CN111069395B - 电脉冲触发含能材料的金属管件精密成形装置及成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电脉冲触发含能材料的金属管件精密成形装置及成形方法，包括电脉冲放电设备、液压机、左/右瓣模、正负电极、含能棒及充液设备。本发明采用的是小型电脉冲触发金属丝放电装置，通过金属丝电脉冲放电触发含能材料，成功地实现含能材料的释能，解决了由于电液成形高的放电电压导致设备能量等级急剧升高，放电回路电流加大，对设备的储能和耐压要求增加，设备处于高载荷状态，增加了放电成形加工的危险性，且设备存在体积大、成本高、使用寿命短等问题；初创性地提出了将含能材料运用于金属成形领域，制作的小剂量、安全可控的含能棒用于难成形金属管件的精密成形，实现了管件的高速率成形，提高难成形管件的塑性变形能力。
Description
技术领域
本发明涉及金属管件塑性成形技术领域，特别是涉及一种电脉冲触发含能材料的金属管件精密成形装置及成形方法。
背景技术
随着我国制造业的迅速崛起，对局部特征难成形金属管件的技术要求越来越高，再者金属管制品应用面十分广泛，大到航空航天、船舶、汽车等领域，小到手机、家用电器等精密成形件。对于难成形金属管件成形局部特征零件时，由于大部分难成形金属材料在室温下成形性差等因素不利于成形（如航空用材2055、2195铝合金、钛合金材料管件、汽车用高强钢DP600、DP780、DP980等）。目前最有效的成形方法有：热辅助成形、液压成形、电液成形等，各工艺对比发现，热辅助成形虽可提高金属管件的塑性，但模具设计复杂，耗能巨大，周期长等问题。液压成形过程中当内压太大导致管件局部特征区域发生破裂，且模具体积大，成本高。电液成形虽属于高速率成形，在一定程度上可以提高管件的塑性变形能力，但设备体积大，投资成本高，当设备放电电压过大时，导致回路电流加大，载荷过高，成形加工存在不安全风险和设备寿命低，所以放电电压受限导致能量具有上限峰值，不利于难成形管件的变形。而对于含能材料而言，由于其具有高能量密度、高生成焓，在反应的过程中进行独立的化学反应释放大量能量，且能量转换效率高，***产物清洁无污染等众多优势。然而，目前含能材料多用于国防工业、火***、火箭推进剂、火工烟火药剂等领域，由于传统的含能材料（如***）体量大、钝感高、危险性大，受工作地点、试验条件和安全性等因素的影响，导致其应用受到极大的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种电脉冲触发含能材料的金属管件精密成形装置及成形方法，以解决上述现有技术存在的问题，利用小型的电脉冲放电设备触发低钝感的新型含能材料在水下释能使难成形金属管件完成精密成形。降低了电脉冲放电设备体积、成本，使设备小型化，移动便捷，单参数操作，增加试验的灵活性；成功的将低钝感高能量密度的新型含能材料运用于金属管件塑性成形领域，研制小剂量、安全、可控的含能混合物实现了能量等级的跨越，提高了难成形金属管件的成形精度和塑性变形能力。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种电脉冲触发含能材料的金属管件精密成形装置，包括电脉冲放电设备和成形模具，所述成形模具包括上模板、下模板、左瓣模和右瓣模，管坯放置在左右瓣模之间，左右瓣模顶部与上模板分别设有台阶，利用所述上模板配合液压机进行轴向固定管坯，左右瓣模上开设有与真空泵连接的排气孔；所述上模板和下模板的中轴线位置分别固定有正负电极，穿设于管坯内腔的含能棒位于所述正负电极之间，所述正负电极与所述电脉冲放电设备相连接；管坯的内腔与外部的充液设备相连接。
