本發(fā)明屬于材料高速成形技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種高能率脈動沖擊液壓成形方法。

背景技術(shù)：

針對目前我國汽車、航空航天及核電等關(guān)鍵領(lǐng)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(fù)雜零件的研制已成為促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)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(yīng)用。通過三種途徑可以改善上述難成形材料的成形性能：溫?zé)岢尚?、高速成形和柔性成形?/p>

溫?zé)岢尚慰梢蕴岣唠y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(shè)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(fù)雜性。若以間隙放電獲得沖擊壓力，則對絕緣結(jié)構(gòu)耐壓要求高。電磁成形的成形速度非常高，應(yīng)變速率可達(dá)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(yīng)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(fù)雜形狀零件等優(yōu)點、已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)諸多領(lǐng)域，但是由于升壓速度無法得到較大的提升，因此仍屬于準(zhǔn)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(xué)者研發(fā)了一種沖擊液壓復(fù)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(xué)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(yù)先封滿液體的金屬管進(jìn)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(zhǔn)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(gòu)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(jìn)式的高能率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(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有成形技術(shù)存在的不足之處，本發(fā)明提供了一種高能率脈動沖擊液壓成形方法，采用特定設(shè)備并結(jié)合了高速沖擊成形和脈動液壓成形二者的優(yōu)勢，通過高速運(yùn)動的沖擊體多次沖擊工作介質(zhì)完成零件的漸進(jìn)成形。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種高能率脈動沖擊液壓成形方法，該方法是通過高速運(yùn)動的沖擊體采用多次脈動式?jīng)_擊方式?jīng)_擊工作介質(zhì)，在工作介質(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成形為所需零件；其中：所述沖擊體通過多次脈動式?jīng)_擊方式?jīng)_擊工作介質(zhì)，從而使待成形坯料漸進(jìn)成形為達(dá)到所需零件的外形特征。

所述工作介質(zhì)為液體、橡膠、顆粒物或者液體和顆粒物的混合物。所述工作介質(zhì)的體積能夠在腔體容積范圍內(nèi)任意調(diào)控。所述待成形坯料為板材或管材。

所述循環(huán)脈動式?jīng)_擊方式具有四種不同控制模式，分別為：脈動沖擊頻率和脈動沖擊能量都固定、脈動沖擊頻率固定脈動沖擊能量可變、脈動沖擊能量固定脈動沖擊頻率可變、脈動沖擊頻率和脈動沖擊能量都可變。

所述沖擊體的脈動沖擊頻率為10次/分鐘-100次/分鐘，所述沖擊體的脈動沖擊能量為10KJ-100KJ。所述沖擊體的沖擊速度為10m/s-50m/s，沖擊時間為300μs-600μs。

本發(fā)明方法的成形過程是動態(tài)載荷過程，材料的應(yīng)變速率為10³s^-1以上。該方法的具體過程可按如下步驟進(jìn)行：

(1)放料階段：待成形坯料放于模具中并定位；

(2)充液階段：充入工作介質(zhì)；

(3)第一次沖擊行程：沖擊動力源驅(qū)動沖擊體高速運(yùn)動，高速運(yùn)動的沖擊體沖擊工作介質(zhì)，工作介質(zhì)產(chǎn)生的瞬時高壓作用驅(qū)動坯料產(chǎn)生變形，根據(jù)不同材料，所需變形程度不同；

(4)第一次返回行程：沖擊體返回；

(5)中間沖擊行程及返回行程：根據(jù)材料變形所需的能量、沖擊頻率和次數(shù)，進(jìn)行第二次至第N次沖擊，每次沖擊行程和返回行程按照步驟(3)-(4)進(jìn)行，成形過渡形。

(6)完成零件終成形，整個脈動沖擊液壓成形過程結(jié)束。

本發(fā)明方法具有以下優(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.該方法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(shè)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。

5.成形過程中工作介質(zhì)壓力分布均勻。

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為放料及充液階段。

圖3為本發(fā)明第一次沖擊階段。

圖4為本發(fā)明第一次沖擊后返回階段。

圖5為本發(fā)明最后沖擊階段。

圖6為管材放入及充液階段。

圖7為管材成形的最后沖擊階段。

圖中：1-沖擊動力源，2-沖擊體，3-液體介質(zhì)，4-板材，5-板材模具，6-腔體，7-管材，8-管材模具。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例詳述本發(fā)明。

本發(fā)明為高能率脈動沖擊液壓成形方法，該方法單次沖擊過程為：沖擊動力源驅(qū)動沖擊體高速運(yùn)動，高速運(yùn)動的沖擊體沖擊工作介質(zhì)，沖擊體的動能瞬時轉(zhuǎn)化為工作介質(zhì)的壓力能，使工件完成快速變形。該方法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。

該方法所用液體工作介質(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(gòu)進(jìn)行選擇。

該方法所用工件類型包括：板材、管材、型材。成形不同類型的工件需對模具結(jié)構(gòu)、成形介質(zhì)等做相應(yīng)調(diào)整即可。

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(fù)行為不同，不同沖擊能量材料的變形程度不同，本發(fā)明內(nèi)容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)。

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說明本發(fā)明的具體實施方案。

(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；例如1mm厚屈服強(qiáng)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)放料階段，如圖2，過程為：板材4放于板材模具5中并定位；

(3)充液階段，如圖2，過程為：根據(jù)控制系統(tǒng)指令，充入預(yù)設(shè)體積的液體介質(zhì)3；

(4)第一次沖擊行程，如圖3，過程為：高速運(yùn)動的沖擊體2沖擊液體介質(zhì)3，液體介質(zhì)3產(chǎn)生瞬時高壓，瞬時高壓驅(qū)動板材3變形；

(5)第一次返回行程，如圖4；

(6)中間沖擊行程及返回行程：根據(jù)制定的沖擊頻率、沖擊能量，進(jìn)行第二次，第三次沖擊，每次沖擊行程和返回行程如步驟(4)-(5)所述，成形過渡形。

(7)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

以下以一種典型管材零件為例，結(jié)合圖6-7詳述本發(fā)明。

采用上述脈動沖擊液壓成形方法，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7的作用同板材4，管材模具8的作用同板材模具5。

實施例1-2通過將變形量合理分配到多個道次的漸進(jìn)式的高能率脈動沖擊液壓成形獲得零件，經(jīng)檢測，零件沒有破裂和起皺現(xiàn)象出現(xiàn)，說明本發(fā)明方法能夠很好的解決工藝缺陷的發(fā)生。