通过线圈4对复合板料7的法兰外缘施加径向电磁力Fd为10MPa～100Mpa；电磁成形是利用瞬间的高压脉冲磁场对制件进行间接或直接加工的高速率成形工艺，由于其能量易于控制，可以方便的实现实时高速成形，可以方便的实现各种工艺参数和成形过程的控制。
步骤三、复合板料7在反向压力Fp2、正向压力Fp1、径向电磁力Fd联合作用下成形，当凸模1达到使复合板料7成形后的行程时，即完成零件的成形；
成形过程中，根据成形零件的形状和材料特性，可调整正向液体压力P1、反向液体压力P2和径向电磁力Fd的数值大小，以形成不同的正向压力Fp1、反向压力Fp2和径向电磁力Fd的组合；调整正向液体压力P1、反向液体压力P2和径向电磁力Fd数值的目的是为了获得最佳的工艺参数组合，即正向液体压力P1、反向液体压力P2和径向电磁力Fd之间最佳的配合关系，例如：对于材料为5A06铝合金和20号钢组成的复合板材，成形为圆筒形零件时，最佳的参数组合为正向液体压力P1＝20MPa、反向液体压力P2＝40MPa、径向电磁力Fd＝25MPa，在此参数组合下成形后的零件壁厚的减薄率最小。
步骤四、成形结束后，先卸载正向液体压力P1、再卸载反向液体压力P2，凸模1回程，取出成形零件，即完成一个成形过程。
径向电磁力Fd的施加是通过嵌在凹模中的线圈4放电来实现的，可以根据加载曲线进行主动实时控制，使径向电磁力Fd与正反压力达到最佳匹配，径向电磁力Fd推动复合板料7的法兰外缘向下流动，参与凸模底部复合板料7的积极变形，从而使拉深变形更容易进行，实现趋于均匀的应变分布，从而最大限度地提高板材的成形性能，尤其适用于异种金属复合板材。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤一中的复合板料7的材质为低碳钢、铝合金、纯铝、不锈钢、铜合金、钛合金或镁合金。其他步骤与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤一中的复合板料7的厚度为1.0mm～4.0mm。其他步骤与具体实施方式三或四相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤一中的复合板料7的厚度为2.0mm。其他步骤与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤一中的复合板料7的厚度为3.0mm。其他步骤与具体实施方式五相同。
具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤二中由上进液道2-1向液体通道6内施加正向液体压力P1为20MPa，由下进液道5-3向凹模腔5-1内施加反向液体压力P2为30MPa，通过线圈4对复合板料7的法兰外缘施加径向电磁力Fd为50Mpa。其他步骤与具体实施方式三相同。
具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤二中由上进液道2-1向液体通道6内施加正向液体压力P1为30MPa，由下进液道5-3向凹模腔5-1内施加反向液体压力P2为45MPa，通过线圈4对复合板料7的法兰外缘施加径向电磁力Fd为60Mpa。其他步骤与具体实施方式三相同。
具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤三中的成形过程中，密封圈3应保证在凸模1下行时上模腔的密封。其他步骤与具体实施方式三相同。

Claims (10)

1.一种异种金属复合板材电磁辅助成形装置，其特征在于：所述装置包括凸模(1)、压边圈(2)、密封圈(3)、线圈(4)和凹模(5)，所述凹模(5)的上端面由里向外设有凹模腔(5-1)和压边圈槽(5-2)，压边圈槽(5-2)的底面上设有环形线圈槽(5-2-1)，线圈(4)设置在环形线圈槽(5-2-1)中，压边圈(2)的内侧壁上设有环形密封圈槽(2-2)，凸模(1)的冲头为圆台(1-1)，凸模(1)的尾部为圆柱(1-2)，压边圈(2)套装在圆柱(1-2)上，且压边圈(2)的内壁与圆柱(1-2)之间设有液体通道(6)，密封圈(3)套装在圆柱(1-2)上且设置在环形密封圈槽(3-1)中，压边圈(2)的侧壁上横向设有上进液道(2-1)，凹模(5)的侧壁上横向设有下进液道(5-3)，凸模(1)和压边圈(2)位于凹模(5)的上方，且凸模(1)与凹模腔(5-1)正对，压边圈(2)与压边圈槽(5-2)正对。
2.根据权利要求1所述异种金属复合板材电磁辅助成形装置，其特征在于：上进液道(2-1)与下液体通道(6-1)上、下正对设置。
3.一种利用权利要求1所述装置实现异种金属复合板材电磁辅助成形方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、将复合板料(7)放置在压边圈槽(5-2)的底面上，压边圈(2)下移至压边圈(2)的下端面距复合板料(7)的上端面0.5mm～2mm处，对压边圈(2)施加压边力FBH为5kN～200kN；
步骤二、凸模(1)下移到复合板料(7)的上表面，同时由上进液道(2-1)向液体通道(6)内施加正向液体，其正向液体压力P1为2MPa～50MPa，由下进液道(5-3)向凹模腔(5-1)内施加反向液体，其反向液体压力P2应大于1.5倍正向液体压力P1、小于100MPa，然后通过线圈(4)对复合板料(7)的法兰外缘施加径向电磁力Fd为10MPa～100Mpa；
步骤三、复合板料(7)在反向压力Fp2、正向压力Fp1、径向电磁力Fd联合作用下成形，当凸模(1)达到使复合板料(7)成形后的行程时，即完成零件的成形；
步骤四、成形结束后，先卸载正向液体压力P1、再卸载反向液体压力P2，凸模(1)回程，取出成形零件，即完成一个成形过程。
4.根据权利要求3所述异种金属复合板材电磁辅助成形方法，其特征在于：所述步骤一中的复合板料(7)的材质为低碳钢、铝合金、纯铝、不锈钢、铜合金、钛合金或镁合金。
5.根据权利要求3或4所述异种金属复合板材电磁辅助成形方法，其特征在于：所述步骤一中的复合板料(7)的厚度为1.0mm～4.0mm。
6.根据权利要求5所述异种金属复合板材电磁辅助成形方法，其特征在于：所述步骤一中的复合板料(7)的厚度为2.0mm。
7.根据权利要求5所述异种金属复合板材电磁辅助成形方法，其特征在于：所述步骤一中的复合板料(7)的厚度为3.0mm。
8.根据权利要求3所述异种金属复合板材电磁辅助成形方法，其特征在于：所述步骤二中由上进液道(2-1)向液体通道(6)内施加正向液体压力P1为20MPa，由下进液道(5-3)向凹模腔(5-1)内施加反向液体压力P2为30MPa，通过线圈(4)对复合板料(7)的法兰外缘施加径向电磁力Fd为50Mpa。
9.根据权利要求3所述异种金属复合板材电磁辅助成形方法，其特征在于：所述步骤二中由上进液道(2-1)向液体通道(6)内施加正向液体压力P1为30MPa，由下进液道(5-3)向凹模腔(5-1)内施加反向液体压力P2为45MPa，通过线圈(4)对复合板料(7)的法兰外缘施加径向电磁力Fd为60Mpa。
10.根据权利要求3所述异种金属复合板材电磁辅助成形方法，其特征在于：所述步骤三中的成形过程中，密封圈(3)应保证在凸模(1)下行时上模腔的密封。
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