热态金属板材快速气压胀形方法与流程

本发明涉及金属板材零件成形技术，具体涉及一种可实现金属板材在热态下快速气压胀形的方法。

背景技术：

金属钣金构件的制造，主要是依靠金属材料的塑性变形能力，利用外部施加的载荷使坯料发生塑性变形来实现。对于不同的金属材料，需采用不同的成形工艺及成形条件。

由于铝合金、镁合金及钛合金等材料密度小、比强度高，相同质量的零件可以提供更高的承载能力，所以此类材料被称为轻质材料。此类材料的一个共性缺点是室温下塑性较差，在室温下难以制造复杂的零件。目前，主要采用热态成形方法来成形此类材料，即将待成形的坯料加热到合适的温度后再进行成形。根据成形时材料变形速度的不同，可以将热态成形分为低速和快速两类，如超塑成形即为典型的低速成形，而高压气胀则为典型的快速成形。超塑成形，是利用较低的气体压力(一般低于10大气压，即1.0mpa)使处于高温的坯料以很慢的速度变形，应变速率通常低于10^-2/s。因高温环境下人员无法操作，或因高温下零件粘在模具上，在成形后需要等模具和零件冷却到较低温度才能取出零件。因此，超塑成形单个零件往往需要数个小时甚至更长时间。这一缺点极大限制了超塑成形在大批量生产中的应用。高压气胀，是通过提高气体压力(如达到10mpa甚至更高)，使坯料在较短时间内完成变形。由于高压气胀的整个过程非常快，单个零件成形周期只有数十秒甚至更短，因此成为上述轻质金属材料大批量生产的先进技术。高压气胀成形时，目前主要通过模具上局部设置的充气孔向模腔内快速充气以使板坯发生变形。由于胀形时板坯和模具都处于较高的温度，而充入的气体处于常温且高压的状态，在充气过程中因空气流动和压力降低将使坯料上局部区域的温度产生明显下降而形成非均匀的温度场。对于形状简单的零件如轴对称的圆筒形零件，充气孔往往正对着板坯的中心位置，所以可以基本保证零件按对称的方式发生变形。但是对于复杂的板材零件，如果充气孔位置设置不合理，将在板坯上形成不合理的温度场分布。另一方面，由于在快速充气时气体是由局部的充气口充入到板坯与模具型腔构成的密闭空间，在充气的较短时间内气体压力也可能存在一定程度的不均匀。金属板坯的变形是由板坯上的温度分布和板坯上所作用的气体压力共同决定的，当这种温度分布和压力分布不合理时，将难以获得需要的最终零件。

为了实现壁厚较薄、形状复杂的薄壁金属钣金零件的精密、快速成形，需要开发一种能够保证坯料在合理的温度条件以及合理的气压条件下变形的成形技术。

技术实现要素：

本发明是为解决现有的热态金属板材成形技术无法保证坯料在合理的温度条件和压力条件下变形，从而无法实现复杂金属钣金零件特别是薄壁零件的精密、快速成形的问题，进而提出一种热态金属板材快速气压胀形方法。

热态金属板材快速气压胀形方法，是按照以下步骤实施的：

步骤一、将待成形金属板坯放置到成形模具上，闭合密封模具以在金属板坯的上下表面形成密闭的空腔；

步骤二、向金属板坯与密封模具、金属板坯与成形模具构成的上下密闭空腔中同时充入压力相等的高压气体；

步骤三、将金属板坯加热到预先设定的成形温度条件；

步骤四、快速释放金属板坯与成形模具所构成的密闭空腔中的高压气体，使金属板坯在另一侧高压气体的作用下发生快速胀形而贴合到成形模具的模腔；

步骤五、卸除金属板坯与密封模具所形成空腔中的气体，开启密封模具，得到成形后的钣金零件。

本发明的有益效果是：

(1)充气过程独立可控：金属板坯两侧的高压气体是同时充入的，由于板坯两侧气体的压力保持或基本保持相等，金属板坯上下表面处于平衡状态因此不会发生胀形变形(见图4-图8)，避免了传统的直接充入高压气体(见图1-图4)进行胀形时，气体压力的增加和板坯的变形同时进行且复杂变化(见图9)导致难以对变形过程进行有效控制的问题；

