本實用新型涉及材料高速成形技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種高能率脈動沖擊液壓成形設(shè)備。

背景技術(shù)：

針對目前我國汽車、航空航天及核電等關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)芰悴考妮p量化、無余量化、高精度及整體化發(fā)展的迫切需求，鎂、鋁、鈦等輕質(zhì)合金的復(fù)雜零件的研制已成為促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和推動國家安全保障水平提升所亟待解決的重要問題之一。但是上述輕質(zhì)合金都屬于難變形合金，在成形過程中容易發(fā)生起皺、破裂等現(xiàn)象，阻礙其廣泛應(yīng)用。通過三種途徑可以改善上述難成形材料的成形性能：溫?zé)岢尚巍⒏咚俪尚魏腿嵝猿尚巍?/p>

溫?zé)岢尚慰梢蕴岣唠y變形合金的成形能力，但是加熱過程中材料表面氧化會降低最終產(chǎn)品質(zhì)量，并且增加能耗提高成本，同時對于成形介質(zhì)耐熱性和安全性及工裝設(shè)備的熱穩(wěn)定性都提出了更高的要求。

高速成形和柔性介質(zhì)成形包括爆炸成形、電液成形、電磁成形、顆粒成形及液壓成形。爆炸成形對于大型零件的拉深、脹形有很好的效果，如果用于工業(yè)化批量生產(chǎn)，需要精確控制能量配比，效率難以提高。電液成形時，如果以水中爆絲獲得沖擊壓力，其不能連續(xù)放電，需每次換絲，增加了工藝復(fù)雜性。若以間隙放電獲得沖擊壓力，則對絕緣結(jié)構(gòu)耐壓要求高。電磁成形的成形速度非常高，應(yīng)變速率可達(dá)到10⁴s^-1，能夠極大的提高材料的成形性能，但是因電極尺寸的原因工件規(guī)格普遍相對較小，暫時未見用于汽車、航空及核電的板管類零件的制造加工。顆粒介質(zhì)填充成形的工作原理是剛性模具離散化，用于薄壁管彎管具有良好的效果，但該方法的工作效率不高，目前還無法應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。液壓成形具有工裝少、成形零件質(zhì)量好、能夠整體成形復(fù)雜形狀零件等優(yōu)點、已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)諸多領(lǐng)域，但是由于升壓速度無法得到較大的提升，因此仍屬于準(zhǔn)靜態(tài)成形范圍，無法使難變形材料的成形性能獲得顯著提高，同時成形凸筋等局部小特征需要很高的壓力，增加了對增壓器和密封等方面的要求。

近年來有學(xué)者研發(fā)了一種沖擊液壓復(fù)合成形工藝，該工藝用于解決小特征成形困難的問題，把沖擊成形作為液壓成形的輔助工藝，但是需要分別提供兩套獨立的液壓源和沖擊源，增加了工序和成本。另外有研究報道提出一種基于電樞發(fā)射體的高速沖擊成形，其沖擊過程使用了兩個沖擊體，包括：電樞發(fā)射體和高速推動桿，在沖擊過程中能量會有損失，且成形介質(zhì)是橡膠，其柔性較液體介質(zhì)差。還有學(xué)者提出了一種金屬薄壁管沖擊液壓脹形裝置，其成形原理是利用上下模具閉合過程對預(yù)先封滿液體的金屬管進(jìn)行成形，本質(zhì)上屬于沖壓成形而非沖擊液壓成形，并且成形速率仍屬于準(zhǔn)靜態(tài)范疇。前人研究中均未提到循環(huán)脈動式?jīng)_擊作用，以及針對沖擊頻率和沖擊能量的調(diào)控功能，而實際上受材料和尺寸結(jié)構(gòu)等限制，很多工件如果嘗試一次成形到位時，很容易產(chǎn)生破裂和起皺現(xiàn)象。因此，通過將變形量合理分配到多個道次的漸進(jìn)式的高速脈動沖擊液壓成形能夠很好的解決工藝缺陷的發(fā)生。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有成形技術(shù)中存在的不足之處，本實用新型提供一種高能率脈動沖擊液壓成形設(shè)備，該設(shè)備結(jié)合了高速沖擊成形和脈動液壓成形二者的優(yōu)勢，通過多次沖擊完成零件的漸進(jìn)成形。該設(shè)備所用設(shè)備主要由蓄能器，動力油腔體、沖擊體、運行腔體、壓邊液壓缸、液體工作介質(zhì)、坯料、模具、機(jī)體組成。單次沖擊過程為：通過蓄能器產(chǎn)生高速高壓的液壓源，從而驅(qū)動沖擊體高速運動，當(dāng)沖擊體快速沖擊液體介質(zhì)時，沖擊體的動能瞬時轉(zhuǎn)化為液體介質(zhì)的壓力能，使工件完成快速變形。該設(shè)備能夠精確控制總的輸出能量從而精確控制能量傳遞比率，即用于工件成形的能量，可經(jīng)多次脈動沖擊成形出所需零件形狀。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所采用的技術(shù)方案如下：

