《特种塑性成型》课件-9.高能率成形

1.1高能率成形的原理及应用领域目

录高能率成形原理1高能率成形分类2结构和材料轻量化新型飞机采用钛合金和复合材料结构钛合金与复合材料的相容性好飞机结构大量采用钛合金紧固件钛合金材料屈强比高，对应变速率敏感普通冷铆难以达到铆接质量要求热铆成形的铆钉钉孔填充质量差，易使复合材料产生安装损伤、分层，限制了热铆方法的工艺应用电磁铆接工艺导入案例（一）冲头结构设计采用带内锥结构冲头在成形过程的初始阶段，使金属增加了一个向上充填的过程改变轴心处金属的变形流动状况对金属充填型腔的能力有着重要作用一、带内锥冲头挤压高能率成形一种在极短时间内释放高能量使金属变形的成形方法高能率成形(又称高速成形)是利用炸药或电装置在极短的时间里释放出的电能或化学能，通过介质以高压冲击波作用于坯料，使其产生变形和贴模的加工方法。一、高能率成形原理优点加工时间短设备费用较低缺点噪声大单位时间内的产量低可对坯料进行拉深、翻边、胀形、起伏、弯曲、冲孔等冲压工序工件精度高并能加工一些难以加工的金属材料一、高能率成形原理高能率成形需要能够提供足够的压力和能量的大功率能源。化学能高能率成形所使用的能源高压气体电能炸药火药爆炸气体或可燃气体通过适当的方式将这三类能源瞬时地转换成机械能，在极短的时间内作用于金属坯料，使其成形。高速成形或高能高速成形高能率成形时能量大、速度快、功率高二、高能率成形分类爆炸成形高能率成形电磁成形电液成形设备的原理是相同的，只是放电介质不同爆炸成形利用储存化学能的爆炸物质，在极短时间内爆炸时所释放的剧烈能量使金属成形。电液成形利用液体介质中两电极之间突然放电所产生的冲击波使金属成形。电磁成形利用脉冲电容器突然释放储存的能量，通过线圈产生强而短促的磁场，同时在金属毛坯上产生感应磁场，利用磁场力使金属成形。二、高能率成形分类小结高能率成形原理1高能率成形分类2高能率成形1.2高能率成形的原理及应用领域目

录高能率成形特点3高能率成形应用领域4优点1.能量高、变形速度快、成形时间短、功率高用水压机生产直径为1m的封头时，作用于毛坯的平均压力为几十个大气压，成形时间为十几秒。采用爆炸成形时，压力为数千个大气压，成形时间约为0.01s

。2.模具简单高能率成形仅用单模甚至不用模具就可以实现免除凸凹模配合的复杂工艺节省模具材料缩短模具制造周期降低生产成本三、高能率成形特点优点3.设备简化高能率破碎机爆炸成形设备起重和搬运装置，水泵和真空泵电液成形和电磁成形设备高压脉冲电容器和辅助的电器系统三、高能率成形特点优点4.零件精度高，表面质量好高能率成形有利于提高零件的贴模性，而且可有效地减小零件的回弹毛坯表面不受损伤，而且可以提高变形的均匀性5.可提高材料的塑性变形能力6.利于采用复合工艺可有效地减少工序和模具的数量缩短生产周期降低成本三、高能率成形特点缺点1.成形时的噪声、振动大2.单位时间内的产量低3.具有一定的危险性爆炸成型三、高能率成形特点（一）板材成形高能率成形可完成板材的多种冲压加工工序。拉深胀形校形压印翻边弯曲冲裁高能率破碎机板材成形四、高能率成形应用领域（二）连接及装配高能率成形常用于管-管、管-杆、管-板等连接。可用于金属与金属或金属与非金属(如玻璃、陶瓷、软管等)材料的连接。陶瓷与金属封接四、高能率成形应用领域（三）金属板复合高能率成形，尤其是爆炸成形可使两种金属间形成牢固的复合连接，用以制造多层金属板或金属管。爆炸与轧制一体化材料复合工艺在碳素钢上蒙以不锈钢、铝、钛、锆、铜及其合金的表层四、高能率成形应用领域（四）粉末压实粉末成型（五）表面强化高能率成形可以使金属表面的硬度提高，从而提高其耐冲击磨损和耐变形的能力。航空航天工业领域的应用汽车工业的应用四、高能率成形应用领域（五）表面强化适于加工超大型零件爆炸成形具有良好的经济性适于大批量生产中、小型零件电磁成形具有良好的发展前景四、高能率成形应用领域小结高能率成形特点3高能率成形应用领域42.1爆炸成形的原理及应用领域目

