專利名稱：一種彈性預(yù)加載下中厚板材熱態(tài)成形的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬板材塑性成形技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種彈性預(yù)加載下中厚板材熱態(tài)成形的方法和裝置。
背景技術(shù)：
輕質(zhì)合金主要包括鋁合金、鎂合金、鈦合金等，其鈑金件具有重量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車覆蓋件、電子、儀表等行業(yè)。目前其板材塑性成形方法主要包括沖壓成形、噴丸成形、預(yù)應(yīng)力噴丸成形、高壓水射流成形等。沖壓成形是板材塑性成形最常用加工方法之一，其原理是用壓力機(jī)通過(guò)模具對(duì)金屬板材進(jìn)行加壓，使其產(chǎn)生塑性變形，從而獲得一定形狀的零件。沖壓成形適用于材料延展性好的薄板快速成形。它適合大批量生產(chǎn)，具有較高的生產(chǎn)效率，但存在著模具制作過(guò)程周期長(zhǎng)、費(fèi)用大、制造成本高等不足，同時(shí)由于受到模具尺寸的限制，特別是對(duì)于常溫下難成形的輕合金如鎂合金、鋁合金、鈦合金等中厚板材，由于其變形抗力大，目前還難以實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺寸輕合金中厚板材沖壓成形。噴丸成形是一種板材柔性成形技術(shù)，其原理是借助高速?gòu)椡枇髯矒艚饘侔宀谋砻?，使其發(fā)生塑性變形。它具有柔性大、生產(chǎn)周期短、成形件的疲勞壽命長(zhǎng)等顯著的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被用于航空器小曲率蒙皮件的成形。預(yù)應(yīng)力噴丸成形是用高速?gòu)椡枳矒粢寻l(fā)生彈性變形的板材表面，使之發(fā)生塑性變形。相比自由狀態(tài)下的噴丸成形，該方法使板材的成形曲率有一定程度增加，但成形的曲率仍然有限。對(duì)于中厚板大曲率的成形，有時(shí)被迫采用噴丸成形與機(jī)械壓彎相結(jié)合方式，該技術(shù)雖然滿足了大曲率成形的要求，但是引入機(jī)械壓彎技術(shù)使中厚板材的成形質(zhì)量有所下降。高壓水射流技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，已開(kāi)始在材料加工中得到應(yīng)用，主要包括水射流對(duì)材料的切割、高壓水噴丸強(qiáng)化工件表面以及高壓水射流成形薄板。高壓水射流切割也稱“水刀”，用來(lái)對(duì)材料的切割。高壓水噴丸主要用來(lái)強(qiáng)化工件的表面，提高其抗疲勞性能。高壓水射流成形主要是通過(guò)高速、高壓的水射流噴射板材的表面,使板材發(fā)生局部區(qū)域的塑性變形，不斷改變噴嘴與板材的相對(duì)位置，使變形區(qū)域不斷擴(kuò)大和變形程度逐步積累，最終獲得所需要的形狀。由于受液壓設(shè)備等條件的限制，目前水射流還難以實(shí)現(xiàn)常溫下中厚板材大曲率的成形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述塑性成形方法在中厚板材大曲率成形時(shí)所存在的技術(shù)不足，提供一種彈性預(yù)加載下中厚板材熱態(tài)成形的方法和裝置，本發(fā)明尤其適用于輕合金中厚板材(厚度為5至15mm)的柔性快速成形。本發(fā)明所提供的一種彈性預(yù)加載下中厚板材熱態(tài)成形的方法具體步驟如下:
(I)將待成形的中厚板材放置在預(yù)彎模具上，通過(guò)夾具施加夾緊力進(jìn)行預(yù)加載，使所述中厚板材發(fā)生彈性變形并貼合在預(yù)彎模具的表面上，然后將裝夾好所述中厚板材的預(yù)彎模具固定在工作臺(tái)上，通過(guò)電阻加熱棒對(duì)所述預(yù)彎模具和中厚板材進(jìn)行加熱，在溫度開(kāi)關(guān)的控制下使所述中厚板材的溫度為150-920°C。