板材特種沖壓技術(shù)（下）

文/于海平，黨海青，童衍辰·哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

板材特種沖壓技術(shù)（下）

文/于海平，黨海青，童衍辰·哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

《板材特種沖壓技術(shù)》(上)見(jiàn)《鍛造與沖壓》2017年第18期

激光沖擊成形技術(shù)

激光沖擊成形是利用高功率短脈沖激光與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生強(qiáng)烈的爆炸沖擊，并利用沖擊作用于板材成形的技術(shù)，激光沖擊成形的原理如圖6所示，當(dāng)高能激光輻射靶材表面時(shí)，涂覆在材料表面的犧牲層瞬時(shí)氣化并電離化，形成高壓等離子體而爆炸產(chǎn)生高壓沖擊波，作用于板料而成形，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)控制變形量和變形面積。

圖6 激光沖擊成形原理

激光沖擊成形技術(shù)是一種無(wú)?；虬肽３尚危遗c激光熱應(yīng)力成形相比，它避免了因劇烈溫度梯度導(dǎo)致的不良組織和性能；該技術(shù)所適用的材料多，工藝范圍廣，加工柔性大。此外，它結(jié)合了激光沖擊強(qiáng)化與塑性成形的優(yōu)點(diǎn)，在大型復(fù)雜曲面零件成形、微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)元器件制造、裝配、整形等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

顆粒介質(zhì)成形技術(shù)

顆粒介質(zhì)成形技術(shù)是采用固體顆粒代替剛性凸模（或凹模)的作用，對(duì)金屬板材進(jìn)行軟模拉深成形，板料成形原理如圖7所示。其本質(zhì)上是把剛性凸模通過(guò)顆粒介質(zhì)離散化，使板料受到非均勻分布的成形壓力作用，其中間部分受兩向拉應(yīng)力首先發(fā)生變形，當(dāng)徑向拉應(yīng)力達(dá)到使凸模變形區(qū)產(chǎn)生彎曲變形的臨界值時(shí)，材料逐漸進(jìn)入凹模形成側(cè)壁和底部。

顆粒介質(zhì)成形技術(shù)能夠有效提高板材成形極限和零件表面質(zhì)量，尤其在復(fù)雜零件精密成形、難加工材料成形、溫?zé)岢尚蔚确矫骟w現(xiàn)了自身的優(yōu)勢(shì)。而且與其他軟模成形相比，固體顆粒介質(zhì)成形技術(shù)還有很多優(yōu)點(diǎn)：模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造周期短、使用性強(qiáng)；材料消耗相對(duì)較低；產(chǎn)品尺寸精度顯著提高，回彈量減少；固體顆粒介質(zhì)易于密封，可反復(fù)使用；所使用的固體顆粒介質(zhì)無(wú)腐蝕作用，對(duì)人體無(wú)害、對(duì)環(huán)境無(wú)污染是一種環(huán)保的新工藝。

圖7 試驗(yàn)?zāi)＞咴?/p>

高速率成形技術(shù)

在傳統(tǒng)的“準(zhǔn)靜態(tài)”沖壓成形過(guò)程中，毛坯發(fā)生塑性變形所需的能量主要是通過(guò)沖壓設(shè)備得到的，而高速率成形技術(shù)則是利用電能或化學(xué)能瞬時(shí)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并以脈沖載荷的形式作用于毛坯，使之產(chǎn)生“動(dòng)態(tài)”塑性變形、完成零件塑性加工。高速率成形按能量來(lái)源主要可分為爆炸成形、電液成形和電磁成形三種方法。爆炸成形是利用爆炸物的爆炸能量將金屬加工成滿(mǎn)足一定形狀要求的零件。爆炸成形主要用于加工厚壁、難成形材料零件（如高強(qiáng)度耐熱金屬)，適合于生產(chǎn)小批量、大型且形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，尤其適用于零件尺寸及所需壓力超過(guò)現(xiàn)有壓力機(jī)負(fù)荷的情況。但是爆炸成形過(guò)程中不可控因素較多，引爆過(guò)程復(fù)雜，難以精確控制工件的變形量。另外，爆炸成形安全性低，難以滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的生產(chǎn)安全法規(guī)要求，因此生產(chǎn)應(yīng)用受到諸多限制，正在探索替代的工藝技術(shù)。

