專利名稱：電液成型工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電液成型(electrohydraulic forming) (EHF)工具。
背景技術(shù)：
鋁合金和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼作為用于汽車車身構(gòu)造的材料變得日益普通。與低碳 鋼(mild steel)相比，推廣這些材料的主要障礙之一是這些材料本身缺乏可成形性。將 輕質(zhì)材料(例如先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(AHSS)和鋁合金(AA))應(yīng)用于量產(chǎn)汽車(high-volume automotive)對(duì)減輕車輛重量、提高燃料經(jīng)濟(jì)性以及降低排氣管排放(tailpipe emision) 很重要。將輕質(zhì)材料應(yīng)用于量產(chǎn)產(chǎn)品的最主要障礙是沖壓?jiǎn)栴}以及AHSS和AA材料本身缺 乏可成形性。在汽車生產(chǎn)中應(yīng)用AHSS和AA會(huì)帶來許多沖壓挑戰(zhàn)。用于沖壓車身面板和結(jié) 構(gòu)部件的主要方法是在安裝在多工位壓力機(jī)或者一行壓力機(jī)上的一系列的兩個(gè)側(cè)模之 間成型片材(sheet material) 0在燃油價(jià)格低的時(shí)期，大部分汽車部件由深沖擊(DDQ) 鋼或者超深沖擊(EDDQ)鋼沖壓而成，在平面應(yīng)變方面，這兩種合金表現(xiàn)出的最大延伸率 (elongation)超過了 45%。另一方面，鋁合金的可成形性通常不超過25%。在實(shí)踐中，沖 壓工程師不想成型平面應(yīng)變高于(beyond)水平為15%的金屬板材(sheet metal)，這是因 為在這些應(yīng)變范圍內(nèi)的金屬的加工硬化系數(shù)(work-hardening modulus)太低以及坯料表 面存在局部干燥條件(local dry condition)的危險(xiǎn)。AHSS的可成形性通常在30%左右。 可成形性不足使得由幾個(gè)部件焊接形成面板必然變得困難或者使得用于形成面板的坯料 的厚度必然增加。電液成型(EHF)是一種可通過將金屬板材坯料按照大的應(yīng)變率(strainrate)形 成在下半模中來顯著提高金屬板材的可成形性的工藝。通過利用液電效應(yīng)獲得大的應(yīng)變 率，該液電效應(yīng)可被描述為浸入水中的電極之間的電能的快速放電以及產(chǎn)生的沖擊波通過 水的傳播，這是一種涉及高壓電通過液體放電的復(fù)雜現(xiàn)象。通過放電時(shí)兩個(gè)電極之間形成 的等離子體通道(plasmacharmel)的擴(kuò)張開始的液體中的沖擊波按照高速朝著坯料傳播， 沖擊波導(dǎo)致的水的質(zhì)量和動(dòng)量使坯料變形進(jìn)入具有成型表面的開式模中。沖擊波促使坯料 與成型表面接合，以使金屬坯料形成期望的形狀。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型公開一種電液成型工具，該電液成型工具用于形成金屬板材坯料，該 電液成型工具包括容器，在容器腔內(nèi)具有液體，并且容器上端敞開；成型模具，設(shè)置在容 器的上端之上，成型模具具有模具腔，該模具腔通過成型表面被部分地限定；至少兩個(gè)電 極，設(shè)置在容器腔內(nèi)，每個(gè)電極具有尖端、主體和軸，前端可松開地連接到主體的前端，軸覆 蓋主體的至少一部分；至少一個(gè)定位件，布置在尖端和主體的前端之間或者布置在主體的 末端和軸之間。根據(jù)本實(shí)用新型，尖端和主體包括對(duì)應(yīng)的螺紋，如果定位件布置在尖端和主體之間并且被螺紋緊固，則定位件形成為安裝在螺紋的頂部，并在尖端的端部和主體的軸肩之間被壓迫。根據(jù)本實(shí)用新型，主體從軸可滑動(dòng)地被拆卸，如果定位件布置在軸和主體之間并 且被擠壓在一起，則定位件形成為安裝在主體的頂部，并在軸的端部和主體的軸肩之間被 壓迫。根據(jù)本實(shí)用新型，所述工具還包括軸緊固件，該軸緊固件形成為與軸和主體的對(duì) 應(yīng)部分均接合，并將軸和主體擠壓在一起。根據(jù)本實(shí)用新型，提供一種用于形成金屬板材坯料的電液成型工具，該工具包括 容器，在容器腔內(nèi)具有液體，并且容器上端敞開；成型模具，設(shè)置在容器的上端之上；至少 兩個(gè)開口，通向容器腔，每側(cè)開口被彈性材料件覆蓋，所述彈性材料件用于防止液體泄露出 容器腔；電極，設(shè)置在所述每個(gè)開口內(nèi)，每個(gè)電極具有與彈性材料件接合的波形外表面。