录爆炸成形原理1爆炸成形工艺参数220世纪50年代中期宇航工业的发展促进了爆炸成形技术的应用。1960年美国政府有关部门中已有不少于80个单位计划同时应用爆炸成形加工。20世纪60年代初期美国开始重视爆炸成形的基础工艺过程，从而开始出现许多大规模的成功应用。爆炸成形的历史爆炸成形利用爆炸物质在爆炸瞬间释放出巨大的化学能使金属坯料产生塑性变形的高能率成形方法。爆炸拉深装置示意图药包起爆后，爆炸物质以极高的传爆速度在极短的时间内完成爆轰过程。形成高压力冲击波位于爆炸中心周围的介质一、爆炸成形原理爆炸成形利用爆炸物质在爆炸瞬间释放出巨大的化学能使金属坯料产生塑性变形的高能率成形方法。爆炸拉深装置示意图毛坯开始运动并以很大的加速度积累自己的运动速度冲击波与成形毛坯接触时毛坯位移速度达最大值冲击波压力=毛坯变形抗力一、爆炸成形原理爆炸成形利用爆炸物质在爆炸瞬间释放出巨大的化学能使金属坯料产生塑性变形的高能率成形方法。爆炸拉深装置示意图使其继续变形毛坯所获得的动能以一定的速度贴模一、爆炸成形原理通过介质传递能量传播方式直接作用于金属（一）传压介质常用传压介质（一）传压介质水空气砂（一）传压介质空气作介质工艺简单，不需要特殊的装置，成本较低水作介质传压效率低，噪声和振动大，爆炸物飞散对周围环境有不良影响，而且易损伤毛坯的表面，因此应用较少变形能消耗少，传压效率较高，炸药需要量少，噪声和振动小，毛坯的表面不受损伤，水的价格较低，供应方便，生产中应用较多装置比较复杂，爆炸时水的飞溅给生产带来一定的麻烦二、爆炸成形工艺参数（一）传压介质砂作介质砂与毛坯之间的摩擦力较大，在某些零件的成形上可以起到克服起皱的作用，所需的炸药量比用水时大几倍直接作用于金属化学炸药应用介质中爆炸成形主要用于板和管的成形、压印及翻边等直接作用于金属的爆炸成形主要用于小的胀形、挤压、焊接、粉末压实及表面强化等二、爆炸成形工艺参数（二）炸药爆炸成形常用的炸药高爆炸药低爆炸药梯恩梯黑索金泰安特屈儿无烟粉末黑色粉末铸成的药包压实的粉末状的常用电雷管作为起爆物质，用起爆器起爆梯恩梯使用安全，爆炸能量强，应用较多药形药位药量二、爆炸成形工艺参数（二）炸药工艺参数的选择—1.药形剪切挤压与侧向挤压的载荷对比a)球形药包b)柱形药包c)锥形药包d)环形药包药包形状决定其产生的冲击波波形，是保证爆炸成形顺利进行的重要因素之一，应该根据成形零件变形过程所要求的冲击波阵面形状来决定。二、爆炸成形工艺参数（二）炸药工艺参数的选择—2.药位药位指炸药与毛坯之间的相对位置，也是爆炸成形的重要参数之一作用在毛坯上的载荷越小，但载荷的分布越均匀药位越高作用在毛坯上的载荷越大，但载荷的分布越不均匀药位越低二、爆炸成形工艺参数（二）炸药工艺参数的选择—3.药量变形无法完成药量过小零件破裂甚至损坏模具药量过大二、爆炸成形工艺参数小结爆炸成形原理1爆炸成形工艺参数22.2爆炸成形的原理及应用领域目