优选的，所述左瓣模和右瓣模上安装有定位销，分别通过左液压缸和右液压缸推动所述左瓣模和右瓣模进行定位合模。
优选的，所述正负电极的外部攻有螺纹，将电极旋入绝缘套后再通过螺纹钢套将正负电极分别旋入固定在所述上模板和下模板的中轴线位置。
优选的，所述绝缘套与螺纹钢套的接触部位设有一号密封圈，所述绝缘套与所述上模板或下模板的接触部位设有二号密封圈；所述管坯与上下模板同轴线放置，所述管坯与所述上模板和下模板的接触部位分别设置有三号L型密封圈和四号L型密封圈。
优选的，所述含能棒包括含能材料、金属丝和绝缘管，将制备好的含能材料装入绝缘管内，所述绝缘管的两端分别用上端塞和下端塞通过胶接密封形成所述含能棒。
优选的，所述金属丝的直径为0.1-1.0mm，有效放电长度为10-300mm；所述绝缘管为有机玻璃管或硅胶管，壁厚1-3mm，有效长度为10-300mm，直径为6、8和10mm三种尺寸中的任一种；所述含能材料主要由铝粉、硝酸铵、高氯酸铵、氧化铜、聚四氟乙烯、镍粉中的两种或两种以上按比例混合而成。
本发明还提供一种电脉冲触发含能材料的金属管件精密成形方法，应用于上述的电脉冲触发含能材料的金属管件精密成形装置，包括以下步骤：
步骤1、检查含能棒、正负电极，安装待成形金属管坯。首先放置三、四号L型密封圈于上下模板的指定位置，再将管坯固定在下模板的圆形凹槽处，通过左右液压缸合模固定管坯；
步骤2、安装含能棒，将含能棒的下端塞卡入负电极，正电极安装在上模板上，通过液压机对模具进行轴向压紧固定，保证上下电极和管坯同轴；
步骤3、将正负电极引出线连接脉冲电流放电设备，接通充液设备对成形型腔充入定量液体介质；
步骤4、启动真空泵使成形型腔达到真空状态；
步骤5、检查放电回路的线路连接状态，回路处于“导通”状态，即可进行充放电操作；
步骤6、放电之前需要对脉冲电流放电设备的储能电容b进行充电，充电结束后闭合辅助间隙a开始对含能棒进行放电加工；
步骤7、放电结束后打开液体回流通道回收废液；
步骤8、启动液压机开模，首先通过液压机轴向向上卸载上模板，再利用左右液压缸进行开模，最后取出金属管件，完管件成形工作。
优选的，步骤2的含能棒下端塞设有凹槽，将负电极卡入下端塞凹槽内，使含能棒处于中轴固定状态，正电极端头设有弹球装置，便于与含能棒上端塞半圆形凹槽进行轴向安装配合，锁定含能棒；
步骤3的充液设备充入的液体介质为水，且体积与管坯成形型腔的体积大小相同；步骤6的脉冲电流放电设备放电参数选取范围为：放电电容为1-1000μF，放电电压为1-30kV。
优选的，步骤6的脉冲电流对含能棒的放电过程是首先对储能电容器组充电到预设电压，再闭合辅助间隙，电容器通过正负电极和金属丝放电产生脉冲大电流，金属丝在脉冲电流的作用下产生短路并迅速升温、融化、汽化产生纳米级的等离子体，等离子体快速扩散进入微米或纳米级的含能材料间隙内并触发含能材料能量的释放；金属丝触发含能材料释量产生强大的冲击波及能量作用于水介质，使水介质获得高动能后借助惯性作用压迫金属管件完成塑性变形。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提出了电脉冲触发新型含能材料的金属管件精密成形装置及成形方法，为难成形金属管件的成形提供了一条可行性思路。