根據(jù)本實(shí)用新型，所述外表面的至少一部分大于彈性材料件的直徑。根據(jù)本實(shí)用新型，所述波形外表面的特征在于電極的主要部分具有直徑與相鄰的 部分的直徑不同的連續(xù)部分。根據(jù)本實(shí)用新型，至少兩對(duì)電極布置在容器腔內(nèi)。根據(jù)本實(shí)用新型，每對(duì)電極包括可拆卸的定位件。根據(jù)本實(shí)用新型，提供一種用于形成金屬板材坯料的電液成型工具，該工具包括 容器，在容器腔內(nèi)具有液體，并且容器上端敞開；成型模具，設(shè)置在容器的上端之上，成型模 具具有模具腔，該模具腔通過成型表面被部分地限定；至少兩對(duì)不同的電極，其中，所述電 極對(duì)彼此垂直。根據(jù)本實(shí)用新型，在操作過程中，可對(duì)電極進(jìn)行調(diào)節(jié)以克服電極被連續(xù)使用而使 效率降至期望的閾值之下的問題。本實(shí)用新型還提供這樣一種裝置，一組電極一直被使用，直到它們的性能劣化到 可接受的閾值之下。當(dāng)不滿足上述閾值時(shí)，放電可被切換到另一組電極上。這樣本實(shí)用新 型就允許切換電極，并且直到后來更便于打開模具時(shí)才維修劣化的電極。當(dāng)接通的電極被 使用時(shí)，劣化的電極最好可被拆下，以用于維修。
在權(quán)利要求中具體示出了本實(shí)用新型。然而，通過參照
以下結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì) 的描述，本實(shí)用新型的其它特點(diǎn)將變得更加清楚，并且本實(shí)用新型將被更好地理解，其中圖1示意性示出了 EHF工藝；圖2示出了根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)非限制性方面的電極構(gòu)造；圖3和圖4示出了根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)非限制性方面的定位件；圖5和圖6示出了根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)非限制性方面的電極構(gòu)造；圖7示出了根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)非限制性方面的用于布置和組合多對(duì)電極的 構(gòu)造；圖8示出了根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)非限制性方面的成對(duì)的電極系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
圖1示意性示出了 EHF工藝。通過變壓器222和一組二極管224的協(xié)助可將電能 儲(chǔ)存在高壓電容器220中。特殊開關(guān)或者放電裝置226 (例如放電管、真空放電器或者半導(dǎo)體開關(guān))可用于閉合電路并將儲(chǔ)存在電容器220中的高壓傳輸給電極228和230。限定EHF工藝的效率的參數(shù)包括電極228和230的相互位置、液體的電性質(zhì)、充電電壓、電容、設(shè)備和 連接線纜的電感和電阻、腔室的容積以及放電通道和坯料之間的距離。在放電工藝開始時(shí)，電極228和230之間的通道的電阻按照幾個(gè)數(shù)量級(jí)下降，但是 由于等離子體通道的擴(kuò)張和溫度升高，電流急劇增大。由于大量電能通過狹小且電離的通 道注入，所以溫度會(huì)升高，并且通道內(nèi)的壓力會(huì)在短時(shí)間間隔內(nèi)增大。通過這樣的高壓的驅(qū) 動(dòng)，放電通道快速擴(kuò)張并產(chǎn)生沖擊波。對(duì)于一些部件，坯料232可被夾在腔室234和模具236之間，模具236限定成型表 面，在成型期間，坯料232被擠壓在該成型表面上。然而，在一些情況下，部件的外邊緣可具 有三維輪廓?？墒褂镁哂袑?duì)應(yīng)的形狀的壓料件(binder)(未示出)以支撐坯料232。為了 防止電極228和230 (電極228和230通常由鋼制成)之間短路，電極228和230應(yīng)該與腔 室234電絕緣，并且絕緣材料應(yīng)該能夠承受上述工藝的最大電壓。當(dāng)將電極228和230插 入到腔室234中時(shí)，應(yīng)該提供適當(dāng)?shù)囊簤航^緣以防止水在電極228和230的周圍泄露。腔 室234應(yīng)該被適當(dāng)?shù)孛芊?，以避免坯?32和腔室234之間的水泄露。