CN113305192A - 振动钢球群协同增强气胀超塑成形薄壁曲面的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种振动钢球群协同增强气胀超塑成形薄壁曲面的方法及装置，属于材料成形工程领域。将待成形板料放置到振动钢球群协同增强气胀超塑成形装置的下模具支撑腔体、绝热密封圈和上部容器的空隙内，将钢球群从观测孔中倒入到上部容器与待成形板料构成的密闭空间中；将装置放置在振动台上，同时给加热棒通电，开启振动台，使装置处于振动中，并通入高压气体，使板料变形并贴近模具型面；根据各点位移传感器的数据，判断板材全部贴合模具型面后，关闭振动台，取出钢球，松开全部螺栓取出成形件。本发明使板料的温度均匀化，降低成形压力，提高变形速率，使板料变形均匀化，提高延伸率，实现批量化生产，降低加工成本。

Description

振动钢球群协同增强气胀超塑成形薄壁曲面的方法及装置

技术领域

本发明属于材料成形工程领域，尤其涉及一种振动钢球群协同增强气胀超塑成形薄壁曲面的方法及装置，用于成形薄壁板材复杂曲面的超塑性成形方法。

背景技术

传统的超塑性成形是将坯料与模具升温接近坯料熔点温度的一半，在坯料与模具构成的密闭空间中注入气体，迫使坯料塑性变形并贴模的成形技术。由于传统的超塑性成形具有严格的温度、变形速率与材料组织细化要求，成形效率低，周期长，只在航空航天行业较广应用。

检索国内外专利发现，中国专利公开号CN103717324A，名称为用于坯料超塑性成形的装置，该装置涉及一种用于将坯料在具有下模和上模的模具中超塑性成形为一个部件(特别是具有三维几何形状的抽吸部件的装置，其中坯料在模具中为了成形能够承受压力和温度，并且坯料在至少一些区域中具有穿孔。根据该专利特别是在成形飞机的有效的空气动力学表面的、具有复杂三维空间形状和至少一些区域具有穿孔的抽吸部件时，可以直接成形，即无需进一步的辅助手段，该装置可以使得能够采用简单、廉价且可靠的工艺来生产，其适合对在至少一部分区域具有球面弯曲的这种部件进行大规模生产。

中国专利公开号CN101417299A，名称为一种电脉冲辅助超塑成形装置及方法，该申请专利涉及超塑气胀成形技术领域，解决了能量利用率低的缺点。装置的上模具、下模具分别置于待成形坯料的上下两侧，成形部位置于模具的空腔中，压头封闭压紧绝缘模具和待成形坯料，气压装置的出气口穿透压头和绝缘模具置于腔体内；高频脉冲电源、坯料夹持电极和待成形坯料形成通电回路。该专利应用在复杂零件制造业，极大地提高了制造能量的利用率与加热的效率。

发明内容

本发明提供一种振动钢球群协同增强气胀超塑成形薄壁曲面的方法及装置，目的在于为板料超塑性成形提供一种成形方法和装置，使板料在温度均匀化，降低成形压力，提高变形速率，使板料变形均匀化，提高延伸率，实现批量化生产，降低加工成本。

本发明采取的技术方案是：包括下列步骤：

步骤一：将待成形板料放置到振动钢球群协同增强气胀超塑成形装置的模具、下模具支撑腔体、绝热密封圈和上部容器的空隙内，用螺栓将下模具约束腔体和上部容器紧固，保证边缘不漏气，加热棒放置在上部容器的焊接管中，焊接管与待成形板材不接触，将钢球群从观测孔中倒入到上部容器与待成形板料构成的密闭空间中，通过螺栓将充气盖组件紧固在上部容器的观测孔上，保证密闭空间高压状态下不漏气；

步骤二：将振动钢球群协同增强气胀超塑成形装置放置在振动台上，同时给加热棒通电，使装置密闭空间升温，通过温度传感器监测温度，当温度达到规定温度0.5Tm后，Tm为金属板材熔点温度，开启振动台，使装置处于振动中，并经气体孔道通入高压气体，打开截止阀，使高压气体连续进入上封闭空间中使板料变形并贴近模具型面，成形出所需形状的成形件；

步骤三：根据模具表面所设的各点位移传感器An的数据，n＝1,2,3…，判断板材全部贴合模具型面后，关闭进气阀，打开排气阀，当压力接近大气压时，关闭振动台，取下充气盖组件，将钢球群从观测孔倒出，松开全部螺栓，挪开上部容器，取出成形件。