为了降低含能材料的钝感，提高含能材料的安全性，本发明研制了小剂量（含能材料总质量不大于10克），低感度（能量高而感度低的氧化剂或低感度的含能黏合剂或低感度的含能增塑剂）、安全（以此达到钝感安全性）、可控的含能混合物用于金属管件生产制造。此外，本发明属于电液成形范畴，初创性的提出了利用小型的电脉冲放电设备触发低钝感的新型含能材料在水下释能使难成形金属管件完成精密成形。本发明的特点是降低了电脉冲放电设备体积、成本，使设备小型化，移动便捷，单参数操作，增加试验的灵活性；成功的将低钝感高能量密度的新型含能材料运用于金属管件塑性成形领域，研制小剂量、安全、可控的含能混合物实现了能量等级的跨越，提高了难成形金属管件的成形精度和塑性变形能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为电脉冲触发含能材料金属管件成形装置示意图；
图2所示为含能棒整体示意图；
图3所示为正极与含能棒下端塞连接区局部放大图；
图4所示为负极与含能棒上端塞连接区局部放大图；
图5所示为右瓣模主视图和左视图；
图6所示为应用实例一螺纹管成形效果图；
图7所示为应用实例二波纹管成形效果图；
其中，1-正电极；2-电极绝缘套；3-一号密封圈；4-螺纹钢套；5-二号密封圈；6-上模板；7-三号L型密封圈；8-右瓣模；9-定位销；10-管坯；11-排气孔；12-右液压缸；13-含能棒；13-1-上端塞；13-2-金属丝；13-3-绝缘管；13-4-含能材料；13-5-下端塞；14-液体介质；15-四号L型密封圈；16-下模板；17-充液设备；18-液体回流通道；19-辅助间隙a；20-左液压缸；21-左瓣模；22-储能电容b。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种电脉冲触发含能材料的金属管件精密成形装置及成形方法，以解决上述现有技术存在的问题，利用小型的电脉冲放电设备触发低钝感的新型含能材料在水下释能使难成形金属管件完成精密成形。降低了电脉冲放电设备体积、成本，使设备小型化，移动便捷，单参数操作，增加试验的灵活性；成功的将低钝感高能量密度的新型含能材料运用于金属管件塑性成形领域，研制小剂量、安全、可控的含能混合物实现了能量等级的跨越，提高了难成形金属管件的成形精度和塑性变形能力。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-7所示，本发明提供一种电脉冲触发含能材料的金属管件精密成形装置，包括有电脉冲放电设备、液压机、成形模具、含能棒13及充液设备17。
成形模具包含上模板6、排气孔11、定位销9、下模板16、正负电极、一号密封圈3、二号密封圈5、电极绝缘套2、螺纹钢套4、充液接头、液体回流通道18、液体水、含能棒13。成形模具为左右瓣模具，为了提高装配精度，左瓣模21和右瓣模8上分别安装定位销9，通过左液压缸20和右液压缸12进行定位合模，左右瓣模与上模板6分别设有台阶，利用上模板6配合液压机进行轴向固定管坯10，且左右瓣模上开有排气孔11连接真空泵提高成形件的质量。
正负电极外部攻有螺纹，将电极旋入绝缘套内实现绝缘，再通过攻有螺纹的钢套将正负电极分别旋入固定在上模板6和下模板16的中轴线位置，为了保证密封，钢套、绝缘套与上模板6和下模板16间的接触部位设有一、二电极号密封圈。
含能棒13内置金属丝13-2直径为0.1-1.0mm，有效放电长度10-300mm，绝缘管13-3为有机玻璃管或硅胶管，壁厚1-3mm，有效长度为10-300mm，直径为6、8、10mm三种尺寸，将金属丝13-2穿入绝缘管13-3内，按一定比例配比含能材料13-4，制备好的含能材料13-4装入绝缘管13-3内，通过胶接将两端的端塞进行密封固定处理，密封好的含能棒13放入水中检测其密封性，无气泡产生即为合格含能棒13。