坯料232和模具236 之間的空氣應(yīng)該被排出，以避免在成型步驟過程中由于空氣被加熱和壓縮而在EHF工藝中 使能量損失。電極228和230之間高壓電的重復(fù)放電會(huì)導(dǎo)致電極228和230逐漸腐蝕。這種腐 蝕會(huì)導(dǎo)致電極228和230之間的距離隨著時(shí)間緩慢增大，如果電極228和230不被調(diào)節(jié)和 周期性地重新定位，則這種腐蝕會(huì)對(duì)EHF工藝的效率產(chǎn)生不利影響。由于需要將電極228 和230與EHF腔室234電絕緣，所以試圖恢復(fù)期望的間距和效率而對(duì)電極228和230進(jìn)行 調(diào)節(jié)和重新定位會(huì)變得困難和麻煩。圖2示出了根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)非限制性方面的電極構(gòu)造10。一對(duì)電極12和 14可包括在主體20和22的前端的可消耗的電極尖端16和18。尖端16和18可被更換， 而不需要替換形成主體20和22的整個(gè)實(shí)心桿?？上牡碾姌O尖端16和18可螺紋連接或 者壓配合到電極12和14。聚亞安酯(polyurethane)絕緣層或者其它彈性材料件26和28 可直接鑄造在主體20和22上。主體20和22可包括具有不同直徑的連續(xù)部分的波形外表 面。上述一些直徑或者所有的直徑可大于彈性材料件的內(nèi)直徑。直徑抵觸會(huì)足以迫使彈性 材料件26和28填充波形外表面內(nèi)的空腔。這就允許彈性材料件使主體20和22電絕緣， 并限制液體流出腔室30。彈性材料件26和28的壓配合性質(zhì)允許主體20和22通過附著到腔室30上的電 極軸或者軸環(huán)(collar) 40和42容易地被插入和抽出。只要需要替換尖端16和18，或者 只要需要調(diào)節(jié)電極之間的距離，就可將電極12和14從腔室30拆下或者安裝到腔室30上。 如圖3和圖4所示，定位件(spacer) 44可布置在腔室30內(nèi)，以便于將電極12和14推到期 望的位置。圖3示出了位于腔室中的浮雕(relief)或者其它固定件46內(nèi)的定位件44，圖 4示出了通過機(jī)器人(未示出)的臂而自動(dòng)布置的定位件44。當(dāng)定位件44被定位時(shí)，電極12和14可被推進(jìn)以接觸定位件44。如果定位件44 位于有利于放電效率的位置，按照這種方式推進(jìn)電極12和14允許電極12和14位于期望 的相對(duì)于彼此的位置。可手動(dòng)和/或通過機(jī)器人或者其它工具推進(jìn)電極12和14。在電極 12和14可被推進(jìn)之前，電極12和14上的波形以及彈性材料件26和28與軸環(huán)40和42之間的壓配合會(huì)需要克服特定量的力。用于將彈性材料件26和28壓迫到主體20和22上以 及密封腔室30的螺母50和52和壓縮環(huán)54和56會(huì)影響布置電極12和14需要的力的大 小。螺母50可從其正常的緊固狀態(tài)松弛以減小上述壓力。圖5和圖6示出了根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)非限制性方面的電極構(gòu)造80。與圖2示 出的腔室30不同，圖6中示出的腔室82在向上傾斜的方向不成角度布置。雖然圖2或者 圖6都未示出坯料和成型模具，但是坯料或者成型模具均將位于腔室82的頂部之上或者位 于布置在腔室的頂部的壓料件(未示出)的頂部之上。具有尖端88和90、主體92和94以 及軸96和98的一對(duì)電極84和86布置在腔室82的側(cè)開口內(nèi)。電極84和86可被操作以 在液體中放電形成沖擊波，從而按照上述形式使坯料成型。彈性材料件102和104可布置在開口內(nèi)，以密封軸96和98并限制液體泄露。一 個(gè)或者多個(gè)密封件110、112、114、116、118以及120可位于壓縮點(diǎn)(compression point)之 間的關(guān)鍵位置，以幫助防止泄露。腔室緊固件124和126可被壓配合、螺紋固定或者按照其 它方式緊固到軸96和98的一部分上，并被操作性地連接以在將軸96和98相對(duì)于腔室82 固定的同時(shí)使彈性材料件102和104的一部分壓向腔室82的外側(cè)。軸96和98的外直徑 可包括限定所述軸96和98可前進(jìn)到腔室82中的距離的特征。這樣有利于使該距離固定， 從而每 當(dāng)所述軸96和98從開口被拆下并在之后被插入到開口中時(shí)，軸96和98均位于同 一位置。這會(huì)有助于適當(dāng)?shù)夭贾秒姌O84和86。