高能率脉动冲击液压成形设备的制作方法

本实用新型涉及材料高速成形技术领域，具体为一种高能率脉动冲击液压成形设备。

背景技术：

针对目前我国汽车、航空航天及核电等关键领域对精密零部件的轻量化、无余量化、高精度及整体化发展的迫切需求，镁、铝、钛等轻质合金的复杂零件的研制已成为促进国民经济发展和推动国家安全保障水平提升所亟待解决的重要问题之一。但是上述轻质合金都属于难变形合金，在成形过程中容易发生起皱、破裂等现象，阻碍其广泛应用。通过三种途径可以改善上述难成形材料的成形性能：温热成形、高速成形和柔性成形。

温热成形可以提高难变形合金的成形能力，但是加热过程中材料表面氧化会降低最终产品质量，并且增加能耗提高成本，同时对于成形介质耐热性和安全性及工装设备的热稳定性都提出了更高的要求。

高速成形和柔性介质成形包括爆炸成形、电液成形、电磁成形、颗粒成形及液压成形。爆炸成形对于大型零件的拉深、胀形有很好的效果，如果用于工业化批量生产，需要精确控制能量配比，效率难以提高。电液成形时，如果以水中爆丝获得冲击压力，其不能连续放电，需每次换丝，增加了工艺复杂性。若以间隙放电获得冲击压力，则对绝缘结构耐压要求高。电磁成形的成形速度非常高，应变速率可达到10⁴s^-1，能够极大的提高材料的成形性能，但是因电极尺寸的原因工件规格普遍相对较小，暂时未见用于汽车、航空及核电的板管类零件的制造加工。颗粒介质填充成形的工作原理是刚性模具离散化，用于薄壁管弯管具有良好的效果，但该方法的工作效率不高，目前还无法应用于工业生产。液压成形具有工装少、成形零件质量好、能够整体成形复杂形状零件等优点、已广泛用于工业生产诸多领域，但是由于升压速度无法得到较大的提升，因此仍属于准静态成形范围，无法使难变形材料的成形性能获得显著提高，同时成形凸筋等局部小特征需要很高的压力，增加了对增压器和密封等方面的要求。

近年来有学者研发了一种冲击液压复合成形工艺，该工艺用于解决小特征成形困难的问题，把冲击成形作为液压成形的辅助工艺，但是需要分别提供两套独立的液压源和冲击源，增加了工序和成本。另外有研究报道提出一种基于电枢发射体的高速冲击成形，其冲击过程使用了两个冲击体，包括：电枢发射体和高速推动杆，在冲击过程中能量会有损失，且成形介质是橡胶，其柔性较液体介质差。还有学者提出了一种金属薄壁管冲击液压胀形装置，其成形原理是利用上下模具闭合过程对预先封满液体的金属管进行成形，本质上属于冲压成形而非冲击液压成形，并且成形速率仍属于准静态范畴。前人研究中均未提到循环脉动式冲击作用，以及针对冲击频率和冲击能量的调控功能，而实际上受材料和尺寸结构等限制，很多工件如果尝试一次成形到位时，很容易产生破裂和起皱现象。因此，通过将变形量合理分配到多个道次的渐进式的高速脉动冲击液压成形能够很好的解决工艺缺陷的发生。

技术实现要素：

为了克服现有成形技术中存在的不足之处，本实用新型提供一种高能率脉动冲击液压成形设备，该设备结合了高速冲击成形和脉动液压成形二者的优势，通过多次冲击完成零件的渐进成形。该设备所用设备主要由蓄能器，动力油腔体、冲击体、运行腔体、压边液压缸、液体工作介质、坯料、模具、机体组成。单次冲击过程为：通过蓄能器产生高速高压的液压源，从而驱动冲击体高速运动，当冲击体快速冲击液体介质时，冲击体的动能瞬时转化为液体介质的压力能，使工件完成快速变形。该设备能够精确控制总的输出能量从而精确控制能量传递比率，即用于工件成形的能量，可经多次脉动冲击成形出所需零件形状。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种高能率脉动冲击液压成形设备，该设备包括机体、成形模具、成形介质、压边液压缸、冲击体、动力油腔体和蓄能器；其中：所述冲击体由上端、中间段和下段组成；所述动力油腔体内蓄满液体介质，动力油腔体内设置筒状空腔，所述冲击体的上端能够在该筒状空腔内沿其内壁轴向滑动；所述冲击体的中间段与筒状空腔的内壁之间形成闭合间隙；所述动力油腔体的底端与所述运行腔体相连接，所述冲击体的下段能够沿运行腔体内壁滑动；所述冲击体下段中的一部分能够与运行腔体内壁之间形成环状空间，所述压边液压缸能够在该环状空间内滑动；所述运行腔体的底端固定在所述机会上；所述机体上还安装成形模具，用于装配坯料及成形零件；所述压边液压缸对成形模具压边或合模后，坯料与压边液压缸之间形成内腔用于装入成形介质。