(2)對(duì)高壓熱態(tài)液體介質(zhì)噴射中厚板材的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)中厚板材的厚度、力學(xué)性能、所需要得到三維形狀的曲率，優(yōu)化噴射參數(shù)和噴射的軌跡，并輸入到計(jì)算機(jī)中，通過(guò)控制器控制噴射的參數(shù)和高壓噴嘴移動(dòng)的軌跡；用參數(shù)優(yōu)化后的高壓熱態(tài)液體介質(zhì)對(duì)步驟(I)所述的中厚板材表面的受拉區(qū)域進(jìn)行射流沖擊，使所述中厚板材受沖擊區(qū)域發(fā)生局部的塑性變形，然后再通過(guò)逐步改變射流沖擊所述中厚板材表面的位置，從而使所述中厚板材發(fā)生整體塑性變形，根據(jù)所述中厚板材成形曲率的大小，通過(guò)對(duì)所述中厚板材進(jìn)行一次或多次射流沖擊，直至獲得所需形狀為止。為實(shí)現(xiàn)上述一種彈性預(yù)加載下中厚板材熱態(tài)成形的方法，本發(fā)明提供一種彈性預(yù)加載下中厚板材熱態(tài)成形的裝置，該裝置包括液體傳輸系統(tǒng)、工件夾具系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)、力口熱系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)；液體傳輸系統(tǒng)包括高壓泵1、高壓管2、噴射頭5、高壓噴嘴6、高壓熱態(tài)液體介質(zhì)3，高壓管2 —端連接著高壓泵1，另一端連接高壓噴嘴6，高壓噴嘴6安裝在噴射頭5的底部，高壓噴嘴6對(duì)著待加工中厚板材7表面噴射沖擊區(qū)域，噴射頭5內(nèi)部裝有加熱器4，噴射頭5安裝在懸臂梁8上，噴射頭5能夠沿懸臂梁8移動(dòng)；移動(dòng)系統(tǒng)包括懸臂梁8、立柱11、底座12，其中懸臂梁8安裝在立柱11上，懸臂梁8能夠沿著立柱11上下移動(dòng)以調(diào)整其高度，立柱11固定在底座12上，通過(guò)底座12帶動(dòng)立柱11和懸臂梁8移動(dòng)；工件夾具系統(tǒng)包括中厚板材7、夾具9、擋板10、預(yù)彎模具13、工作臺(tái)16，其中中厚板材7通過(guò)夾具9固定在預(yù)彎模具13上，然后將預(yù)彎模具13放在工作臺(tái)16上，擋板10固定在工作臺(tái)16四周，以阻擋熱態(tài)液體介質(zhì)3的飛濺；加熱系統(tǒng)包括加熱器4、溫度開(kāi)關(guān)14、電阻加熱棒15，加熱器4的加熱電阻絲纏繞在噴射頭5內(nèi)的高壓管2的周圍，用來(lái)對(duì)高壓液體介質(zhì)進(jìn)行加熱，通過(guò)控制器18來(lái)控制加熱器4內(nèi)部電阻絲的數(shù)目和電流來(lái)加熱已達(dá)到所需要的溫度150-400°C，溫度開(kāi)關(guān)14與電阻加熱棒15串聯(lián)在一起用來(lái)控制預(yù)彎模具13和中厚板材7的加熱溫度為150-920°C ;控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)17和控制器18，控制信息由計(jì)算機(jī)17輸入，傳遞給控制器18以控制高壓熱態(tài)液體介質(zhì)3的噴射參數(shù)及軌跡。本發(fā)明具備以下特點(diǎn):
(I)通過(guò)對(duì)中厚板材實(shí)施預(yù)加載使之發(fā)生彈性變形，并通過(guò)加熱降低其材料的屈服強(qiáng)度，增大了中厚板材拉伸比，使常溫下難成形的輕合金中厚板材的成形變得相對(duì)容易。相比與常溫下的高壓水射流成形，采用該方法成形時(shí)所需要的液態(tài)介質(zhì)的噴射壓力得到降低，從而也降低了對(duì)液壓設(shè)備性能的要求。(2)使用彈性預(yù)彎模具，并且高壓液體介質(zhì)的溫度、流速、流量、壓力等參數(shù)精確可控，噴射沖擊區(qū)域、路徑也精確控制，可以在同一沖擊區(qū)域通過(guò)單次或多次噴射沖擊成形，中厚板材的成形精度高。(3)高壓液體介質(zhì)噴射沖擊成形是集塑性成形和強(qiáng)化于一體化技術(shù)，在成形中厚板材的同時(shí)，在成形件表面分布著有益的殘余壓應(yīng)力，使其抗疲勞性能和耐應(yīng)力腐蝕的能力得到提高，工件的使用壽命得到延長(zhǎng)。(4)加工柔性大，可以對(duì)不同力學(xué)性能、不同尺寸的板材成形，尤其是大尺寸大變形中厚板材進(jìn)行噴射沖擊成形；液體介質(zhì)可循環(huán)使用，對(duì)環(huán)境污染小，成本較低。


: 圖1本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:1:聞壓栗；2:聞壓管；3:聞壓熱態(tài)液體介質(zhì)；4:加熱器；5:噴射頭；6:聞壓噴嘴；7:中厚板材；8:懸臂梁；9:夾具；10:擋板；11:立柱；12:底座；13:預(yù)彎|旲具；14:溫度開(kāi)關(guān)；15:電阻加熱棒；16:工作臺(tái)；17:計(jì)算機(jī)；18:控制器。