本发明所述的钢球的直径为1-10mm。

本发明所述的钢球群在待成形板料与上部容器构成的封闭区域的等效高度淹没焊接管高度的二分之一，等效体积要大于模具型腔的体积。

本发明所述的钢球群形成的非闭合气孔始终使气体直接通过作用在待成形板料的表面。

本发明所述的步骤二中各点位移传感器An布置在侧面、角部、深拉部位，n为1、2、3…。

本发明所述的输入的高压气体压力为1.5MPa～4MPa。

本发明所述的振动台的激振力F_g和振幅S满足下列公式：

F_g＝mrω²

F_g为单台振动电机激振力，m为偏心块质量，r为偏心块质心与回转轴心的距离，ω为电机旋转角频率，S为振幅，W_g为振动机械设备总重量。

本发明所述的板料为碳钢薄板、铝合金薄板，镁合金薄板，钛合金薄板。

本发明所述步骤一所述的振动钢球群协同增强气胀超塑成形装置包括模具、下模具支撑腔体、绝热密封圈和上部容器、螺栓和充气盖组件，其中模具放置在下模具支撑腔体中，上部容器通过绝热密封圈、螺栓与下模具支撑腔体固定连接，充气盖组件通过螺栓与上部容器连接；

本发明所述的上部容器包括焊接管、加热棒、观测孔、螺栓、排气阀以及法兰盘，其中加热棒位于焊接管中，螺栓用于将充气盖组件将观测孔连接，排气阀与上部容器壳体固定连接，法兰盘用于与下模具支撑腔体连接；

本发明所述的充气盖组件包括焊接密闭管、外部气体孔道接管、温度传感器以及截止阀，其中温度传感器位于焊接密闭管中，截止阀与外部气体孔道接管前端连接；

本发明所述的模具是实体模具或多点模具。

本发明所述的下模具支撑腔体开有泄压孔。

为了促进超塑性成形工艺广泛应用，本发明提出了一种将温度均匀性控制、板料组织均匀性分布与传统的气胀成形技术相结合的快速超塑性成形技术，成形过程中利用振动冲压技术提高板料补入到模具型腔中的速度，然后再利用气胀成形做最后的贴模成形工艺。

以上所检索的专利，虽然技术上都是利用了超塑性成形方法，但是与本专利的方法和装置相差较大，主要表现在结构不同，本申请专利采用了传热介质传热，同时传热介质的孔隙可以通过气体直接作用于板材上，其次，虽然采用了传统的加热棒进行加热，但是***热分布不完全取决于加热棒的分布，板料受热的均匀性取决于传热介质；更重要的是本申请专利采用了振动辅助成形，充分发挥了传热介质的质量作用，进行了高频冲压成形，更加有利于板材的均匀性变形。

通过本发明，可以实现市场供应的工业态的板料超塑性成形，省略板料的前处理工序，直接可以实现大型板料曲面成形，节约加工成本。

本发明使板料的温度均匀化，降低成形压力，提高变形速率，使板料变形均匀化，提高延伸率，实现批量化生产，降低加工成本。

附图说明

图1是振动钢球群协同增强气胀超塑成形薄壁曲面的装置示意图；

图2是振动钢球群协同增强气胀超塑成形装置示意图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是振动钢球群协同增强气胀超塑成形装置的上部容器示意图；

图5是图4的B-B剖视图；

图6是振动钢球群协同增强气胀超塑成形装置的充气盖组件示意图；

图7是图6的C-C剖视图；

图8是振动钢球群协同增强气胀超塑成形装置的位移传感器示意分布图；

图9是一种多点成形模具示意图；

图10是一种倒梯形件。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，一种振动钢球群协同增强气胀超塑成形薄壁曲面的方法，包括下列步骤：

步骤一：将待成形板料4放置到振动钢球群协同增强气胀超塑成形装置1的模具5、下模具支撑腔体6、绝热密封圈3和上部容器2的空隙内，用螺栓7将下模具约束腔体6和上部容器2紧固，保证边缘不漏气，加热棒201放置在上部容器2的焊接管202中，焊接管202与待成形板材4不接触，将钢球群8从观测孔205中倒入到上部容器2与待成形板料4构成的密闭空间9中，通过螺栓204将充气盖组件10紧固在上部容器的观测孔205上，保证密闭空间9高压状态下不漏气；

