高速率板材冲压成形

2015 年春季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目: 板材成形性能与塑性失稳理论学生所在院（系）:材料科学与工程学院学生所在学科:材料工程学生姓名学号学生类别:应用型考核结果阅卷人高速率板材冲压成形高速率成形技术指在极短的时间内，将巨大能量通过介质（空气或水等）以高压冲击波作用于工件，使其在极高的速度下变形和紧贴模具而成形的一种加工方法。

它在大约几十到几百微秒的短促时间内，将能量由化学能源、电能源或其它机械能源，通过介质(空气或水等)以高压冲击波作用于工件，高速率成形的成形速率高达50-300m/s，与传统金属成形工艺最大的不同在于压力大、压力持续时间短，工件变形速度快，主要靠获得的动能，在惯性力的作用下成形。

与机械冲压成形技术、准静态液压成形技术等传统成形技术相比，具有成形力量大、成形时间短、装置简单等特点。

高速动车、航空航天、武器装备等制造业结构的轻量化要求对高强度难成形材料（如铝合金、镁合金、高强度钢等）应用日益增加，高速率成形技术因其具有提高难成形材料成形性能和减小工件回弹的优势，显示出越来越重要的应用价值。

高速率成形技术包括爆炸成形、电磁成形和液电成形等。

在高速率成形中，极高的成形压力在极短时间内加载使得工件上具有非常大的惯性力和动能，惯性的作用不可忽略。

因为高速率成形是高能量在短时间内的释放，所以高速率成形也称为高能率成形(High Energy Rate Forming)〕。

高成形速率使得多种难金属工件的成形性得到提高，使某些难加工的金属也能变得容易成形，并且在正确选择工艺参数及边界条件的情况下，可以使金属得到远大于传统准静态成形所能达到的变形程度。

1.爆炸成形技术爆炸成形是利用爆炸物质在爆炸瞬间释放出巨大的化学能使金属坯料产生塑性变形的高速率成形方法。

爆炸瞬间释放出的巨大化学能转化为周围介质的高压冲击波，并以脉冲形式作用于毛坯，使其发生塑性变形。

爆炸成形技术可将成形能量直接作用于金属坯料，也可以通过空气、水和砂等介质传播后作用于坯料。

利用介质传播爆炸成形能量的成形方法主要用于板材和管件成形、压印和翻边等，直接作用于金属坯料的爆炸成形主要用于胀形、挤压、焊接、粉末压实和表面强化等。

爆炸成形技术作为高速率成形技术相较于传统成形技术具有简化的设备和模具，高速率成形带来的低回弹率，以及可以对大型零件生产加工等特点。

但是，爆炸成形多为户外作业，受气候环境影响严重，且自动化程度低，生产效率较低，只适合单件小批量生产；危险性高、操作条件高，阻碍了其广泛应用。

2.液电成形技术液电成形是在液中高压放电产生冲击波实现零件高速成形。

图2.1是液电成形的电路原理。

电源电压经升压整流后形成高压，对高压电容器进行充电，电容器电压达到放电开关辅助间隙的击穿电压时，高压脉冲电容所储存的能量在放电电极上突然释放，在强电场作用下，液体介质发生解离和碰撞电离，形成放电通道，高压电容器会瞬时向放电通道输入巨大电能，使放电通道骤然膨胀，由液体介质传递冲击波向四周高速膨胀，实现零件高速成形。

图2.1 高电压冲击电流发生装置液电成形技术特点有以下几点：（1）成形速度快。

液中放电产生的爆炸冲击力可达103至104MPa，产生的冲击波传播速度可达超音速，成形速度达每秒几百米，远高于传统成形技术成形速度的每秒几米至几十米。

（2）成形质量高。

高成形速率提高了材料的塑性变形性能和减小了材料回弹，液体介质代替模具减小了零件表面磨损，因而，液电成形具有良好的成形精度和表面质量。

一般认为液电成形技术精度可达到0.02至0.05mm。

图2.2是研究人员对比机械冲压成形、准静态液压成形和液电成形Ｖ型槽的实验，准静态液压成形获得的零件顶端半径为1.75mm，而液电成形技术获得的零件顶端半径为0.8mm。