(2)充气过程提前进行：将金属板坯放入到模具中并合模实现密封后，可以立即向板坯两侧的空腔充入高压气体(见图6)，无需等到将板坯的温度调整到特定的状态，或者说不需要考虑充入高压气体可能对板坯温度产生的影响，因此整个充气增压过程可以在很短的时间内完成(见图10)；

(3)板坯温度不受影响：胀形成形时坯料已处于合理的温度条件下(板坯上的温度既可以是等温分布也可以是非等温分布)，在成形过程中没有外部的气体直接吹到板坯上而引起温度条件的变化，避免了传统的直接充入高压气体可能导致板坯上温度发生不合理变化而影响板坯胀形变形的问题；

(4)快速成形性能好：胀形成形时，板坯与成形用模具之间的气体在很短的时间内快速排出，在板坯的两侧将快速形成一定数值的压力差，当这种压力差的数值较大时，金属板坯将在很短时间内发生胀形(见图8、图10)。由于变形速度快、应变速率高，金属板材在这种条件下的成形性能一般更高，所以为成形复杂零件特别是局部应变量较大的零件提供了基础；

(5)压力差分布可控：胀形成形时，密封模具与金属板坯之间的空腔中的气体压力保持或基本保持均匀，而且在胀形过程中气体压力的数值不会发生大的变化。在板坯的另外一侧，通过在成形用模具上的不同位置开设放气孔，通过控制不同位置的放气速度可以在板坯的下表面形成不同的压力分布(见图11、图16和图17)。换言之，通过控制放气位置和放气速度可以在板坯上形成不均匀的压力差分布，这就为成形复杂金属零件时控制坯料上各处的变形提供了可能。

(6)成形时温度分布可控：金属板坯的加热，既可以在放入模具前在模具外进行预热，也可以在放入模具后通过热态模具来加热，还可以通过直接在板坯的两端连接电源电极进行加热。实践中，也可以将不同的加热方法进行组合以获得需要的特定温度分布条件。由于充气过程是在温度调节前完成的，而通过快速放气以在板坯上形成压力差是在很短时间内完成的，因此这就说明在胀形成形时金属板坯上的温度分布条件是稳定的，这就为合理利用温度分布来获得需要的胀形变形提供了可能；

(7)成形精度高：由于金属板坯的胀形成形是在数秒或更短的时间内完成，金属板坯从胀形开始到与模具完全贴合所经历的时间很短，所以板坯的温度不会因与成形用模具接触而发生明显降低，因此所采用的成形用模具可以是温热状态甚至是常温状态，这就意味着最终零件的形状尺寸精度完全由成形用模具决定，从而避免了传统的采用热态模具可能因热胀冷缩而影响模具型腔尺寸精度的问题；

(8)成形效率高：由于充气增压过程、放气建立压力差的过程都在很短的时间内完成，这就解决了传统的快速气压胀形过程中为了避免快速充气增压可能对板坯上温度分布、压力分布产生不利影响而被迫降低充气速度的问题，从而可以实现复杂零件的快速气压胀形。

附图说明

图1为传统的板坯直接充气胀形的坯料放置示意图；

图2为传统的板坯直接充气胀形的合模密封示意图；

图3为传统的板坯直接充气胀形的气压变化下的胀形示意图；

图4为传统的板坯直接充气胀形的充气胀形结束示意图；

图5为本发明的热态快速气压胀形的坯料放置示意图；

图6为本发明的热态快速气压胀形的合模密封快速充气示意图；

图7为本发明的热态快速气压胀形的快速放气示意图；

图8为本发明的热态快速气压胀形的气压恒定下的快速胀形示意图；

其中，1为金属板坯，2为密封模具，3为胀形模具，4为密封模具充气孔，5为胀形模具充气孔，6为胀形模具放气孔；

图9为传统的直接充气胀形时气体压力和应变的变化示意图，其中，t为传统的直接气压胀形过程所用时间，p0为直接充气气压，时间单位为秒，气压单位为mpa；

图10为本发明所采用方案中快速放气时的气体压力和金属板坯应变的变化示意图；

图11为本发明所采用方案中控制放气速率时的气体压力和金属板坯应变的变化示意图；

其中，t1为本发明所采用方案中气体增压(充气)所用时间，t2为金属板坯背面气压(放气)快速降低所用时间，t3为金属板坯背面气压完全消除后的胀形时间，t4为胀形贴模后的保压及卸压所用时间，p1为密封模具与金属板坯所形成的空腔中的气压，p2为胀形模具与金属板坯所形成的空腔中的气压，其中时间单位为妙，气压单位为mpa；

