固体颗粒介质成形新工艺演示稿

一种管、板材软模成形新技术：固体颗粒介质成形新工艺赵长财燕山大学机械工程学院固体颗粒传压介质的金属管、板料精密成形新工艺是采用固体颗粒介质代替刚性凸模(或弹性体、液体)的作用对金属管、板料进行成形的工艺。固体颗粒传压介质为成本低、承压能力强、热传导系数与热收缩系数小、高温下不分解、不变形、流动性能好的粒径在0.05－1.5mm之间的微小颗粒（简称GM颗粒）。受资助情况2002年获得河北省自然科学基金的资助金属管材固体粉末(颗粒)介质胀形新工艺及其理论研究(502117，5万)已通过鉴定，鉴定结论：国际先进2004年获得国家自然科学基金的资助固体颗粒传压介质的板料精密成形新工艺及其理论研究(50375137，25万元)2007年获得中国博士后科学基金的资助镁合金热拉深新工艺及其理论研究(3万元)2008年获得国家自然科学基金的资助镁合金软模热拉深成形新工艺及其理论研究(50775197，30万元)中华人民共和国发明专利，金属板料半模成形工艺专利号：ZL200510007167.1工艺原理图图1管料成形原理图图2板料成形原理图成形压力不均匀分布通过材料性能试验测得，成形压力经固体颗粒介质传递作用于管壁与底面的压力均呈不均匀分布，这就有利于在成形中控制坯料表面的压力，可以根据工件要求通过调节压头形状和位置来控制不同部位的变形顺序与变形量，进而实现对料厚的控制；也可以采用复合压头，来调节压力集中点，避开薄弱环节，使材料在最有利的受力条件下成形，提高管、板料成形极限和成形性能，可以实现局部成形，适合于低塑性、难加工材料的成形。固体颗粒介质成形新工艺与传统的软模成形重要区别不仅由于传压介质的不同，而且由于传压介质的改变，导致了其成形规律的不同。与传统的冲压工艺相比，固体颗粒介质板料半模成形新工艺的成形同时具有拉深与胀形存在。这与传统的冲压工艺的成形机理存在很大不同。工艺特点（1）该工艺与其它软模成形工艺相比，具有明显的优点：(1)提高板料的成形性能。固体颗粒介质具有非均匀分布的传压特性，可以通过调节压力分布有效的控制成形中材料的流动，使材料在最有利的受力条件下变形，提高板料成形极限和成形性能。对于传统拉深工艺需多次成形的深拉深件，可一次整体成形，节省多套模具和设备投资，提高生产效率，适合于深拉深件及低塑性、难加工材料的板材成形，如高强度合金、钛合金的板材（管材）成形。工艺特点（2）(2)模具结构简单、周期短、成本低、通用性强。模具结构比液压成形及以粘性介质成形结构简单；模具成本低于充液成形和粘性介质成形工艺。(3)降低材料消耗。固体颗粒介质在成形过程中可以一直完全与板料接触，消除了常规成形中存在的悬空段和危险区域，抑制了板料局部的过分减薄，而且固体颗粒与板料之间的摩擦力改善了板料成形的应力状态，大大提高了板料的成形性，降低了废品率。工艺特点（3）(4)零件尺寸精度高。该工艺是在固体颗粒介质产生的高压作用下使零件成形，因而增加了压应力成份，减少了回弹量。此外，由于固体颗粒在高压下有很好的流动性，能很好地填充小角度和复杂型面，零件贴模性很好，尺寸精度高。(5)零件表面质量好。固体颗粒介质成形过程中，无凸模与板料接触，零件表面无划痕，非常光洁，零件表面的粗糙度比原始坯料更低。工艺特点（4）(6)热稳定性好。固体颗粒介质熔点高、熔点大于1500℃，热传导系数与热收缩系数小，能在高温下作业而不分解、不变形，热稳定性超过1200℃，因而对于难加工材料的热成形十分有利，如高强度合金、钛合金、镁合金的板材（管材）成形。(7)易于密封。固体颗粒传压介质较其它介质易于密封，克服了液压胀形中液体密封困难的问题。工艺特点（5）(8)承压能力强。固体颗粒能承受很高内压(一般可达到200MPa以上)，可反复使用。(9)绿色环保。该工艺克服了液压胀形中油液污染场地的问题。固体颗粒介质无腐蚀作用，对人体无害、对环境无污染、对试件无腐蚀作用，成形后的零件也不需专门的清洁处理工序且可重复使用，是一种绿色环保的新工艺。工艺特点（6）工业领域的应用课题组采用固体颗粒介质成形新工艺成功试制出多种合格典型工件，通过大量试验数据证明该工艺比其它软模成形工艺具有明显的优点，且有广泛的应用前景。