一種高能率脈動沖擊液壓成形設(shè)備，該設(shè)備包括機(jī)體、成形模具、成形介質(zhì)、壓邊液壓缸、沖擊體、動力油腔體和蓄能器；其中：所述沖擊體由上端、中間段和下段組成；所述動力油腔體內(nèi)蓄滿液體介質(zhì)，動力油腔體內(nèi)設(shè)置筒狀空腔，所述沖擊體的上端能夠在該筒狀空腔內(nèi)沿其內(nèi)壁軸向滑動；所述沖擊體的中間段與筒狀空腔的內(nèi)壁之間形成閉合間隙；所述動力油腔體的底端與所述運行腔體相連接，所述沖擊體的下段能夠沿運行腔體內(nèi)壁滑動；所述沖擊體下段中的一部分能夠與運行腔體內(nèi)壁之間形成環(huán)狀空間，所述壓邊液壓缸能夠在該環(huán)狀空間內(nèi)滑動；所述運行腔體的底端固定在所述機(jī)會上；所述機(jī)體上還安裝成形模具，用于裝配坯料及成形零件；所述壓邊液壓缸對成形模具壓邊或合模后，坯料與壓邊液壓缸之間形成內(nèi)腔用于裝入成形介質(zhì)。

所述動力油腔體內(nèi)的液體介質(zhì)用于供給蓄能器，同時蓄能器內(nèi)的液體介質(zhì)能夠返回動力油腔體內(nèi)。所述蓄能器為兩個，分別為沖擊行程蓄能器和返回行程蓄能器，所述沖擊行程蓄能器與所述筒狀空腔相連接，并能向其內(nèi)提供沖擊行程高速高壓液體介質(zhì)，該沖擊行程高速高壓液體介質(zhì)驅(qū)動所述沖擊體高速運動；所述返回行程蓄能器與所述閉合間隙相連接，并能向其內(nèi)提供返回行程高速高壓液體介質(zhì)，該返回行程高速高壓液體介質(zhì)驅(qū)動所述沖擊體作返程運動。

所述沖擊體通過高速運動沖擊成形介質(zhì)，在成形介質(zhì)產(chǎn)生的瞬時高壓作用下使待成形坯料發(fā)生塑性變形并最終貼合模具，通過多次脈動式?jīng)_擊成形介質(zhì)，從而使坯料漸進(jìn)成形出所需零件外形特征。

所述成形介質(zhì)為液體、橡膠、顆?；蛘咭后w和顆粒的混合物。所述成形介質(zhì)的體積能夠在壓邊液壓缸的內(nèi)腔容積范圍內(nèi)任意調(diào)控。

所述坯料為板材或管材。

本實用新型設(shè)備具有以下優(yōu)點和有益效果：

1、成形時間短：300μs-600μs。升壓速度快：理論液體壓力峰值80MPa-100MPa，升壓速度約為1.7×10⁷MPa/s-3.3×10⁷MPa/s，具有瞬時高壓的特點。