图12为本发明具体实施方式二中充气后采用热态钢板对金属板坯进行加热的示意图；

图13为图12的快速放气示意图；

图14为图13的快速胀形示意图；

图15为本发明具体实施方式三在成形模具底部布置多个放气孔实现可控放气的示意图；

图16为本发明具体实施方式四中放气孔上布置气体调节阀门控制放气速率的示意图；

图17为多个放气孔上布置气体调节阀门的快速胀形示意图；

图18为本发明具体实施方式五中采用常温的成形模具和密封模具，并利用电源电极对金属板坯进行快速加热的示意图；

图19为图18中电源电极快速加热后金属板坯胀形示意图；

其中，7为热态钢板，8为通风孔，9为气体调节阀门，10为电源电极；

图20为金属板坯温度分布测量装置示意图；

图21为金属板坯上一个直径为40mm的圆形区域作为测量区域，持续通气5s时温度变化状态图；

图22为金属板坯圆形区域的温度测量示意图及测量结果；

图23为中间局部快速通气导致金属板坯产生破裂示意图；

图24为单侧快速通气导致一侧贴模效果差的示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

具体实施方式一：参见图5-图8及图10说明，热态金属板材快速气压胀形方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、将待成形金属板坯1放置到成形模具3上，闭合密封模具2以在金属板坯1的上下表面形成密闭的空腔；

步骤二、由上充气孔4和下充气孔5分别向金属板坯1与密封模具2、金属板坯1与成形模具3构成的上下密闭的空腔中同时充入压力相等的高压气体；

步骤三、将金属板坯1加热到预先设定的成形温度条件；

步骤四、由放气孔6快速释放金属板坯1与成形模具3所构成密闭的空腔中的高压气体，使金属板坯1在金属板坯1与密封模具2构成密闭的空腔中的高压气体作用下发生快速胀形而贴合到成形用模具3的模腔上；

步骤五、卸除金属板坯1与密封模具2所形成空腔中的气体，开启密封模具2，得到成形后的钣金零件。

本实施方式中，金属板坯上下板面的高压气体是同时充入且气压保持相等或近保持相等，也即p1＝p2，(见图6和图10)，金属板坯1的上下表面处于平衡状态，因此不会发生胀形变形，避免了传统的直接充入高压气体进行胀形时充入气体和金属板坯变形同时进行导致难以对变形过程进行合理控制的问题(如图3胀形过程中直接充气气压p0是变化的，见图9所示；而如图7和图8本发明放气和胀形过程中金属板坯和密封模具形成的空腔中气体气压p1是恒定的，见图10和图11所示)。将金属板坯放入到密封模具和成形模具中并合模实现密封后，可以立即向金属板坯上下的空腔充入高压气体，无需等到将金属板坯的温度调整到特定的状态，或者说不需要考虑充入高压气体对金属板坯温度可能产生的影响，因此整个充气增压过程可以在很短的时间内完成。

气压加载对板材温度的影响：热态快速气压成形时，快速充入高压气体，气体通常为高压压缩气体，温度低于常温。快速充填时，极易影响热态板材温度。图20为板材温度分布测量装置(仿真，删除掉)示意图，通过flirsc325红外热像仪进行测量，辐射率为0.3655，反射温度为20.0℃，距离为1.0m，大气温度为20.0℃。

图21为持续通气5秒过程中板坯上温度变化。选取板材上一个圆形区域e1作为测量区域，其直径为40mm，由图21和图22可看出，随着通气进行(通气时间为0-5秒)，板材温度逐渐下降。离中心距离越小，温度下降幅度越大。通气5s后温度下降高达160℃。充气过程中板材温度的快速下降，一方面将导致局部板材成形性能下降，另一方面板坯上不同区域温度的不合理分布可能引起复杂的不协调变形。

