一种高筋薄壁构件电磁冲击复合成形装置及方法

1.本发明涉及高性能构件成形制造技术领域，尤其是涉及一种高筋薄壁构件电磁冲击复合成形装置及方法。


背景技术：

2.随着航空航天、高铁、汽车等领域对关键机械装备高性能、轻量化的要求越来越高，高筋薄壁构件因其独特的轻量化结构特征与高承载能力逐渐代替传统结构零部件。高筋薄壁构件尺寸大，壁板薄且筋条高，筋条的高宽比差异较大，这些独特的结构特点可以使高筋薄壁构件重量大大减轻，承受载荷能力不变的前提下所占用的空间面积减小，满足高功效和轻量化等特点。
3.受到锻造、挤压和冲压等传统成形制造工艺的限制，高筋薄壁构件制造及其困难。目前通常采用精密铸造、锻造工艺、薄板筋条铆接、数控和铣削加工相结合等制造方法，其中锻造工艺中，由于筋部高宽比大锻件易出现填充不满、折叠、根部断裂、流线露出等缺陷。铣削加工方法材料利用率低，成本高，生产周期长，加工过程中应力较大，且腹板和高筋几何精度难以保证。薄板筋条铆接方法设计管理成本高，工周期长，质量稳定性差，铆钉的数量严重制约高筋薄壁构件向高性能轻量化发展。而采用数控加工方式则会破坏金属整体流线，无法满足成形件强度和刚度要求，难以保证其极端服役性能和可靠性。
4.因此电磁冲击复合成形技术作为一种先进的高能率塑性成形技术逐渐成为一种新型加工工艺方法。该方法主要利用低频脉冲电流产生的冲击效应，提高金属材料塑性性能、降低变形抗力，解决了镁合金、铝合金、钛合金和高温合金等轻质材料的室温成形性能有限的问题。通电过程中，脉冲电流产生的电磁冲击效应，使得金属材料内部产生大量漂移的自由电子定向撞击位错，促进位错在其滑移面上的运动和“脱钉扎”。另外，脉冲电流在坯料周围产生磁场，对坯料施加径向压力，锻造过程中坯料更容易变形，坯料塑性和流动性大幅度提升，金属材料可充分填满模具型腔，在有限能量条件下，大大提高了高筋薄壁构件的成形性和成形质量。
5.申请号为cn201910821894.3的中国发明专利提出了一种高强轻质合金复杂异形构件高密度脉冲电流辅助成形方法和低密度脉冲电流强韧化处理方法，该方法的脉冲电场密度为20-400a/mm2，脉冲电场频率为20-500hz，坯料需在脉冲电流焦耳热效应作用下加热至指定温度。申请号为cn201910545386.7的中国发明专利提出了一种金属板材电流辅助热弯曲方法和一种金属板材电流辅助扩散连接方法，该方法施加电流密度为10-11a/mm2，需将板材升温至980℃，并920℃保温1min。
6.从上述现有技术中可以看出，现有的脉冲电流辅助成形方法通常需要通过脉冲电流焦耳热效应将坯料加热至预设温度。然而，对于高筋薄壁构件的成形，由于高筋薄壁构件的高筋区域在通电时的电流通量明显高于其他区域，因此，对于高筋薄壁构件的高筋区域的脉冲电流辅助成形实际上并不需要对坯料进行预加热；同时，若采用现有的脉冲电流辅助成形方法成形高筋薄壁构件，在预加热阶段，可能会出现坯料温度分布不均匀的情况，从
而导致坯料氧化、元素烧损、冷却开裂等情况的出现；此外，预加热过程也会消耗大量的能源，增加了生产成本。


技术实现要素：

7.有鉴于此，有必要提供一种高筋薄壁构件电磁冲击复合成形装置及方法，用以解决现有的脉冲电流辅助成形方法成形高筋薄壁构件时可能出现的坯料温度分布不均匀的情况，从而导致坯料氧化、元素烧损、冷却开裂等情况的出现，以及预加热过程也会消耗大量的能源，增加生产成本的技术问题。
8.为了实现上述目的，本发明提供了一种高筋薄壁构件电磁冲击复合成形装置，包括成形机构及供电机构；
9.所述成形机构包括下模板、上模板及压力机，所述压力机与所述上模板连接、并用于带动所述上模板扣合于所述下模板上，以使所述上模板与所述下模板之间形成一用于放置坯料的成形腔；
10.所述供电机构包括第一电极、第二电极及脉冲直流电源，所述第一电极内嵌于所述下模板内、并与所述坯料抵接，所述第二电极内嵌与所述上模板内、并与所述坯料抵接，所述脉冲直流电源的一端与所述第一电极电连接，所述脉冲直流电源的另一端与所述第二电极电连接。
11.所述第一电极及所述第二电极均由紫铜和/或黄铜材料制成。
12.在一些实施例中，所述坯料为高强钢坯料、铝合金坯料、钛合金坯料及镁合金坯料中的至少一者。