本工艺为高强度、低塑性、难变形材料、复杂型面以及高尺寸精度和高表面质量冲压件的成形提供了新的路径，可广泛应用于航空航天、汽车、化工和机械等领域。管材典型成形一般来说管材胀形加工适用于制造沿构件轴线变化的圆形、矩形截面或异型截面管件、空心构件。管材变形主要以整体径向扩张或局部径向扩张为主。根据管材胀形的这一特点，选择了以下几种典型零件为主要成形工件。管材典型成形工件(1)图4均匀胀形工件照片图5阶梯轴成形工件照片(1)0Cr18Ni9管坯沿轴线均匀胀形工件变形特点：体现了胀形的最普遍形式。胀形系数k＝1.44，大于不锈钢的极限胀形系数1.34。工件如图4所示。(2)0Cr18Ni9管坯的阶梯轴工件变形特点：沿轴线方向呈现不同的胀形系数。胀形系数分别为k＝1.44、k＝1.33。工件如图5所示。管材典型成形工件(2)图6波纹形工件照片图7方形截面工件照片(3)0Cr18Ni9管坯波纹形工件变形特点:沿轴线方向局部胀形为圆弧形。胀形系数为k＝1.33。工件如图6所示。(4)0Cr18Ni9管坯的方形截面工件变形特点:胀形后为方形截面。工件如图7所示。管材典型成形工件(3)图8椭圆形截面工件照片图9球形工件照片(5)0Cr18Ni9管坯椭圆形截面工件变形特点:截面胀形为扁圆形，为非对称截面，较难变形。胀形系数为k＝1.44。工件如图8所示。(6)LF21球形工件工件特点:管坯为圆锥形，工件为两端开口不同的球体，如图9所示。板材典型成形金属板料冲压成形技术广泛应用于机械、汽车、造船、航空、航天、轻工、仪表、电子等各行各业，在整个塑性加工成形领域占有相当大的比重和十分重要的地位。在冲压成形技术中，拉深工艺又是轴对称壳体零件制造中常用的主要的成形方法之一。板料的拉深成形是板料冲压加工中重要的成形工序。板料拉深成形利用模具使平面毛坯成形为开口的空心零件。利用拉深方法可以制造各种各样的零件，如筒形、阶梯形、圆锥形、球形、盒形、不规则形状以及复杂形状的薄壁零件。曲面类零件的加工在板料冲压成形领域里又占有相当大的比重。板材典型成形工件(1)图10抛物线形一次成形零件照片图11锥形一次成形零件照片(1)ST12抛物线形成形件如图11所示，抛物线形零件又是曲面类零件中较为典型的零件。相对高度h/d=0.755，属于深抛物线形件。(2)ST12圆锥形成形件如图10所示，圆锥形零件是曲面类零件中较为简单的基础零件。相对高度h/d=0.882，属于深锥形件。以上两种典型零件，用普通拉深工艺一般需要3～4个甚至7～8个工步，应用本工艺加工可一步成形，成形时间10s。板材典型成形工件(2)图12筒形一次成形零件照片图13盒形一次成形零件照片(3)ST12圆筒形成形件如图12所示，零件高度90mm，直径135mm，法兰边宽为10mm。(4)ST12方盒形成形件如图13所示，零件高度100mm，方盒宽度为110*110mm。圆筒形和方盒形零件是板料直壁类拉深成形中的典型工件，所选成形零件采用普通拉深工艺加工一般需要2-3个工步，应用本工艺加工可一步成形。结束语固体颗粒传压介质的金属管、板料精密成形新工艺是提高拉深件尺寸精度行之有效的一种工艺方法。由于固体颗粒介质具有液体的某些特点，如在高压下具有良好的流动性及体积近似不可压缩性，使得本工艺避免了液压成形中密封困难、油液污染场地等问题，克服了传统软模成形工艺的不足，而又吸取了各自优点。结束语该工艺除可提高精度外，还可以减少模具的磨损、节省能源、提高板料的一次变形程度，可以成形形状复杂的零件等，为材料的加工制备提供了新的方法和手段，为高强度、低塑性、难变形材料、复杂型面以及高尺寸精度和高表面质量的管、板料冲压件的精密成形提供了先进制造技术，是一种具有很强实用性、通用性、低成本的软模成形新工艺。可用于大批量成形常规方法难以或无法成形的零件，具有较大的社会及经济效益，具有广阔的应用空间。联系人：燕山大学机械工程学院赵长财Tel:335-8056775,13633333873Email:[e-mail]谢谢！