具體實(shí)施方式
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實(shí)施例1:彈性預(yù)加載下鋁合金中厚板材熱態(tài)液體介質(zhì)高壓噴射沖擊成形。該裝置包括液體傳輸系統(tǒng)、工件夾具系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。液體傳輸系統(tǒng)包括高壓泵1、高壓管2、噴射頭5、高壓噴嘴6、高壓熱態(tài)液體介質(zhì)3 ;移動(dòng)系統(tǒng)包括懸臂梁8、立柱11、底座12 ;工件夾具系統(tǒng)包括中厚板材7、夾具9、擋板10、預(yù)彎模具13、工作臺(tái)16 ;加熱系統(tǒng)包括加熱器4、溫度開(kāi)關(guān)14、電阻加熱棒15 ;控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)17、控制器18。待成形中厚板材7通過(guò)夾具9的夾緊力的作用下緊貼在預(yù)彎模具13表面上，獲得初步的預(yù)變形形狀后，預(yù)彎模具13安放在工作臺(tái)16上。電阻加熱棒15對(duì)預(yù)彎模具13和中厚板材7進(jìn)行加熱，通過(guò)溫度開(kāi)關(guān)14來(lái)控制溫度，使中厚板材7溫度達(dá)到200-230°C后；高壓泵I接受控制器18發(fā)出的指令開(kāi)始工作，液體介質(zhì)經(jīng)高壓泵I后由高壓管2輸送到噴射頭5，經(jīng)加熱器4加熱到150°C后由高壓噴嘴6作用于中厚板材7的表面，高壓熱態(tài)液體介質(zhì)噴射的壓力為30-250Mpa，流量為50_80L/min，溫度為150-400°C，高壓噴嘴的直徑為Φ 0.5-Φ 3mm,高壓噴嘴與中厚板材之間的距離為40_50mm。噴射頭5安裝在懸臂梁8上，高壓噴嘴6安裝于噴射頭5下方，懸臂梁8可在立柱11上沿Z軸方向上下移動(dòng)。在控制器18的控制下，噴射頭5可以沿X軸左右移動(dòng)，高壓噴嘴6噴射角度可以繞Z軸調(diào)整，底座12可以沿Y軸方向移動(dòng)，也可以沿X軸左右移動(dòng)，因此根據(jù)成形的需要，可以改變高壓噴嘴6與中厚板材7之間的相對(duì)位置，使高壓噴嘴6按照預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡不斷地改變噴射沖擊位置，連續(xù)對(duì)中厚板材7未沖擊區(qū)域進(jìn)行漸進(jìn)噴射沖擊成形，直到獲得最終所需的塑性變形形狀。在工作臺(tái)16四周用擋板10隔離防護(hù)，為了防止高壓熱態(tài)液體介質(zhì)3飛濺出來(lái)。高壓熱態(tài)液體介質(zhì)3流入液體收集器中，進(jìn)行循環(huán)利用。實(shí)施例2:彈性預(yù)加載下鎂合金中厚板材熱態(tài)液體介質(zhì)高壓噴射沖擊成形。本實(shí)施例與實(shí)施例1不同點(diǎn)在于將鎂合金中厚板材加熱到300_350°C，高壓熱態(tài)液體介質(zhì)溫度加熱到250°C，高壓熱態(tài)液體介質(zhì)3的噴射壓力20-40MPa。其它與實(shí)施例1相同。實(shí)施例3:彈性預(yù)加載下鈦合金中厚板材熱態(tài)液體介質(zhì)高壓噴射沖擊成形。本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同點(diǎn)在于將鈦合金中厚板材加熱到700_920°C，高壓熱態(tài)液體介質(zhì)溫度加熱到400°C，高壓熱態(tài)液體介質(zhì)3的噴射壓力80-250MPa。其它與實(shí)施例I相同。
權(quán)利要求