步骤二：将振动钢球群协同增强气胀超塑成形装置1放置在振动台11上，同时给加热棒201通电，使装置密闭空间9升温，通过温度传感器1003监测温度，当温度达到规定温度0.5Tm后，Tm为金属板材熔点温度，开启振动台11，使装置1处于振动中，并经气体孔道1002通入高压气体，打开截止阀1004，使高压气体连续进入上封闭空间9中使板料4变形并贴近模具型面5，成形出所需形状的成形件；

步骤三：根据模具表面所设的各点位移传感器An的数据，n＝1,2,3…，判断板材4全部贴合模具5型面后，关闭进气阀1004，打开排气阀203，当压力接近大气压时，关闭振动台11，取下充气盖组件10，将钢球群8从观测孔205倒出，松开全部螺栓7，挪开上部容器2，取出成形件；

所述的钢球8的直径为1-10mm；

所述的钢球群8在待成形板料4与上部容器2构成的封闭区域的等效高度淹没焊接管202高度的二分之一，等效体积要大于模具型腔的体积；

所述的钢球群8形成的非闭合气孔801始终使气体直接通过作用在待成形板料4的表面；

本发明所述的步骤二中各点位移传感器An布置在侧面、角部、深拉部位，n为1、2、3…；

本发明所述的输入的高压气体压力为1.5MPa～4MPa；

本发明所述的振动台11的激振力F_g和振幅S满足下列公式：

F_g＝mrω²

F_g为单台振动电机激振力，m为偏心块质量，r为偏心块质心与回转轴心的距离，ω为电机旋转角频率，S为振幅，W_g为振动机械设备总重量；

本发明所述的板料为碳钢薄板、铝合金薄板，镁合金薄板，钛合金薄板。

本发明所述步骤一所述的振动钢球群协同增强气胀超塑成形装置1包括模具5、下模具支撑腔体6、绝热密封圈3和上部容器2、螺栓7和充气盖组件10，其中模具5放置在下模具支撑腔体6中，上部容器2通过绝热密封圈3、螺栓7与下模具支撑腔体6固定连接，充气盖组件10通过螺栓与上部容器2连接；

本发明所述的上部容器2包括焊接管202、加热棒201、观测孔205、螺栓204、排气阀203以及法兰盘206，其中加热棒201位于焊接管202中，螺栓204用于将充气盖组件10将观测孔205连接，排气阀203与上部容器壳体固定连接，法兰盘206用于与下模具支撑腔体6连接；

本发明所述的充气盖组件10包括焊接密闭管1001、外部气体孔道接管1002、温度传感器1003以及截止阀1004，其中温度传感器1003位于焊接密闭管1001中，截止阀1004与外部气体孔道接管1002前端连接；

本发明所述的模具5是实体模具或多点模具。

本发明所述的下模具支撑腔体6开有泄压孔601。

图4、图5是振动钢球群协同增强气胀超塑成形装置的上部容器示意图与剖视图，在成形过程中，将高压气体通过打开进气阀1004通入上部容器2中，放置加热棒的焊接管202底部要距离上部容器2的法兰盘207的底面有一定的距离，避免与添加的板材接触，开始通入气体时打开截止阀206排除空气，然后及时关闭截止阀206，使成形过程中保持气压压强的稳定。

图6、图7的振动钢球群协同增强气胀超塑成形装置的充气盖组件示意图与剖视图，成形前，充气盖组件10与上部容器2分离，方便钢珠群8倒入，成形过程中充气盖组件10通过螺栓204与上部容器2连接，在焊接密闭管1001中放置有温度传感器1003、在充气盖组件上焊接有外部气体孔道接管1002用于通入气体。

参考图5的振动钢球群协同增强气胀超塑成形装置的位移传感器示意分布图，根据成形工件的复杂性，可以在模具的侧壁、角部以及深拉处钻出若干放置力与位移传感器的孔An(n＝1,2,3,…)。