電液成形

電液成形是一種將存儲(chǔ)在電容器中的電能瞬間釋放在電極之間，通過(guò)液體中等離子體爆炸過(guò)程獲得強(qiáng)烈的沖擊波載荷，液體介質(zhì)傳遞載荷并推動(dòng)工件發(fā)生塑性變形的成形制造工藝，其成形工藝原理如圖8所示。與常規(guī)的沖擊成形方法相比，電液成形的成形速度高、成形精度高。電液成形與電磁成形和爆炸成形相比，它可以精確控制放電釋放的能量，比較安全；相較于電磁成形只能加工小型零件且僅適用于高導(dǎo)電率材料，電液成形則不受加工材料電磁屬性的限制，更能提高板材的成形性能（相對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)成形，成形極限提高2倍以上)，在加工生產(chǎn)大型曲面殼體零部件方面有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。針對(duì)汽車(chē)用先進(jìn)高強(qiáng)鋼板材和航空航天用高強(qiáng)度鋁合金板材成形制造的需求，美國(guó)能源部支持了產(chǎn)學(xué)研合作開(kāi)展電液成形技術(shù)研究，已經(jīng)取得了顯著成果，目前在福特汽車(chē)有示范性生產(chǎn)線(xiàn)，用于制造儀表盤(pán)零件，生產(chǎn)率在3～4件/分鐘。

圖8 電液成形工藝原理

電磁成形

電磁成形是一種利用脈沖電磁力使金屬板料發(fā)生塑性變形的高速率成形方法。把金屬材料置于瞬態(tài)變化磁場(chǎng)中，金屬材料受磁場(chǎng)力（洛倫茲力)的作用，發(fā)生高速率變形和運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而與單面凹模產(chǎn)生塑性變形，其成形工藝原理如圖9所示。電磁成形工藝可以用于板材的成形，它具有加工能量可精確控制、成形速度快、成形模具簡(jiǎn)單及設(shè)備通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，而且整個(gè)成形過(guò)程無(wú)污染。該技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)、航空航天、兵器工業(yè)等諸多領(lǐng)域。近年來(lái)，脈沖功率技術(shù)（如高儲(chǔ)能率脈沖電容器技術(shù)、大功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)技術(shù)、長(zhǎng)壽命線(xiàn)圈設(shè)計(jì)與制造技術(shù)等)的發(fā)展為電磁成形技術(shù)的進(jìn)步提供了契機(jī)。目前，研究和發(fā)展了幾種新穎的電磁成形技術(shù)，如針對(duì)異種金屬管件制造的磁脈沖復(fù)合與連接技術(shù)，針對(duì)大型殼體件的電磁輔助漸進(jìn)成形技術(shù)和多級(jí)多向電磁成形技術(shù)，針對(duì)大型曲面壁板件的多點(diǎn)電磁成形技術(shù)等。

圖9 電磁成形工藝原理

圖10 傳統(tǒng)的熱成形—淬火一體化冷模成形工藝

熱成形—淬火一體化成形技術(shù)

該技術(shù)主要是針對(duì)鋁合金板材的，它實(shí)質(zhì)上是熱成形和淬火的結(jié)合。在加工時(shí)，首先將完全固溶后的鋁合金板材快速轉(zhuǎn)移到水冷模具上，然后快速合模成形，成形完成后保持合模以完成零件模內(nèi)淬火，最后通過(guò)時(shí)效處理來(lái)提高其強(qiáng)度。該工藝主要包括固溶處理、熱成形+模內(nèi)淬火和時(shí)效處理3個(gè)主要步驟，其工藝過(guò)程如圖10所示。

經(jīng)過(guò)熱成形—淬火一體化成形技術(shù)加工的鋁合金板材，具有良好的成形性能，而且變形抗力和回彈都比較小，得到的成形件尺寸精度高，由于成形和淬火幾乎同時(shí)完成，因此可以有效提高生產(chǎn)效率。同時(shí)，采用該方法可以解決鋁合金材料室溫塑性差、熱處理時(shí)形狀畸變的問(wèn)題，但是模具的工作環(huán)境十分惡劣，模具損傷嚴(yán)重。

結(jié)束語(yǔ)

由上述分析可知，每個(gè)板材特種成形技術(shù)都具有鮮明的特點(diǎn)、獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和一定的適用范圍。雖然多數(shù)特種成形技術(shù)已經(jīng)得到應(yīng)用，并在一定程度上解決了部分板材成形難的問(wèn)題，但是仍然存在關(guān)鍵工藝問(wèn)題急需深入研究和挖掘。

隨著先進(jìn)制造領(lǐng)域和先進(jìn)材料領(lǐng)域的不斷發(fā)展，新的板材成形難題會(huì)源源不斷地涌現(xiàn)出來(lái)，這有待于加強(qiáng)國(guó)內(nèi)的產(chǎn)學(xué)研交流和合作，針對(duì)具體的生產(chǎn)問(wèn)題，了解和對(duì)比各特種成形技術(shù)的特點(diǎn)，做出最優(yōu)選擇，從而提高生產(chǎn)效率和沖壓產(chǎn)品的質(zhì)量。同時(shí)，廣大科研工作者不僅要繼續(xù)完善現(xiàn)有的特種成形技術(shù)，使其應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域，而且還要努力研發(fā)新技術(shù)，充分發(fā)揮特種能場(chǎng)在板材成形制造方面的引領(lǐng)作用。