如果主體92和94在軸96和98內(nèi)可滑動(dòng)地運(yùn)動(dòng)，則可便于適當(dāng)?shù)夭贾秒姌O84和 86。優(yōu)選地，主體92和94的外直徑可小于軸96和98的內(nèi)直徑，從而主體92和94可完全 從腔室82中拆下，而不需要松開軸96和98。主體92和94的端部可形成為包括在軸96和 98的端部上延伸的軸肩130和132。主體緊固件134和136可壓配合、螺紋固定或者按照 其它方式緊固到主體92和94以及軸96和98的對(duì)應(yīng)的位置上。緊固件134和136可被緊 固以將軸92和94以及主體96和98壓迫到一起。密封件可位于軸92和94以及主體96 和98之間，以幫助防止泄露。電極尖端88和90可壓配合、螺紋固定或者按照其它方式緊固到主體92和94的 前端。主體92和94可包括軸肩140和142，尖端88和90可抵住該軸肩140和142而被固 定。由于可消耗的尖端88和90在液體內(nèi)連續(xù)放電而會(huì)腐蝕或者所述尖端88和90的性能 會(huì)隨著時(shí)間而劣化，所以該可消耗的尖端88和90可被丟棄和用新的尖端來更換。通過松 開主體緊固件134和136并從軸96和98中可滑動(dòng)地拆下主體92和94就可容易地更換所 述尖端88和90。圖6示出了可布置在主體92和94與軸96和98之間和/或主體92和94與尖端 88和90之間的定位件144和146。定位件144和146可形成為安裝在主體92和94上和 /或另外被構(gòu)造成各種其它類型的墊片(shim)。定位件144和146的目的是將主體92和 94和/或尖端88和90從圖6中示出的非平移位置平移。這就允許本實(shí)用新型初始設(shè)置尖 端88和90的位置，之后，通過添加和/或拆下定位件144和146而簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)尖端88和 90的位置。雖然主體92和94的每端被示出為包含一個(gè)定位件144和146，但是每端可包 含任何形狀或者厚度的多個(gè)定位件，以便于布置尖端88和90。圖7示出了用于布置和組合多對(duì)電極172、174、176、178、180和182的構(gòu)造170。 該布置主要產(chǎn)生幾個(gè)小的EHF腔室，每個(gè)腔室包括其自身的電極對(duì)。該布置可被附著到單個(gè)壓料件上，該單個(gè)壓料件接著將用作形成大面板的大的EHF腔室。由于在EHF工藝中，一 定量水中的可用的成型壓力隨著腔室容積的增加而減小，所以這種重構(gòu)且模塊化的EHF布 置允許在腔室容積內(nèi)在所有區(qū)域上產(chǎn)生高的成型壓力。除了對(duì)工藝提供技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和物理優(yōu) 點(diǎn)(physical advantage)之外，重構(gòu)的EHF腔室還存在降低加工EHF所花費(fèi)的資本成本的 可能性，這是因?yàn)橄嗤男∏皇铱筛鶕?jù)需要附著到多個(gè)不同的壓料件和上模上，即，單個(gè)腔 室將同時(shí)被用于多個(gè)模具。由于特定部件在一個(gè)區(qū)域需要的成型壓力可能大于在另一個(gè)區(qū) 域需要的成型壓力，所以上述構(gòu)造允許對(duì)特定部件進(jìn)行精確修整(tailoring)的EHF工藝。圖8示出了根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)非限制性方面的成對(duì)的電極系統(tǒng)190。該系統(tǒng)190 包括第一組電極192和第二組電極194。每組電極192和194可按照上述方式被操作。所 述兩組電極192和194相對(duì)于彼此垂直地布置，使得所形成的沖擊波基本上產(chǎn)生相同的結(jié) 果，而與所述沖擊波是否是源自第一組電極192還是源自第二組電極194無關(guān)?？赏ㄟ^使 用上述定位件布置每組電極192和194。每組電極192和194可被布置成使得每組電極192或者194均可被用于使坯料(未示出)成型。本實(shí)用新型試圖提供這樣一種裝置，一組電極192 —直被使用，直到它們 的性能劣化到可接受的閾值之下。當(dāng)不滿足上述閾值時(shí)，放電可被切換到另一組電極194 上。這樣本實(shí)用新型就允許切換電極192和194，并且直到后來更便于打開模具時(shí)才維修劣 化的電極。當(dāng)接通的電極194被使用時(shí)，劣化的電極192最好可被拆下，以用于維修。根據(jù)需要，本實(shí)用新型的詳細(xì)實(shí)施例被公開于此，然而，應(yīng)該理解，被公開的實(shí)施 例僅僅是本實(shí)用新型的示例性實(shí)施例，本實(shí)用新型可按照各種可選的方式被實(shí)施。附圖不 必要受比例限制，一些特征可被夸大或者最小化，以示出具體組件的細(xì)節(jié)。因此，公開于此 的具體結(jié)構(gòu)和功能性細(xì)節(jié)不應(yīng)該被解釋為限制性的，而僅僅是作為權(quán)利要求的代表性基礎(chǔ) 和/或作為本領(lǐng)域技術(shù)人員不同地實(shí)施本實(shí)用新型的代表性基礎(chǔ)。