电脉冲触发含能材料的金属管件精密成形方法，包括以下步骤：
步骤1、检查含能棒13、正负电极，安装待成形金属管坯10。首先放置三号L型密封圈7和四号L型密封圈15于上下模板16的指定位置，再将管坯10固定在下模板16的圆形凹槽处，通过左右液压缸合模固定管坯10。
步骤2、安装含能棒13，将含能棒13的下端塞13-5卡入负电极，正电极1安装在上模板6上，通过液压机对模具进行轴向压紧固定，保证上下电极和管坯10同轴。
步骤3、将正负电极引出线连接脉冲电流放电设备，接通充液设备17对成形型腔充入定量液体介质14；
步骤4、启动真空泵使成形型腔达到某种真空状态。
步骤5、检查放电回路的线路连接状态，回路处于“导通”状态，即可进行充放电操作。
步骤6、放电之前需要对脉冲电流放电设备的储能电容b22进行充电，充电结束后闭合辅助间隙a19开始对含能棒13进行放电加工；
步骤7、放电结束后打开液体回流通道18回收废液；
步骤8、启动液压机开模，首先通过液压机轴向向上卸载上模板6，再利用左右液压缸进行开模，最后取出金属管件，完管件成形工作。
其中：步骤1的含能棒13包括含能材料13-4、金属丝13-2、绝缘管13-3和上下端塞13-5，其中含能材料13-4由铝粉、硝酸铵、高氯酸氨、聚四氟乙烯、氧化铁、镍粉等两种或两种以上按一定比例混合而成；步骤1的正负电极攻有外螺纹并与绝缘套进行螺纹连接，绝缘套与电极通过盈配合固定在一起，钢套与上下模板16之间通过螺纹连接，正电极1与绝缘套通过钢套固定在下模板16上，负电极与绝缘套通过钢套固定在上模板6上，且负电极外的绝缘套与钢套接触部位设置一、二号密封圈5，对成形型腔内的液体进行密封处理，同理，正极此处也设有相同的密封圈。
步骤2的含能棒13下端塞13-5设有凹槽，将负电极卡入下端塞13-5凹槽内，使含能棒13处于中轴固定状态，正电极1端头设有弹球装置，便于与含能棒13的上端塞13-1半圆形凹槽进行轴向安装配合，锁定含能棒13。
步骤3的充液设备17充入的液体介质14为水，且体积与管坯10成形型腔的体积大小相同。步骤6的脉冲电流放电设备放电参数选取范围为：放电电容为1-1000μF，放电电压为1-30kV。
步骤6的脉冲电流对含能棒13的放电过程是首先对储能电容器组充电到预设电压，再闭合辅助间隙，电容器通过正负电极和金属丝13-2放电产生脉冲大电流，金属丝13-2在脉冲电流的作用下产生短路并迅速升温、融化、汽化产生纳米级的等离子体，等离子体快速扩散进入微米或纳米级的含能材料13-4间隙内并触发含能材料13-4能量的释放。金属丝13-2触发含能材料13-4释量产生强大的冲击波及能量作用于水介质，使水介质获得高动能后借助惯性作用压迫金属管件完成塑性变形。
本发明提出了电脉冲触发含能材料的金属管件精密成形装置及成形方法，属于电液成形范畴，主要针对难成形金属管件的局部特征精密成形。模具为左/右两分瓣模，通过左/右的液压缸进行合模和开模，且两分瓣模上开有排气孔11与真空泵相连接；成形型腔内包含正负电极、含能棒13、待成形管件和液体介质14，其中含能棒13主要由金属丝13-2和含能材料13-4组成，负极***含能棒13的下端塞13-5，固定含能棒13，通过负电极的弹球装置实现含能棒13同轴锁定；电极外接电脉冲放电设备，同时成形型腔分别与充液设备17、排液通道相连接；上模板6和负电极通过液压机上下联动，进行同轴锁定。