高能成型
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第8.2节 高速成形8.2
• 爆炸成形
• 电液成形
• 电磁成形
• 激光成形
• 蠕变成形（钛板专述）
• 热校形成形（钛板专述）
高速成形(又叫高能成形)是利用炸药或电装置在极短的时间(低于数十微秒)内释放出的化学能或电能，通过介质(空气或水等)以高压冲击波作用于坯料，使其在很高的速度下变形和贴模的一种加工方法。它包括爆炸成形、电水成形和电磁成形(见下表)。
高速成形是用传压介质——空气或水代替刚体凸模(或凹模)，适于加工某些形状复杂、难以用成对刚模制造的工件。用高速成形拉深、胀形、翻边、起伏、弯曲、扩口、缩口、冲孔等冲压加工。在高速变形条件下，冲压件的精度很高，而且使某些难加工的金属也能变得容易成形。
高速成形的方法比较
加工方法 能源形式 所用设备 成形方法的多样性与灵活性 成形工件的形状复杂程度 成形工件尺寸 生产效率 组织生产
线的难易 适用生产
规 模
爆炸成形 井下 炸药 简单 较大 较复杂 尺寸较大，但受井限制 低 困难 小批量
地面 炸药 非常简单 大 复杂 不受限制 很低 困难 小批量、单件
电水成形 高压电源 复杂 小 一般 尺寸不大，受设备功率限制 较高 容易 较大批量
电磁成形 高压电源 复杂 小 一般 尺寸不大，受设备功率限制 高 最容易 较大批量
爆炸成形
爆炸成形装置简单，操作容易，可能加工工件的尺寸一般不受设备能力限制，在试制或小批量生产大型工件时经济效益尤其显著。
爆炸拉深与爆炸胀形分别示于图1和图2。在地面上成形时，可以采用一次性和简易水筒(见图1)或可反复使用的金属水筒(图2)。为保证工件的质量，除用无底模成形外，都必须考虑排气问题。
爆炸成形的工艺参数：
1. 炸药与药包形状 常用的炸药有梯恩梯(TNT)黑索金(RDX)、泰安(PETN)、特屈儿等。药包可以是压装、铸装和粉装的。药包形状选择见表1。
表1 药包形状选择
零件特点 药包形状
1. 球形、抛物面形零件拉深
2. 大型封头零件拉深
3. 筒形或管子类零件胀形与整形
4. 大中型平面零件的成形与整形 球形、短圆柱形、锥形
环形
长圆柱形(长度与零件长度相适应)
平板形、网格形、环形
2. 药位与水头 药位是指药包中心至坯料表面的距离(图1中的R)。它对工件成形质量影响极大，药位过低导致坯料中心部位变形大、变薄严重；过高的药位，必须靠增加药量弥补成形力能的不足。生产中常用相对药位R/D(D——凹摸口直径)的概念。
短圆柱形、球形、锥形药包：R/D＝0.20.5 环形药包：R/D＝0.2～0.3
药包中心至水面的距离为水头(图1中的H)。一般取H＝(1/2～1/3)D。
常用爆炸成形模具材料见表2。
表2 爆炸成形模具材料的选用
模具材料 特 点 适用范围
锻造合金 抗冲击性能好，尺寸稳定，成形工件精度高，表面质量好，寿命长，但加工困难制造周期长，成本高 适用于形状非常复杂、尺寸精度要求高、厚度大、强度高而尺寸不大的工件的成形与胀形。批量较大
铸钢 基本同前项，但冲击能力稍差，成本稍低于锻钢 适用于形状复杂、尺寸精度要求较高、厚度较大的黑色金属或高强度的非铁金属工件的成形与胀形。批量较大
球墨铸铁 成本低、易于制造、能保证一定的成形尺寸公差，但抗冲击能力差 适用于一定批量的黑色金属与非铁金属的成形模
锌合金 可反复熔铸、加工方便，制造周期短、成形低，但强度低，受冲击后尺寸容易变化 ，成形精度不高，而且寿命较低， 中小型工件、小装药量、精度要求不严格的成形模。单件试制与小批量生产
水泥本体用玻璃钢或环氧树脂衬里 成本低，容易制造，不要求模具加工设备，但抗冲击能力差，寿命很低 适用于大型、厚度小的工件成形。单件试制与小批量生产