图8的多点成形模具示意图，模具5可以更换成多点成形模具，实现多种形状曲面件的成形需要。

图10是一种倒梯形件，是通过采用示意图3所示的模具加工的一个试件。

很明显，以上描述以及附图中所示的内容均应被理解为是示例性的，而并非意味着对本发明的限制。对于本领域的技术人员来讲，显然可以在本发明的基础上将可以采用液压机压制法兰盘实现连接，或者焊接管可以采用水平放置，尽管说明书中只给出了一种钢珠协同的形式作为示范性例子，对于本领域的技术人员来说，可以选择其他具有孔隙的随机变形固体颗粒等等。显然，这些变形或修改均应包含在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种振动钢球群协同增强气胀超塑成形薄壁曲面的方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一：将待成形板料放置到振动钢球群协同增强气胀超塑成形装置的模具、下模具支撑腔体、绝热密封圈和上部容器的空隙内，用螺栓将下模具约束腔体和上部容器紧固，保证边缘不漏气，加热棒放置在上部容器的焊接管中，焊接管与待成形板材不接触，将钢球群从观测孔中倒入到上部容器与待成形板料构成的密闭空间中，通过螺栓将充气盖组件紧固在上部容器的观测孔上，保证密闭空间高压状态下不漏气；

步骤二：将振动钢球群协同增强气胀超塑成形装置放置在振动台上，同时给加热棒通电，使装置密闭空间升温，通过温度传感器监测温度，当温度达到规定温度0.5Tm后，Tm为金属板材熔点温度，开启振动台，使装置处于振动中，并经气体孔道通入高压气体，打开截止阀，使高压气体连续进入上封闭空间中使板料变形并贴近模具型面，成形出所需形状的成形件；

步骤三：根据模具表面所设的各点位移传感器An的数据，n＝1,2,3…，判断板材全部贴合模具型面后，关闭进气阀，打开排气阀，当压力接近大气压时，关闭振动台，取下充气盖组件，将钢球群从观测孔倒出，松开全部螺栓，挪开上部容器，取出成形件。

2.根据权利要求1所述的一种振动钢球群协同增强气胀超塑成形薄壁曲面的方法，其特征在于：所述的钢球的直径为1-10mm，所述的钢球群在待成形板料与上部容器构成的封闭区域的等效高度淹没焊接管高度的二分之一，等效体积要大于模具型腔的体积；所述的钢球群形成的非闭合气孔始终使气体直接通过作用在待成形板料的表面。

3.根据权利要求1所述的一种振动钢球群协同增强气胀超塑成形薄壁曲面的方法，其特征在于：所述的步骤二中各点位移传感器An布置在侧面、角部、深拉部位，n为1、2、3…。

4.根据权利要求1所述的一种振动钢球群协同增强气胀超塑成形薄壁曲面的方法，其特征在于：所述的输入的高压气体压力为1.5MPa～4MPa。

5.根据权利要求1所述的一种振动钢球群协同增强气胀超塑成形薄壁曲面的方法，其特征在于：所述的振动台的激振力F_g和振幅S满足下列公式：

F_g＝mrω²

F_g为单台振动电机激振力，m为偏心块质量，r为偏心块质心与回转轴心的距离，ω为电机旋转角频率，S为振幅，W_g为振动机械设备总重量。

6.根据权利要求1所述的一种振动钢球群协同增强气胀超塑成形薄壁曲面的方法，其特征在于：所述的板料为碳钢薄板、铝合金薄板，镁合金薄板，钛合金薄板。

7.根据权利要求1所述的一种振动钢球群协同增强气胀超塑成形薄壁曲面的方法，其特征在于：所述步骤一所述的振动钢球群协同增强气胀超塑成形装置包括模具、下模具支撑腔体、绝热密封圈和上部容器、螺栓和充气盖组件，其中模具放置在下模具支撑腔体中，上部容器通过绝热密封圈、螺栓与下模具支撑腔体固定连接，充气盖组件通过螺栓与上部容器连接。

8.根据权利要求7所述的一种振动钢球群协同增强气胀超塑成形薄壁曲面的方法，其特征在于：所述的上部容器包括焊接管、加热棒、观测孔、螺栓、排气阀以及法兰盘，其中加热棒位于焊接管中，螺栓用于将充气盖组件将观测孔连接，排气阀与上部容器壳体固定连接，法兰盘用于与下模具支撑腔体连接。

9.根据权利要求7所述的一种振动钢球群协同增强气胀超塑成形薄壁曲面的方法，其特征在于：所述的充气盖组件包括焊接密闭管、外部气体孔道接管、温度传感器以及截止阀，其中温度传感器位于焊接密闭管中，截止阀与外部气体孔道接管前端连接。

10.根据权利要求7所述的一种振动钢球群协同增强气胀超塑成形薄壁曲面的方法，其特征在于：所述的模具是实体模具或多点模具，所述的下模具支撑腔体开有泄压孔。

Images