（3）易于实现机械化和自动化。

液电成形的成形能量由电容储存电能提供，因此，成形能量可通过电容器的电容和充电电压来控制，易于实现，且重复性好，有利于生产过程的机械化和自动化。

（4）设备通用性强。

液电成形设备主体是一套电器装置，成形部分只需凸模或凹模其中之一，改变放电元件参数及模具即可完成多种加工。

设备不需要运动部分，维护简单。

图2.2 不同成形方式实验装置对比3.电磁成形技术电磁成形(EMF，Electromagnetic Formingl是利用磁场力使金属坯料变形的高速成形方法。

它是利用脉冲电容器突然释放储存的能量，通过线圈产生强而短促的磁场,同时在金属毛坯上产生感应磁场，利用磁场力使金属成形。

因为在成形过程中载荷是以脉冲的方式作用于坯料的，故又称之为磁脉冲成形。

由于电磁成形中电磁脉冲能产生准静水压力，非常有利于防止工件起皱及回弹问题的改善。

电磁成形中材料变形时间短，一般在10一100ms之间完成，材料的高变形速率使得材料本身产生高塑性(HyPcrplasticity)现象，很大程度上提高了材料的延展性，并且成形后材料的残余应力低，回弹较小，相对于传统的静压成形改善了材料的应变。

图3.1 平板电磁成形示意图电磁成形是利用金属在脉冲磁场中受力作用而使其变形的一种加工方法，由于金属是在脉冲磁场中受力作用而变形的，也称磁脉冲成形，变形区内金属流动的速度可达到300m/s。

电磁成形加工中的磁场力一般为几十兆帕，峰值压力可达400一450兆帕。

电磁成形是利用磁场力，而不是利用机械力实现对金属的加工。

目前电磁成形工艺主要用于平板毛坯成形、管状毛坯的胀形缩径、连结以及冲裁。

电磁成形工作原理图电磁成形是利用金属在强脉冲磁场中受力作用而使工件发生塑性变形的一种金属成形方法。

原理如下:通过变压电源对储能电容器C充电,当高压开关K 闭合后,电容对工作线圈L放电,`在线圈中通过强的脉冲电流,工作线圈在其周围产生强的脉冲磁场,当工作线圈产生的磁场中有工件时,就可以在工件中产生强的涡流,涡流在磁场中受到强的脉冲力,如果超过了工件的屈服极限,工件就发生塑性变形。

图3.2是它的充放电原理图,图3是它的工作原理图。

Tl一变压器原边 TZ一变压器副边 R一回路中的电阻 D一二极管C一电容K一隔离间隙 L一电感线圈图3.2电磁成形充放电原理图图3.2 电磁成形工作原理图电磁成形的主要优点1.可以很方便的实现高速成形,每分钟可工作数百次,具有与普通冲压加工相近似的生产效率。

2.可以方便的实现各种工艺参数和成形过程的控制,所以容易实现生产过程的机械化和自动化。

3.电磁成形工艺不产生摩擦,无需润滑剂,也就省去了后续的清理工序,因此,对生产环境没有特殊要求,不会造成环境的污染和危害,可以在普通的金属加工厂内应用。

4.电磁成形机没有运动部分,维护工作十分简单,也不会出现机械压力机因使用不当而出现的超载损坏等问题。

5.电磁成形工艺装备及模具十分简单,只需一个凸模或凹模即可实现加工,所以模具及工装的费用低。

6.电磁成形可以实现金属和非金属的连接和装配,对装配前的零件加工精度无特殊要求,并且不必担心非金属装配零件的损坏。

7.电磁成形时,毛坯的变形不是由刚体模具的外力,而是由电磁力(体积力)引起的,因此,毛坯的表面不受损伤,可以将表面抛光工序等安排在成型加工和装配之前,而且可以减轻因刚体模具引起的局部过度变簿,另外,磁场可以穿透非金属材料,所以可以对有非金属涂层或放在容器内的工件进行加工。