本发明创新的提出了电脉冲触发含能材料的金属管件精密成形方法，实现了难成形金属管件的局部特征成形。本发明采用的是小型电脉冲触发金属丝13-2放电装置，通过金属丝13-2电脉冲放电触发含能材料13-4，成功地实现含能材料13-4的释能，解决了由于电液成形高的放电电压导致设备能量等级急剧升高，放电回路电流加大，对设备的储能和耐压要求增加，设备处于高载荷状态，增加了放电成形加工的危险性，且设备存在体积大、成本高、使用寿命短等问题；初创性地提出了将含能材料13-4运用于金属成形领域，实现了管件的高速率成形，提高难成形管件的塑性变形能力。传统的含能材料13-4由于危险性大，受工作地点、试验条件和安全性等因素的限制，不能广泛应用，本发明开创性的实现了小剂量、安全可控的含能棒13用于难成形金属管件的精密成形。
实施例一
如图6所示，材料：DP780无缝高强钢管，长度150mm、外径30mm、壁厚0.5mm。加工要求：在管件中部60mm长度内成形一条螺纹波，螺纹波沿管身旋转，螺距20mm，波纹高度1.2mm，波纹半径R2.2mm，过度圆角R1mm。该管件通过液压胀形、液压成形等方法成形时工装成形效率低、成形的波纹高度低，贴模性差，尺寸精度低，无法满足尺寸要求。
采用本发明提供的电脉冲触发含能材料的金属管件成形方法，脉冲电流放电设备的放电电压为8kV，电容为200μF，含能棒13的相关参数如下：含能材料13-4由0.5g的铝粉（粒径为1-3μm）和2g的硝酸铵（粒径100-140μm）混合而成，装入长度60mm，直径6mm，壁厚1mm的有机玻璃管内，金属铝丝直径为0.5mm，长度60mm。图6所示的是螺纹管成形效果是：螺纹胀形高度达1.18mm，波纹半径R2.2mm，过度圆角R1mm，螺纹间距误差小于0.1mm，尺寸满足要求，且成形后DP780无缝高强钢管表面无划痕，贴模效果较好，产品质量较好。
实施例二
如图7所示，材料：一种TA1钛合金管件，长度300mm、外径100mm、壁厚1.0mm。加工要求：在管件中部长80mm内均匀分布2个波纹，波纹高度12mm，波纹半径R10，过渡圆角R2。该零件通过传统冲压时成形精度差、工装复杂，且波谷处容易开裂、过渡圆角偏大，难以满足使用要求。
采用本发明提供的电脉冲触发含能材料的金属管件成形方法，脉冲电流放电设备的放电电压为6kV，电容为500μF，含能棒13的相关参数如下：含能材料13-4由1g的铝粉（粒径为1-3μm）和1.5g的高氯酸铵（粒径140μm）混合而成，装入长度80mm，直径4mm，壁厚1mm的有机玻璃管内，金属铜丝直径为0.3mm，长度80mm。图7所示的是波纹管成形效果是：波纹胀形高度达12mm，波纹半径R9.9mm，过度圆角R2mm，尺寸满足要求，且成形后TA1钛合金管件表面质量较好，无划痕。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.电脉冲触发含能材料的金属管件精密成形装置，其特征在于：包括电脉冲放电设备和成形模具，所述成形模具包括上模板、下模板、左瓣模和右瓣模，管坯放置在左右瓣模之间，左右瓣模顶部与上模板分别设有台阶，利用所述上模板配合液压机进行轴向固定管坯，左右瓣模上开设有与真空泵连接的排气孔；所述上模板和下模板的中轴线位置分别固定有正负电极，穿设于管坯内腔的含能棒位于所述正负电极之间，所述正负电极与所述电脉冲放电设备相连接；管坯的内腔与外部的充液设备相连接；