2、該設(shè)備可以精確控制總的輸出能量、能量傳遞比率即用于工件成形的能量，每道次的變形量。

3、對于小特征零件具有良好的成形能力，降低了對增壓器等設(shè)備的要求。

4、材料處于動態(tài)載荷狀態(tài)，能夠提高材料成形極限，因此可用于成形鎂、鋁、鈦等難成形合金的精密成形。

附圖說明

圖1為高能率脈動沖擊液壓成形的四種工作模式示意圖。

圖2為板材放入、壓邊液壓缸工作(合模)、及充液階段。

圖3為本實用新型第一次沖擊階段。

圖4為本實用新型第一次沖擊后返回階段。

圖5為本實用新型最后沖擊階段。

圖6為管材放入、壓邊液壓缸工作(合模)、及充液階段。

圖7為管材成形的最后沖擊階段。

圖中：1-沖擊行程蓄能器，2-返回行程蓄能器，3-動力油腔體，4-沖擊體，5-運行腔體，6-壓邊液壓缸，7-機(jī)體，8-板材模具，9-板材，10-成形介質(zhì)，11-沖擊行程高速高壓液壓介質(zhì)，12-返回行程高速高壓液壓介質(zhì)，13-管材模具，14-管材。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖及實施例詳述本實用新型。

本實施新型設(shè)備是通過高速運動的沖擊體沖擊液體介質(zhì)，在液體介質(zhì)產(chǎn)生的瞬時高壓作用下迫使工件發(fā)生塑性變形并最終貼合模具的高速柔性成形設(shè)備。該設(shè)備可以通過多次脈動式?jīng)_擊液體介質(zhì)，從而使工件漸進(jìn)成形出所需的零件外形特征。

本實用新型設(shè)備所用蓄能器分為沖擊行程蓄能器和返回行程蓄能器。沖擊行程蓄能器用于產(chǎn)生高速高壓液壓源，用于驅(qū)動沖擊體產(chǎn)生高速運動；返回行程蓄能器用于沖擊體回程，當(dāng)一個沖擊行程結(jié)束以后，返回行程蓄能器產(chǎn)生高速高壓液體，驅(qū)動沖擊體快速回程。

該設(shè)備所用運行腔體用于連接機(jī)體和沖擊液壓源控制裝置并向沖擊液壓源控制裝置提供結(jié)構(gòu)支撐，同時向沖擊體提供運行空間，保證沖擊方向的準(zhǔn)確性。同時也為壓邊液壓缸提供結(jié)構(gòu)支撐。

該設(shè)備所用壓邊液壓缸是液壓動力。對于板材可以實現(xiàn)壓邊力，對于管材和型材可以實現(xiàn)合模力，具體作用要依據(jù)模具類型而定。

該設(shè)備所用液體工作介質(zhì)不僅限于液體、同時還可以使用橡膠等柔性介質(zhì)，也可以使用離散介質(zhì)，例如顆粒、液體和顆粒不同比例的混合系統(tǒng)介質(zhì)。具體選擇需根據(jù)不同的成形材料、變形量、成形零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇。

該設(shè)備所用工件類型包括：板材、管材、型材。成形不同類型的工件需對模具結(jié)構(gòu)、成形介質(zhì)等做相應(yīng)調(diào)整即可。

該設(shè)備所用機(jī)體結(jié)構(gòu)用于為其他結(jié)構(gòu)和零部件提供支撐和裝配，并在一定程度上實現(xiàn)減震功能。

高能率脈動沖擊液壓成形的主要參數(shù)包括沖擊頻率和沖擊能量。不同沖擊頻率下，在沖擊間隔時間內(nèi)材料的恢復(fù)行為不同，不同沖擊能量材料的變形程度不同，本實用新型脈動沖擊液壓成形有以下4種工作模式，見圖1，分別是：頻率和能量都固定(a)、頻率固定能量變化(b)、能量固定頻率變化(c)、頻率和能量都變化(d)。

成形過程中，脈動沖擊頻率可在10次/分鐘-100次/分鐘內(nèi)調(diào)節(jié)，沖擊源能量提供方式為高速高壓液體，通過控制蓄能器進(jìn)而控制沖擊體的沖擊速度和能量，沖擊能量可達(dá)10KJ-100KJ，沖擊速度可達(dá)10m/s-50m/s，通過全液壓驅(qū)動方式控制沖擊體的高速下落沖擊和返回運動。成形過程是動態(tài)載荷過程，材料的應(yīng)變速率可達(dá)10³s^-1以上。