所述动力油腔体内的液体介质用于供给蓄能器，同时蓄能器内的液体介质能够返回动力油腔体内。所述蓄能器为两个，分别为冲击行程蓄能器和返回行程蓄能器，所述冲击行程蓄能器与所述筒状空腔相连接，并能向其内提供冲击行程高速高压液体介质，该冲击行程高速高压液体介质驱动所述冲击体高速运动；所述返回行程蓄能器与所述闭合间隙相连接，并能向其内提供返回行程高速高压液体介质，该返回行程高速高压液体介质驱动所述冲击体作返程运动。

所述冲击体通过高速运动冲击成形介质，在成形介质产生的瞬时高压作用下使待成形坯料发生塑性变形并最终贴合模具，通过多次脉动式冲击成形介质，从而使坯料渐进成形出所需零件外形特征。

所述成形介质为液体、橡胶、颗粒或者液体和颗粒的混合物。所述成形介质的体积能够在压边液压缸的内腔容积范围内任意调控。

所述坯料为板材或管材。

本实用新型设备具有以下优点和有益效果：

1、成形时间短：300μs-600μs。升压速度快：理论液体压力峰值80MPa-100MPa，升压速度约为1.7×10⁷MPa/s-3.3×10⁷MPa/s，具有瞬时高压的特点。

2、该设备可以精确控制总的输出能量、能量传递比率即用于工件成形的能量，每道次的变形量。

3、对于小特征零件具有良好的成形能力，降低了对增压器等设备的要求。

4、材料处于动态载荷状态，能够提高材料成形极限，因此可用于成形镁、铝、钛等难成形合金的精密成形。

附图说明

图1为高能率脉动冲击液压成形的四种工作模式示意图。

图2为板材放入、压边液压缸工作(合模)、及充液阶段。

图3为本实用新型第一次冲击阶段。

图4为本实用新型第一次冲击后返回阶段。

图5为本实用新型最后冲击阶段。

图6为管材放入、压边液压缸工作(合模)、及充液阶段。

图7为管材成形的最后冲击阶段。

图中：1-冲击行程蓄能器，2-返回行程蓄能器，3-动力油腔体，4-冲击体，5-运行腔体，6-压边液压缸，7-机体，8-板材模具，9-板材，10-成形介质，11-冲击行程高速高压液压介质，12-返回行程高速高压液压介质，13-管材模具，14-管材。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详述本实用新型。

本实施新型设备是通过高速运动的冲击体冲击液体介质，在液体介质产生的瞬时高压作用下迫使工件发生塑性变形并最终贴合模具的高速柔性成形设备。该设备可以通过多次脉动式冲击液体介质，从而使工件渐进成形出所需的零件外形特征。

本实用新型设备所用蓄能器分为冲击行程蓄能器和返回行程蓄能器。冲击行程蓄能器用于产生高速高压液压源，用于驱动冲击体产生高速运动；返回行程蓄能器用于冲击体回程，当一个冲击行程结束以后，返回行程蓄能器产生高速高压液体，驱动冲击体快速回程。

该设备所用运行腔体用于连接机体和冲击液压源控制装置并向冲击液压源控制装置提供结构支撑，同时向冲击体提供运行空间，保证冲击方向的准确性。同时也为压边液压缸提供结构支撑。

该设备所用压边液压缸是液压动力。对于板材可以实现压边力，对于管材和型材可以实现合模力，具体作用要依据模具类型而定。

该设备所用液体工作介质不仅限于液体、同时还可以使用橡胶等柔性介质，也可以使用离散介质，例如颗粒、液体和颗粒不同比例的混合系统介质。具体选择需根据不同的成形材料、变形量、成形零件的结构进行选择。