權(quán)利要求一種用于形成金屬板材坯料的電液成型工具，其特征在于包括容器，在容器腔內(nèi)具有液體，并且容器上端敞開；成型模具，設(shè)置在容器的上端之上，成型模具具有模具腔，該模具腔通過成型表面被部分地限定；至少兩個(gè)電極，設(shè)置在容器腔內(nèi)，每個(gè)電極具有尖端、主體和軸，前端可松開地連接到主體的前端，軸覆蓋主體的至少一部分；至少一個(gè)定位件，布置在尖端和主體的前端之間或者布置在主體的末端和軸之間。
2.如權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于，尖端和主體包括對(duì)應(yīng)的螺紋，如果定位件布 置在尖端和主體之間并且被螺紋緊固，則定位件形成為安裝在螺紋的頂部，并在尖端的端 部和主體的軸肩之間被壓迫。
3.如權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于，主體從軸可滑動(dòng)地被拆卸，如果定位件布置 在軸和主體之間并且被擠壓在一起，則定位件形成為安裝在主體的頂部，并在軸的端部和 主體的軸肩之間被壓迫。
4.如權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于還包括軸緊固件，該軸緊固件形成為與軸和 主體的對(duì)應(yīng)部分均接合，并將軸和主體擠壓在一起。
5 一種用于形成金屬板材坯料的電液成型工具，其特征在于包括容器，在容器腔內(nèi)具有液體，并且容器上端敞開；成型模具，設(shè)置在容器的上端之上；至少兩個(gè)開口，通向容器腔，每側(cè)開口被彈性材料件覆蓋，所述彈性材料件用于防止液 體泄露出容器腔；電極，設(shè)置在所述每個(gè)開口內(nèi)，每個(gè)電極具有與彈性材料件接合的波形外表面。
6.如權(quán)利要求5所述的工具，其特征在于，所述外表面的至少一部分大于彈性材料件 的直徑。
7.如權(quán)利要求5所述的工具，其特征在于，所述波形外表面的特征在于電極的主要部 分具有直徑與相鄰的部分的直徑不同的連續(xù)部分。
8.如權(quán)利要求5所述的工具，其特征在于，至少兩對(duì)電極布置在容器腔內(nèi)。
9.如權(quán)利要求8所述的工具，其特征在于，每對(duì)電極包括可拆卸的定位件。
10.一種用于形成金屬板材坯料的電液成型工具，其特征在于包括容器，在容器腔內(nèi)具有液體，并且容器上端敞開；成型模具，設(shè)置在容器的上端之上，成型模具具有模具腔，該模具腔通過成型表面被部 分地限定；至少兩對(duì)不同的電極，其中，所述電極對(duì)彼此垂直。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種電液成型工具，電液成型工具用于形成金屬板材坯料并具有一對(duì)電極，該對(duì)電極能夠用于產(chǎn)生沖擊波，以便于相對(duì)于成型模具形成金屬板材坯料。電液成型工具包括容器，在容器腔內(nèi)具有液體，并且容器上端敞開；成型模具，設(shè)置在容器的上端之上，成型模具具有模具腔，該模具腔通過成型表面被部分地限定；至少兩個(gè)電極，設(shè)置在容器腔內(nèi)，每個(gè)電極具有尖端、主體和軸，前端可松開地連接到主體的前端，軸覆蓋主體的至少一部分；至少一個(gè)定位件，布置在尖端和主體的前端之間或者布置在主體的末端和軸之間。在操作過程中可調(diào)節(jié)所述電極。如果所述電極被連續(xù)使用，導(dǎo)致所述電極的效率降至期望的閾值之下，則上面的做法將是有用的。
文檔編號(hào)B21D26/12GK201552234SQ20092014659
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2009年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月5日
發(fā)明者丹尼斯·艾倫·賽達(dá)爾, 安德烈·M·伊里尼奇, 艾倫·約翰·吉拉德, 謝爾蓋·法德勒威奇·高洛瓦申科 申請(qǐng)人:福特全球技術(shù)公司