电水成形和电爆成形
电水成形原理如图1所示。由升压变压器和整流器得到的2040kV的高压直流电向电容器充电，当充电电压达到一定数值时，辅助间隙击穿，高压加在由两个电极板形成的主间隙上，将其击穿并放电，形成的强大冲击电流(达3×104A以上)在介质(水)中引起冲击波及液流冲击，使金属坯料成形。与爆炸成形一样，可进行拉深(图1)、胀形(图2)、校形、冲孔等。电水成形的加工能力 W＝1/2Cu2 (J)
式中 C——电容器的容量(F)；
u——充电电压(V)。
假如把两个电极用细金属丝联结起来，放电时产生的强大电流将使金属丝迅速熔化和蒸发成高压气体，并在介质中形成冲击波使金属成形，这就是电爆成形原理。
常用放电电极形式有对向式(见图1和图2)和同轴式(见图3)。
电磁成形
工作原理如图1所示。与电水成形一样，电磁成形也是利用储存在电容器中的电能进行高速成形的一种加工方法。当开关闭合时，将在线圈中形成高速增长和衰减的脉冲电流，并在周围形成一个强大的变化磁场，处于磁场中的坯料内部会产生感应电流，与磁场相互作用的结果是使坯料高速贴模成形。
电磁成形工艺对管子和管接头的连接装配特别适用，目前在生产中得到推广应用。
电磁成形加热试验示意图
电磁成形加热设备
1、 线圈 2、工件
3、模具 4、加热套
应用电磁成形工艺需注意的问题：
(1)线圈。线圈是电磁成形中最关键的元件，它直接与坯料作用，其参数及结构直接影响成形效果。线圈的结构应根据工件的形状和变形特点设计。常见的结构形式有：平板式线圈、多叠式线圈、带式线圈和螺管线圈。前两种适用于板坯，后两种适用于管坯。在进行工艺试验或单件生产时，可采用一次性简易线圈，即成形即烧毁。永久性线圈则应用玻璃纤维或环氧树脂绝缘及固定。
(2)集磁器。若要求强而集中的磁场，应采用集磁器。它可以改善磁场分布以满足成形工件的要求，并且分担部分线圈所受的机械负荷。集磁器一般应采用高导电率、高强度材料(如铍青铜等)制成，放在线圈内部。根据不同工件的要求，集磁器可以设计成各种形状。图2是一局部缩颈用集磁器实例。
(3)工件材料电导率。电磁成形加工的材料应具有良好的电导率。若坯料的电导率小，应于坯料与线圈之间放置高电导率材料作驱动
五、高速成形的方法比较
加工方法 能源形式 所用设备 成形方法的多样性与灵活性 成形工件的形状复杂程度 成形工件尺寸 生产效率 组织生产
线的难易 适用生产
规 模
爆炸成形 井下 炸药 简单 较大 较复杂 尺寸较大，但受井限制 低 困难 小批量
地面 炸药 非常简单 大 复杂 不受限制 很低 困难 小批量、单件
电水成形 高压电源 复杂 小 一般 尺寸不大，受设备功率限制 较高 容易 较大批量 电磁成形
高压电源 复杂 小 一般 尺寸不大，受设备功率限制 高 最容易 较大批量
四、激光成形
1、激光冲击成形
高能激光辐照能量转换体，生成等离子体并发生爆炸产生强冲击波压力作用于金属板料表面，激光束对板料的逐点逐次冲击，积小变形成宏观的大变形，使金属板料产生宏观塑性变形。
近年来出现的一种柔性精密无模成形新方法。也可半模冲压。
2、激光弯曲成形
激光成形常常被称为激光弯曲成形或激光弯曲。
利用高能激光束扫描金属板材表面时在热作用区域内产生强烈的温度梯度，引起超过材料屈服极限的热应力，使板料实现热塑性变形。
当激光束相对于板料的运动轨迹为直线时，便得到V形弯曲件；当运动轨迹不重复或为非直线时，便得到符合弯曲的异形件。
借助红外测温仪及形状测量仪, 可在数控激光加工机上实现全过程闭环控制。
是无模具、无外力、非接触式热态积累成形技术。可实现大曲率激光喷丸成形。
激光弯曲成形目前技术问题：
1）如何加工满足预定形状及尺寸要求的工件，是大规模实际应用的瓶颈。
2）几何形状对最后成形的影响还了解不多。（工件原始的几何形状和过程几何形状）。