该设备所用工件类型包括：板材、管材、型材。成形不同类型的工件需对模具结构、成形介质等做相应调整即可。

该设备所用机体结构用于为其他结构和零部件提供支撑和装配，并在一定程度上实现减震功能。

高能率脉动冲击液压成形的主要参数包括冲击频率和冲击能量。不同冲击频率下，在冲击间隔时间内材料的恢复行为不同，不同冲击能量材料的变形程度不同，本实用新型脉动冲击液压成形有以下4种工作模式，见图1，分别是：频率和能量都固定(a)、频率固定能量变化(b)、能量固定频率变化(c)、频率和能量都变化(d)。

成形过程中，脉动冲击频率可在10次/分钟-100次/分钟内调节，冲击源能量提供方式为高速高压液体，通过控制蓄能器进而控制冲击体的冲击速度和能量，冲击能量可达10KJ-100KJ，冲击速度可达10m/s-50m/s，通过全液压驱动方式控制冲击体的高速下落冲击和返回运动。成形过程是动态载荷过程，材料的应变速率可达10³s^-1以上。

高能率脉动冲击液压成形的其他两个重要参数是压边力和液体介质体积，压边力需要根据最大成形压力进行设定，液体介质体积决定了用于材料成形的能量传递比率。压边液压缸的压边力(合模力)的调节范围为200t-500t。冲击频率、冲击能量、压边力、液体介质体积都可以调节。

该实用新型所述高能率脉动冲击液压成形过程分为以下几个阶段：

(1)准备阶段，过程为：将模具安装于机体；

(2)放料阶段，过程为：坯料放于模具；

(3)压边(合模)阶段：压边液压缸下行，施加压边力；

(4)充液阶段：充入一定体积的工作介质；

(5)第一次冲击行程：冲击行程蓄能器供给高压高速液压源，高压高速液压源驱动冲击体产生高速运动，高速运动的冲击体冲击液体介质，液体介质产生瞬时高压，瞬时高压驱动板材变形；

(6)第一次返回行程：返回行程蓄能器供给高压高速液压源，驱动冲击体产生高速运动返回。

(7)中间冲击行程及返回行程：根据材料的变形程度，进行第二次，第三次冲击，每次冲击行程和返回行程如步骤(5)-(6)所述，成形过渡形。

(8)完成零件终成形，整个脉动冲击液压成形过程结束。

实施例1

本实施例以一种典型板材零件为例，结合图2-5说明本实用新型的具体实施方案。

(1)参数制定阶段，根据材料和零件要求，制定冲击频率，冲击能量，充液量，压边力；例如1mm厚屈服强度300MPa延伸率50％的金属板材，采用三次冲击，每次冲击能量16KJ，冲击速度20m/s，所需成形零件型腔体积2L，实际充入工作介质3L，压边力150t。

(2)准备阶段，如图2，过程为：将板材模具8安装于机体7，并精确定位，以便冲击成形过程中冲击体4和板材模具8型腔具有良好的同轴度；

(3)放料阶段，如图2，过程为：板材9放于板材模具8中并定位；

(4)压边(合模)阶段，如图2，过程为：压边液压缸6下行，根据成形需求，施加预设的压边力F；

(5)充液阶段，如图2，过程为：根据成形需求，充入一定体积的液体介质10；

(6)第一次冲击行程，如图3，过程为：冲击行程蓄能器1供给冲击行程高速高压液压介质11，冲击行程高速高压液压介质11驱动冲击体4产生高速运动，高速运动的冲击体4冲击液体介质10，液体介质10产生瞬时高压，瞬时高压驱动板材9变形；

(7)第一次返回行程，如图4，过程为：高返回行程蓄能器2供给返回行程高速高压液压介质12，返回行程高速高压液压介质12驱动冲击体4产生高速运动返回。

(8)中间冲击行程及返回行程：根据成形需求进行第二次，第三次冲击，每次冲击行程和返回行程如步骤(5)-(6)所述，成形过渡形。

(9)完成零件终成形，如图5，整个脉动冲击液压成形过程结束。

实施例2

本实施例以一种典型管材零件为例，结合图6-7详述本实用新型。

采用上述高能率脉动冲击液压成形设备，难成形材料管材的成形过程和实施例1中板材零件的成形过程相同，其中管材模具13的作用同板材模具8，管材14的作用同板材9。