13.在一些实施例中，所述成形机构还包括下垫板、上垫板、下绝缘板及上绝缘板，所述下垫板设置于所述下模板的下方，所述上垫板设置于所述上模板的上方，所述下绝缘板固定设置于所述下垫板与所述下模板之间，所述上绝缘板固定设置于所述上模板及所述上垫板之间，所述压力机的输出轴与所述上垫板固定连接。
14.在一些实施例中，所述下绝缘板及所述上绝缘板均由云母和/或陶瓷制成。
15.在一些实施例中，所述上模板及所述下模板的表面均喷涂有耐高温绝缘材料。
16.在一些实施例中，所述耐高温绝缘材料为氧化锆和/或氮化硼。
17.本发明还提供了一种高筋薄壁构件电磁冲击复合成形方法，适用于所述的高筋薄壁构件电磁冲击复合成形装置，包括如下步骤：
18.将坯料放置于下模板上的型腔内；
19.通过压力机带动上模板及第二电极下移，当第二电极与坯料抵接时，第二电极、坯料、第一电极及脉冲直流电源构成一闭合回路，脉冲直流电源输出的脉冲电流通过坯料，使坯料低损伤变形；
20.在此过程中，压力机持续对上模板施加向下的压力，直至上模板与下模板合模。
21.在一些实施例中，所述脉冲直流电源输出的脉冲电流的频率为0.2-50hz，输出的脉冲电流的电流密度为1-50a/mm2。
22.在一些实施例中，所述压力机的输出轴的下行速度为1-30mm/s。
23.与现有技术相比，本发明提供的技术方案的有益效果包括：
24.(1)针对高筋薄壁构件中难以成形的高筋区域施加脉冲电流，脉冲电流产生的电/
磁致效应和焦耳热效应，降低了高筋区域内金属材料内部的流动应力，大幅度提升成形时坯料塑性，高筋更易于成形；
25.(2)针对高筋薄壁构件中难以成形的高筋区域，采用低电流密度低频率脉冲电流局部渐变通电辅助成形，即利用脉冲电流的电/磁致塑性效应对局部高筋大变形区域进行近室温成形，坯料无需在脉冲电流焦耳热效应作用下加热，避免了坯料温度分布不均匀以及加热不当导致的坯料氧化、元素烧损、冷却开裂等情况的出现，节约了能源，降低了生产成本。
附图说明
26.图1是本发明提供的高筋薄壁构件电磁冲击复合成形装置的一实施例的立体结构示意图；
27.图2是图1中的高筋薄壁构件电磁冲击复合成形装置的电路结构示意图；
28.图3是本发明提供的实施例1中的高筋薄壁构件的立体结构示意图；
29.图4是本发明提供的实施例1中的高筋薄壁构件成形时等效应变分布图；
30.图5是本发明提供的实施例1中的高筋薄壁构件成形时电流通量分布图；
31.图6是本发明提供的实施例2中的高筋薄壁构件的立体结构示意图；
32.图7是本发明提供的实施例2中的高筋薄壁构件材料7075-t6铝合金常温拉伸与电流辅助拉伸应力应变曲线；
33.图8是本发明提供的实施例2中的高筋薄壁构件接头成形时等效应变示意图；
34.图9是本发明提供的实施例2中的高筋薄壁构件接头成形时电流通量分布示意图；
35.图中：1-成形机构、11-下模板、12-上模板、13-下绝缘板、14-上绝缘板、2-供电机构、21-第一电极、22-第二电极、23-脉冲直流电源、3-坯料。
具体实施方式
36.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
37.请参照图1和图2，本发明提供了一种高筋薄壁构件电磁冲击复合成形装置，包括成形机构1及供电机构2。
38.所述成形机构1包括下模板11、上模板12及压力机，所述压力机与所述上模板12连接、并用于带动所述上模板12扣合于所述下模板11上，以使所述上模板12与所述下模板11之间形成一用于放置坯料3的成形腔，下模板11及上模板12采用常规模具材料制作即可。
39.所述供电机构2包括第一电极21、第二电极22及脉冲直流电源23，所述第一电极21内嵌于所述下模板11内、并与所述坯料3抵接，所述第二电极22内嵌与所述上模板12内、并与所述坯料3抵接，所述脉冲直流电源23的一端与所述第一电极21电连接，所述脉冲直流电源23的另一端与所述第二电极22电连接。将第一电极21嵌入下模板11内，将第二电极22嵌入上模板12内，可保证第一电极21及第二电极22与坯料3相接触，将电流输入至坯料3中，同时，可避免在坯料3成形过程中第一电极21及第二电极22发生变形。
40.在使用时，将坯料3放置于下模板11上的型腔内；通过压力机带动上模板12及第二电极22下移，当第二电极22与坯料3抵接时，第二电极22、坯料3、第一电极21及脉冲直流电