高能率脈動沖擊液壓成形的其他兩個重要參數(shù)是壓邊力和液體介質(zhì)體積，壓邊力需要根據(jù)最大成形壓力進(jìn)行設(shè)定，液體介質(zhì)體積決定了用于材料成形的能量傳遞比率。壓邊液壓缸的壓邊力(合模力)的調(diào)節(jié)范圍為200t-500t。沖擊頻率、沖擊能量、壓邊力、液體介質(zhì)體積都可以調(diào)節(jié)。

該實用新型所述高能率脈動沖擊液壓成形過程分為以下幾個階段：

(1)準(zhǔn)備階段，過程為：將模具安裝于機(jī)體；

(2)放料階段，過程為：坯料放于模具；

(3)壓邊(合模)階段：壓邊液壓缸下行，施加壓邊力；

(4)充液階段：充入一定體積的工作介質(zhì)；

(5)第一次沖擊行程：沖擊行程蓄能器供給高壓高速液壓源，高壓高速液壓源驅(qū)動沖擊體產(chǎn)生高速運動，高速運動的沖擊體沖擊液體介質(zhì)，液體介質(zhì)產(chǎn)生瞬時高壓，瞬時高壓驅(qū)動板材變形；

(6)第一次返回行程：返回行程蓄能器供給高壓高速液壓源，驅(qū)動沖擊體產(chǎn)生高速運動返回。

(7)中間沖擊行程及返回行程：根據(jù)材料的變形程度，進(jìn)行第二次，第三次沖擊，每次沖擊行程和返回行程如步驟(5)-(6)所述，成形過渡形。

(8)完成零件終成形，整個脈動沖擊液壓成形過程結(jié)束。

實施例1

本實施例以一種典型板材零件為例，結(jié)合圖2-5說明本實用新型的具體實施方案。

(1)參數(shù)制定階段，根據(jù)材料和零件要求，制定沖擊頻率，沖擊能量，充液量，壓邊力；例如1mm厚屈服強(qiáng)度300MPa延伸率50％的金屬板材，采用三次沖擊，每次沖擊能量16KJ，沖擊速度20m/s，所需成形零件型腔體積2L，實際充入工作介質(zhì)3L，壓邊力150t。

(2)準(zhǔn)備階段，如圖2，過程為：將板材模具8安裝于機(jī)體7，并精確定位，以便沖擊成形過程中沖擊體4和板材模具8型腔具有良好的同軸度；

(3)放料階段，如圖2，過程為：板材9放于板材模具8中并定位；

(4)壓邊(合模)階段，如圖2，過程為：壓邊液壓缸6下行，根據(jù)成形需求，施加預(yù)設(shè)的壓邊力F；

(5)充液階段，如圖2，過程為：根據(jù)成形需求，充入一定體積的液體介質(zhì)10；

(6)第一次沖擊行程，如圖3，過程為：沖擊行程蓄能器1供給沖擊行程高速高壓液壓介質(zhì)11，沖擊行程高速高壓液壓介質(zhì)11驅(qū)動沖擊體4產(chǎn)生高速運動，高速運動的沖擊體4沖擊液體介質(zhì)10，液體介質(zhì)10產(chǎn)生瞬時高壓，瞬時高壓驅(qū)動板材9變形；

(7)第一次返回行程，如圖4，過程為：高返回行程蓄能器2供給返回行程高速高壓液壓介質(zhì)12，返回行程高速高壓液壓介質(zhì)12驅(qū)動沖擊體4產(chǎn)生高速運動返回。

(8)中間沖擊行程及返回行程：根據(jù)成形需求進(jìn)行第二次，第三次沖擊，每次沖擊行程和返回行程如步驟(5)-(6)所述，成形過渡形。

(9)完成零件終成形，如圖5，整個脈動沖擊液壓成形過程結(jié)束。

實施例2

本實施例以一種典型管材零件為例，結(jié)合圖6-7詳述本實用新型。

采用上述高能率脈動沖擊液壓成形設(shè)備，難成形材料管材的成形過程和實施例1中板材零件的成形過程相同，其中管材模具13的作用同板材模具8，管材14的作用同板材9。