1.一種彈性預(yù)加載下中厚板材熱態(tài)成形的方法，其特征在于該方法具體步驟如下: (I)將待成形的中厚板材放置在預(yù)彎模具上，通過(guò)夾具施加夾緊力進(jìn)行預(yù)加載，使所述中厚板材發(fā)生彈性變形并貼合在所述預(yù)彎模具的表面上，然后將裝夾好所述中厚板材的預(yù)彎模具固定在工作臺(tái)上，通過(guò)電阻加熱棒對(duì)所述預(yù)彎模具和中厚板材進(jìn)行加熱，在溫度開(kāi)關(guān)的控制下使所述中厚板材的溫度為150-920°c ； (2 )對(duì)高壓熱態(tài)液體介質(zhì)噴射中厚板材的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)中厚板材的厚度、力學(xué)性能、所需要得到三維形狀的曲率，優(yōu)化噴射參數(shù)和噴射的軌跡，并輸入到計(jì)算機(jī)中，通過(guò)控制器控制噴射的參數(shù)和高壓噴嘴移動(dòng)的軌跡；用參數(shù)優(yōu)化后的高壓熱態(tài)液體介質(zhì)對(duì)步驟(I)所述的中厚板材表面的受拉區(qū)域進(jìn)行射流沖擊，使所述中厚板材受沖擊區(qū)域發(fā)生局部的塑性變形，然后再通過(guò)逐步改變射流沖擊所述中厚板材表面的位置，從而使所述中厚板材發(fā)生整體塑性變形,根據(jù)所述中厚板材成形曲率的大小,通過(guò)對(duì)所述中厚板材進(jìn)行一次或多次射流沖擊，直至獲得所需形狀為止。
2.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的成形裝置，其特征在于該裝置包括液體傳輸系統(tǒng)、工件夾具系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)；所述的液體傳輸系統(tǒng)包括高壓泵(I)、高壓管(2)、噴射頭(5)、高壓噴嘴(6)、高壓熱態(tài)液體介質(zhì)(3)，所述的高壓管(2)的一端連接所述的高壓泵(1)，所述的高壓管(2)的另一端連接所述的高壓噴嘴(6)，所述的高壓噴嘴(6 )安裝在所述噴射頭(5 )的底部，所述的高壓噴嘴(6 )對(duì)著待加工中厚板材(7 )的表面噴射沖擊區(qū)域，所述的噴射頭(5)內(nèi)部裝有加熱器(4)，所述的噴射頭(5)安裝在懸臂梁(8)上，所述的噴射頭(5)能夠沿所述的懸臂梁(8)移動(dòng)；所述的移動(dòng)系統(tǒng)包括懸臂梁(8)、立柱(11)、底座(12)，所述的懸臂梁(8)安裝在所述立柱(11)上，所述的懸臂梁(8)能夠沿著所述的立柱(11)上下移動(dòng)以調(diào)整所述懸臂梁(8)的高度，所述立柱(11)固定在所述的底座(12)上；所述的工件夾具系統(tǒng)包括中厚板材(7)、夾具(9)、擋板(10)、預(yù)彎模具(13)、工作臺(tái)(16 )，所述的中厚板材(7 )通過(guò)所述夾具(9 )固定在所述預(yù)彎模具(13 )上，所述預(yù)彎模具(13)設(shè)置在所述工作臺(tái)(16)上，所述的擋板(10)固定在所述工作臺(tái)(16)的四周；所述的加熱系統(tǒng)包括加熱器(4)、溫度開(kāi)關(guān)(14)、電阻加熱棒(15)，所述的加熱器(4)的加熱電阻絲纏繞在所述的噴射頭(5)內(nèi)的所述的高壓管(2)的周圍，所述溫度開(kāi)關(guān)(14)與所述的電阻加熱棒(15)串聯(lián)在一起；所述的控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)(17)和控制器(18)，控制信息由所述的計(jì)算機(jī)(17)輸入，傳遞給所述的控制器(18)以控制高壓熱態(tài)液體介質(zhì)(3)的噴射參數(shù)及軌跡。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種彈性預(yù)加載下中厚板材熱態(tài)成形的方法和裝置，屬于金屬板材塑性成形技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明首先將中厚板材在預(yù)彎模具上進(jìn)行彈性預(yù)加載，使中厚板材發(fā)生彈性變形，然后根據(jù)中厚板材物理性能將待成形的中厚板材加熱至150-920℃，再向中厚板材受拉表面區(qū)域施以150-400℃高壓熱態(tài)液體介質(zhì)進(jìn)行沖擊，使中厚板材發(fā)生塑性變形，直至獲得所需的形狀為止。本發(fā)明方法由于中厚板材首先被加載發(fā)生彈性變形，初步獲得了所需的基本形狀，同時(shí)中厚板材被加熱到150-920℃，從而降低了材料的屈服強(qiáng)度，提高中厚板材的拉伸比，采用本方法成形的中厚板材比單獨(dú)采用高壓水射流成形的中厚板材所獲得的曲率更大、精度更高、厚度更大。
文檔編號(hào)B21D26/031GK103191969SQ20131013740
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月19日
發(fā)明者張興權(quán), 鄭如, 余曉流, 左立生, 周煜, 王會(huì)廷 申請(qǐng)人:安徽工業(yè)大學(xué)