8.电磁成形工艺适于加工铜、铝和低碳钢等良导体材料,对导电性能差的材料,加工效率低,但可以利用良导体做驱动片进行间接加工,或采用特制的高频率机器。

9.电磁成形的零件精度高,残余应力低,形状冻结性好,有利于提高产品的质量和使用寿命。

电磁成形工艺设计要点电磁成形可实现各种冲压加工工序,在制定电磁成形工艺过程时,应该着重分析和正确处理以下几个问题。

1.毛坯材料在电磁成形时,为使毛坯产生塑性变形所需要的作用力,是由于交变磁场(脉冲磁场)的作用使毛坯内产生感应电流作用的结果,因此,只有毛坯材料是电导体的条件下,才有可能进行电磁成形,工业用各种金属,都是电导材料,但是,它们的导电性并不相同,一般认为,导电率差的材料,可以用放电频率较高(50KHz)的电磁成形机稍补偿。

导电性能差的材料,电磁成形时的效率较低,金、银、铝、铜和它们的各种合金,导电性能好,是最适合于电磁成形加工的金属材料,低碳钢的导电性能较差,导电性能更差的金属有各种合金钢,钦合金等,在用电磁成形方法加工这些毛坯时,为了提高变形过程的效率,应该在毛坯和成形线圈之间放置一个“驱动片,利用驱动片的高导电性,使其带动低导电性材料变形。

驱动片材料应具有良好的导电性和低的强度,生产中常用退火的紫铜制作驱动片,驱动片的形状应保证能够产生较大的磁场力,对毛坯的合理作用和尽量小地消耗能量,因此,驱动片的厚度要适宜,太薄时,磁场扩散透过了驱动片,作用力减小,驱动片太厚时,则由于驱动片本身的变形耗能太大,而减少了工件的变形效果,试验表明,对于某一确定的条件,驱动片厚度有一最佳值,例如,对0.5毫米厚不锈钢平板毛坯变形时驱动片厚度最佳值为0.4毫米。

2.毛坯几何形状.毛坯的几何形状必须保证感应电流不受阻碍,畅通无阻,因此电磁成形作用的毛坯上不应开有细长的孔,以免切断感应电流的通路。

从原理上讲,电磁成形毛坯的厚度与尺寸的上限是没有的,只要电磁成形机的能量足够,大尺寸零件的成形应当不成问题的,但是,目前最大的电磁成形机的能量是500KJ,因此,从经济角度出发,电磁成形零件的厚度和尺寸均不宜过大,电磁成形零件的厚度不宜过小,否则成形效率低,而且严重时可能影响效果,电磁成形的最小厚度决定于被加工金属的种类,电磁成形机的放电频率等因素,如果被加工的金属导电性能良好(金、银、铜、铝、镁、等),而且应用放电频率较高(5OKHZ)的电磁成形机时,材料的最小厚度可达到0.3-0.5毫米。

3.模具电磁成形模的模腔形状,与成形件相应部分的形状,尺寸相同,电磁成形时,毛坯以很快的速度向模具表面贴靠,所以模腔内应设有足够的排气孔,必要时,应设有抽真空系统,排气孔的直径可取为成形材料厚度的一半。

电磁成形模材料,取决于成形零件的形状,厚度和材料的力学性能,当成形零件的生产批量大,所用的材料较硬时,应该采用合金模具钢或工具钢等,在小批量生产而且成形零件的原材料较软时,也可以用非金属模具,如玻璃钢、增强树脂等,冲孔模材料,应采用工具钢或冷冲模具钢。

在选用模具材料时,应尽量避免使用导电性能好的材料。

当采用导电性能好的材料制作模具时,工作线圈的脉冲电流也将在凹模内产生感应电流,其结果能阻碍毛坯向模具贴靠,有时甚至可能对毛坯产生排斥柞用。

尤其当成形毛坯较薄时,这种现象更为严重。

4.工作线圈工作线圈是把电能转变成磁场能量,是毛坯产生塑性变形的关键元件,其结构形式及电参数将直接影响成形效果。