源23构成一闭合回路，脉冲直流电源23输出的脉冲电流通过坯料3，使坯料3在低电流密度及低频率脉冲条件下低损伤变形，在此过程中，压力机持续对上模板12施加向下的压力，直至上模板12与下模板11合模。
41.本发明提供的技术方案的有益效果包括：
42.(1)针对高筋薄壁构件中难以成形的高筋区域施加脉冲电流，脉冲电流产生的电/磁致效应和焦耳热效应，降低了高筋区域内金属材料内部的流动应力，大幅度提升成形时坯料塑性，高筋更易于成形；
43.(2)针对高筋薄壁构件中难以成形的高筋区域，采用低电流密度低频率脉冲电流局部渐变通电辅助成形，即利用脉冲电流的电/磁致塑性效应对局部高筋大变形区域进行近室温成形，通过电磁冲击能量与材料内能的复合，产生电/磁致塑性效应，增加材料流动能量和塑性，并直接驱动微区高能不稳定原子重构，精细调控微区结构，靶向修复缺陷损伤，降低应力和变形，坯料3无需在脉冲电流焦耳热效应作用下加热，避免了坯料温度分布不均匀以及加热不当导致的坯料氧化、元素烧损、冷却开裂等情况的出现，节约了能源，降低了生产成本，缩短了生产周期。
44.为了提高导电效果，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述第一电极21及所述第二电极22均由紫铜和/或黄铜材料制成。
45.为了提高坯料3的强度，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述坯料3为高强钢坯料、铝合金坯料、钛合金坯料及镁合金坯料中的至少一者。
46.为了避免脉冲电流对人和压力机的控制系统造成损伤，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述成形机构1还包括下垫板、上垫板、下绝缘板13及上绝缘板14，所述下垫板设置于所述下模板11的下方，所述上垫板设置于所述上模板12的上方，所述下绝缘板13固定设置于所述下垫板与所述下模板11之间，所述上绝缘板14固定设置于所述上模板12及所述上垫板之间，所述压力机的输出轴与所述上垫板固定连接，通过下绝缘板13及上绝缘板14对第一电极21及第二电极22进行绝缘隔离，从而避免脉冲电流对人和压力机的控制系统造成损伤，避免漏电导致的安全事故的发生。
47.为了具体实现隔热绝缘功能，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述下绝缘板13及所述上绝缘板14均由云母和/或陶瓷制成。
48.为了进一步避免漏电导致的安全事故的发生，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述上模板12及所述下模板11的表面均喷涂有耐高温绝缘材料。具体地，在一优选的实施例中，所述耐高温绝缘材料为氧化锆和/或氮化硼，氧化锆化学性质不活泼，具有高熔点、高折射率和低的热膨胀系数等特点，是良好的耐高温和绝缘材料。
49.本发明还提供了一种高筋薄壁构件电磁冲击复合成形方法，包括如下步骤：
50.s1、将坯料放置于下模板上的型腔内；
51.s2、通过压力机带动上模板及第二电极下移，当第二电极与坯料抵接时，第二电极、坯料、第一电极及脉冲直流电源构成一闭合回路，脉冲直流电源输出的脉冲电流通过坯料，使坯料低损伤变形；
52.s3、在此过程中，压力机持续对上模板施加向下的压力，直至上模板与下模板合模；
53.s4、压力机卸载，模具上行，关闭脉冲直流电源，取出成形构件。
54.本发明提供的技术方案针对高筋薄壁构件中难以成形的高筋区域，采用低电流密度低频率脉冲电流局部渐变通电辅助成形，即利用脉冲电流的电/磁致塑性效应对局部高筋大变形区域进行近室温成形，坯料3无需在脉冲电流焦耳热效应作用下加热，避免了坯料温度分布不均匀以及加热不当导致的坯料氧化、元素烧损、冷却开裂等情况的出现，节约了能源，降低了生产成本。
55.为了具体实现低电流密度低频率脉冲电流局部渐变通电辅助成形，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述脉冲直流电源输出的脉冲电流的频率为0.2-50hz，输出的脉冲电流的电流密度为1-50a/mm2。