所述含能棒包括含能材料、金属丝和绝缘管，将制备好的含能材料装入绝缘管内，所述绝缘管的两端分别用上端塞和下端塞通过胶接密封形成所述含能棒；所述金属丝的直径为0.1-1.0mm，有效放电长度为10-300mm；所述绝缘管为有机玻璃管或硅胶管，壁厚1-3mm，有效长度为10-300mm，直径为6、8和10mm三种尺寸中的任一种；所述含能材料主要由铝粉、硝酸铵、高氯酸铵、氧化铜、聚四氟乙烯、镍粉中的两种或两种以上按比例混合而成。
2.根据权利要求1所述的电脉冲触发含能材料的金属管件精密成形装置，其特征在于：所述左瓣模和右瓣模上安装有定位销，分别通过左液压缸和右液压缸推动所述左瓣模和右瓣模进行定位合模。
3.根据权利要求1所述的电脉冲触发含能材料的金属管件精密成形装置，其特征在于：所述正负电极的外部攻有螺纹，将电极旋入绝缘套后再通过螺纹钢套将正负电极分别旋入固定在所述上模板和下模板的中轴线位置。
4.根据权利要求3所述的电脉冲触发含能材料的金属管件精密成形装置，其特征在于：所述绝缘套与螺纹钢套的接触部位设有一号密封圈，所述绝缘套与所述上模板或下模板的接触部位设有二号密封圈；所述管坯与上下模板同轴线放置，所述管坯与所述上模板和下模板的接触部位分别设置有三号L型密封圈和四号L型密封圈。
5.电脉冲触发含能材料的金属管件精密成形方法，应用权利要求4中任一项所述的电脉冲触发含能材料的金属管件精密成形装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、检查含能棒、正负电极，安装待成形金属管坯；首先放置三、四号L型密封圈于上下模板的指定位置，再将管坯固定在下模板的圆形凹槽处，通过左右液压缸合模固定管坯；
步骤2、安装含能棒，将含能棒的下端塞卡入负电极，正电极安装在上模板上，通过液压机对模具进行轴向压紧固定，保证上下电极和管坯同轴；
步骤3、将正负电极引出线连接脉冲电流放电设备，接通充液设备对成形型腔充入定量液体介质；
步骤4、启动真空泵使成形型腔达到真空状态；
步骤5、检查放电回路的线路连接状态，回路处于“导通”状态，即可进行充放电操作；
步骤6、放电之前需要对脉冲电流放电设备的储能电容b进行充电，充电结束后闭合辅助间隙a开始对含能棒进行放电加工；
步骤7、放电结束后打开液体回流通道回收废液；
步骤8、启动液压机开模，首先通过液压机轴向向上卸载上模板，再利用左右液压缸进行开模，最后取出金属管件，完管件成形工作。
6.根据权利要求5所述的电脉冲触发含能材料的金属管件精密成形方法，其特征在于：步骤2的含能棒下端塞设有凹槽，将负电极卡入下端塞凹槽内，使含能棒处于中轴固定状态，正电极端头设有弹球装置，便于与含能棒上端塞半圆形凹槽进行轴向安装配合，锁定含能棒；
步骤3的充液设备充入的液体介质为水，且体积与管坯成形型腔的体积大小相同；步骤6的脉冲电流放电设备放电参数选取范围为：放电电容为1-1000μF，放电电压为1-30kV。
7.根据权利要求5所述的电脉冲触发含能材料的金属管件精密成形方法，其特征在于：步骤6的脉冲电流对含能棒的放电过程是首先对储能电容器组充电到预设电压，再闭合辅助间隙，电容器通过正负电极和金属丝放电产生脉冲大电流，金属丝在脉冲电流的作用下产生短路并迅速升温、融化、汽化产生纳米级的等离子体，等离子体快速扩散进入微米或纳米级的含能材料间隙内并触发含能材料能量的释放；金属丝触发含能材料释量产生强大的冲击波及能量作用于水介质，使水介质获得高动能后借助惯性作用压迫金属管件完成塑性变形。
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