如图23所示，快速气压成形时只是在板坯的中间位置快速通气，因先接触气体的中间区域温度快速下降，成形性能降低，所以出现了破裂缺陷。

如图24所示，快速气压成形时只是单侧快速通气，因先接触气体的区域温度下降，变形抗力增加，所以出现先充气一侧(图中左侧)的贴模效果差。

具体实施方式二：参见图5-图8、图10、图12-图14说明，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤三中，限定金属板坯的加热方式，模具外预热、钢板接触加热、模具辐射加热等，金属板坯等温和不等温，具体为：在步骤一中，所采用的密封模具2和成形模具3都处于热态，其温度为t2。金属板坯1的预定成形温度为t0。金属板坯1在放入密封模具3和成形模具2之前已预热至温度t1。当t1小于t0时，则需要t2>t0，以利用模具对金属板坯1再进行加热以达到预定成形温度t0。对于原始金属板坯1尺寸较大且与模具型腔距离较远时，可以在金属板坯1的上表面即密封模具2与金属板坯1构成的空腔内另外放置热态钢板7，热态钢板7的温度为t3且t3>t0。热态钢板7与金属坯料1平行放置且距离较近或直接接触，在热态钢板7上设置有通风孔8。

本实施方式中，针对金属板坯1的不同成形温度要求，采用不同的方式对金属板坯1进行加热。既可以实现近似均匀的温度分布，也可以通过控制模具的温度分布、热态钢板7的温度分布等在金属板坯1上形成不均匀的温度分布。这为有效控制金属板坯1的胀形变形从而获得复杂形状的零件提供了可能。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：参见图5-图8、图10和图15-图17说明，本实施方式与具体实施方式一或二不同点在于：限定放气孔的布置方式，对于不同的零件，采用不同的布置方式，具体为：在步骤四中，在成形模具3的底部开设有多个不均匀分布的放气孔6，放气孔一6-1位于空腔的左侧，放气孔二6-2和放气孔三6-3位于空腔的右侧。

本实施方式中，当成形模具3的密闭空腔为复杂的非对称结构时，通过合理设置放气孔6的个数和位置，可以使金属板坯1与成形模具3形成的密闭的空腔中的高压气体以几乎相同的速度快速释放至常压，从而可以在金属板坯1的上表面和下表面快速形成近似均匀的压力差。放气孔二6-2至放气孔一6-1的距离较远，放气孔二6-2和放气孔三6-3相近设置，金属板坯1将在足够高的气体压力作用下发生快速胀形。其它步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：参见图5-图8、图11和图15-图17说明，本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点在于：限定快速释放气体的速度和压力值(对于不同的零件，可能需要不同的放气速度，背压可能还要一直有，到最后完全放掉，具体为：在步骤四中，在成形模具3的底部开设的多个放气孔6上还设置有气体调节阀门9，每个放气孔的放气速度可以通过气体调节阀门9进行调节。

本实施方式中，因为在快速放气过程中由于高压气体的快速流动，将在型腔内产生不同的气体压力分布。通过合理设置放气孔6的个数和位置，并通过调节各放气孔的放气速度，将在金属板坯1与成形用模具3形成的空腔中形成不均匀的气体压力，因此金属板坯1的下表面上将作用有不同的压力。由于金属板坯1的上表面的压力是近似均匀的，所以金属板坯1将在不均匀分布的压力差条件下发生快速胀形。合理设置不均匀分布的压力差，则可以合理控制金属板坯1上不同部位的变形，从而实现复杂形状零件的成形。其它步骤与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：参见图5-图8、图11和图18说明，本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点在于：冷的模具，金属板坯1的加热方式为电加热，具体为：在步骤一至步骤五中，密封模具2和成形模具3都处于常温的温度条件，金属板坯1在放入模具前也处于常温状态。在步骤三中，利用设置在金属板坯1上的电极10对其进行快速加热。

本实施方案中，金属板坯1、密封模具2、成形模具3在初始都处于常温状态，金属板坯1的取放、转移等可以采用传统的方法和装置实现。在步骤二中无需考虑充气过程可能对金属板坯1温度的影响，而在步骤三中金属板坯1的加热可以在数秒内完成，因此，充气和金属板坯1的加热过程互相独立、不影响。这就大大简化了坯料的取放、缩短了对模具温度的调节和控制时间。此外，由于成形模具3在常温下的空腔就是最终零件的形状，避免了采用热态模具时因热胀冷缩而影响模具精度的问题。这也为成形精度要求高的零件提供了可能。其它步骤与具体实施方式一至四之一相同。