56.为了提高成形效果，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述压力机的输出轴的下行速度为1-30mm/s。
57.下面结合2个具体实施例来对本发明的原理及工作过程进行详细说明。
58.实施例1
59.请参照图3-图5，实施例1为典型高筋薄壁构件，材料为2024铝合金，其立体结构示意图如图3所示。该构件轴线相对较长，垂直于轴线方向的筋板高度不等，高筋筋高25mm，筋宽3mm；低筋筋高15mm，筋宽2mm；中间筋间隔12.5mm，底部厚度为5mm。成形过程中坯料轴线方向与模具下行方向相互垂直，金属沿轴向方向流动阻力小，垂直于轴线方向的流动阻力较大。模具设计为封闭式结构，在构件成形后期利用横向方向流动阻力将金属反挤入上模具型腔内，高筋薄壁构件高筋高宽比大，成形选择压入式填充方式。
60.实施例1中的高筋薄壁构件成形时等效应变分布图如图4所示。根据塑性流动最小阻力定律，金属总朝着最小阻力的方向移动，坯料向着构件底部四周流动，环形坯料被压缩墩粗，金属沿着下模腔四周成形构件外缘，因外缘呈阶梯状，此处金属发生较大形变，上模下行过程中，金属材料反挤入高筋型腔内，形成高筋雏形，由于金属与模具之间存在摩擦，使得金属流动过程中，表层速度与内部速度不一致，高筋成山峰状，高筋底部区域的形变大于顶部，上模具继续下行，金属不断反挤入高筋型腔内，金属继续填充构件外缘，由于低筋先于高筋成形，模具下行导致低筋顶部发生较大变形，出现明显的折叠缺陷。
61.实施例1中的高筋薄壁构件成形时电流通量分布图如图5所示。根据流动路径电阻大小不同，坯料与电极之间的接触处电流通量较高，远离电极的坯料的电流通量较小，电流通量沿着不同的路径向零电势处汇集，部分电流因集肤效应流向坯料表面。模具下行过程中，坯料电阻随着坯料形状变化而发生变化，坯料逐渐减薄，内部电流通量增加。较难成形的高筋成形区域位于两电极之间最短距离的区域内，根据电流向电阻最小处流动原则，高筋区域电流流动路径较短，电流通量明显高于其他成形区域。
62.实施例2
63.请参照图6-图9，实施例2为典型高筋薄壁构件接头，材料为7075-t6铝合金，其立体结构示意图如图6所示。接头构件的轴线相对较长，垂直于轴线方向的筋板较高，中间肋板处最大筋高60mm，筋宽6mm，筋高宽比达到10，中间两肋板间隔88mm，腹板厚度不等，最厚处(底板中间)可达10mm，最薄处(底板两侧)仅为6mm，筋板与背部肋板，筋板与底板之间均有半径为3mm的过渡圆弧。高筋薄壁构件接头结构较为简单，无需采用预锻工艺。
64.图7为实施例2中的高筋薄壁构件材料7075-t6铝合金常温拉伸与电流辅助拉伸应力应变曲线。7075-t6铝合金在塑性变形阶段通入持续脉冲电流，材料内应力会突然迅速下
降，出现明显的应力降现象。经过一次脉冲电流冲击后，铝合金在在塑性强化阶段会出现塑性失稳现象，分布有稀疏的应力锯齿形状，应力跌幅较小。
65.图8为实施例2中的高筋薄壁构件接头成形时等效应变示意图。图9为实施例2中的高筋薄壁构件接头成形时电流通量分布示意图。
66.采用本发明所述的一种高筋薄壁构件电磁冲击复合成形方法，与现有的方法相比，其有益效果是：对于高筋薄壁构件难以成形的高筋区域，可对其施加脉冲电流，利用脉冲电流产生的电、磁效应和焦耳热效应，降低高筋区域材料内部流动应力，金属材料可充分填充模具高筋型腔，提升了高筋薄壁构件成形质量和精度。
67.综上所述，本发明提供的技术方案针对高筋薄壁构件中难以成形的高筋区域，采用低电流密度低频率脉冲电流局部渐变通电辅助成形，即利用脉冲电流的电/磁致塑性效应对局部高筋大变形区域进行近室温成形，坯料3无需在脉冲电流焦耳热效应作用下加热，避免了坯料温度分布不均匀以及加热不当导致的坯料氧化、元素烧损、冷却开裂等情况的出现，节约了能源，降低了生产成本。
68.本发明提供的技术方案在坯料成形过程中通入脉冲电流，降低了构件高筋区域金属材料内部的流动应力，材料流动能力增强，更易于变形，解决了高筋部位填充困难，区域内存在金属流动死点等问题和锻件易出现折叠、填充不满等缺陷，大大提升了高筋薄壁构件成形精度和成形质量。
69.以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。