录爆炸成形特点3爆炸成形应用领域4优点1.简化设备及模具一般情况下，爆炸成形无需冲压设备，既节省了设备费用，也简化了生产条件。爆炸成形属于软模成形性质不需要成对的刚性凸模和凹模同时对毛坯施加外力用空气或水等传压介质代替刚性凸模的作用简化模具结构适合于加工形状特殊的空心零件尺寸精度比一般冲压方法高三、爆炸成形特点优点2.适于大型零件成形常规的成形方法加工大型零件需要大型模具及大台面的专用设备爆炸成形加工大型零件不需要专用设备模具及工装制造简单操作简单，周期短，成本低三、爆炸成形特点缺点1.生产率较低2.工艺经验和理论均不如常规工艺成熟由炸药加工、药包制作、模具和毛坯的安装及拆卸等方面的机械化程度较低造成。3.多为户外操作，受气候的影响较大，劳动条件较差4.爆炸成形还会造成液体介质的污染三、爆炸成形特点缺点5.危险性高炸药属于危险品，其使用、保存和管理等均应按照有关规定严格执行，从业人员应经过严格的专业训练后才能从事爆炸成形的工作。爆炸成形适于各种形状零件的成形拉深胀形校形弯曲冲孔剪切翻边扩口压印板料爆炸焊接表面强化管件结构的装配粉末压制爆炸成形是解决大型零件成形问题的一个有效途径四、爆炸成形应用领域（一）钣金零件的成形和校形零件比较薄，成形所需压力比较小可用火药代替炸药采用火药时，为了获得较大的压力密封式成形方案成形所需的压力和能量更小考虑在密封室里使用爆炸气体或可燃气体密封室方案只适用于小型零件四、爆炸成形应用领域（二）爆炸硬化爆炸硬化方法把一层炸药敷在需要硬化的部位，炸药与金属之间有时放一层薄的硬橡皮或其他物质作缓冲层爆炸硬化工艺，以使用塑性炸药最为方便爆炸硬化所用炸药要求爆速高、猛度大、临界直径小一般采用黑索金炸药四、爆炸成形应用领域（三）爆炸焊接(爆炸复合)爆炸焊接利用炸药爆炸所产生的巨大压力使两种金属间形成牢固的连接，又称爆炸复合。应用双层金属和多层金属板的制造突出案例：在碳素钢上蒙以不锈钢、铝、钛、锆、铜及其合金的表层。特点节约贵重金属，提高焊接质量四、爆炸成形应用领域（三）爆炸焊接(爆炸复合)爆炸焊接一般采用接触爆炸，即将炸药直接敷在金属表面上进行爆炸。有时为了保护金属表面，改进接触面质量，可在金属表面放一缓冲层。爆炸焊接装配图四、爆炸成形应用领域爆炸波直接传到复板金属的上表面，并在复板金属内转化为冲击波。炸药爆炸时（三）爆炸焊接(爆炸复合)爆炸焊接装配图复板与基板撞合产生很大压力两板内金属表面产生射流形成冶金的粘接四、爆炸成形应用领域（四）爆炸粉末压实利用炸药爆炸所产生的冲击波压力将金属粉末压实主要用途在不改变粉末物理性能的情况下获得高的致密度低实现成形与连接的复合四、爆炸成形应用领域小结爆炸成形特点3爆炸成形应用领域43.电液成形的原理及应用领域电液成形利用强电流脉冲在液体中放电时所产生的强大冲击波，使金属板料和管材塑性变形的成形方法。特点可进行板料的拉深、冲孔、压印及管材的胀形等应用适用于中小型工件，操作方便，可用于批量生产目

录电液成形原理1电液成形特点2电液成形应用领域3电液成形利用强电流脉冲在液体介质中放电所产生的高能冲击波使金属坯

料产生塑性变形的高能率成形方法。电液成形基本原理升压变压器整流器充电电阻电容器辅助开关水水箱绝缘电极毛坯抽气孔凹模充电回路放电回路一、电液成形原理电液成形基本原理升压变压器整流器充电电阻电容器辅助开关水水箱绝缘电极毛坯抽气孔凹模充电回路放电回路作用将交流电整流后向电容器充电一、电液成形原理所选的电容器应具有短路放电的能力和较长的寿命电液成形装置工作能力的大小由电容器的储能决定。电液成形基本原理升压变压器整流器充电电阻电容器辅助开关水水箱绝缘电极毛坯抽气孔凹模放电回路来自网路的交流电高压直流电向电容器充电升压变压器整流器一、电液成形原理优点1.设备通用性强电液成形设备是一套提供能量的电器装置，只要改变放电元件参数及模具类型即可完成多种加工工序。无运动部分，维护简单不会出现因机械压力机使用不当而出现超载损坏等问题电液成形设备二、电液成形特点优点2.能量易于控制，利于实现机械化和自动化电容器的电容及电压参数的控制和调节简单方便，重复性好。适合加工一些小而薄的零件及需要精确控制能量的零件电液成形电液成形设备能量决定于电容器的电容及电压易于实现对各种工艺参数和成形过程的控制，成形过程比较稳定，操作方便，生产率高，且比较安全，利于实现生产过程的机械化与自动化。二、电液成形特点优点3.特别适用于加工管材胀形零件工序比较复杂，而当零件形状不对称或型面较复杂时则更为困难甚至无法加工传统机械方法加工管材胀形件电液成形能量利用率比加工板材高，可加工波纹管及不对称零件4.适应性强电液成形的适应性较强，装备容易获得，可以在车间进行，适应各种工件形状，但能量较大时，需采取保护措施。二、电液成形特点缺点1.电液成形的加工能力受设备容量的限制2.电极间隙受能力充分利用的限制3.电液成形会造成水的污染及浪费可进行板料的拉深、胀形、冲孔、压印、翻边、冲裁、校形等电液成形主要适用于中小型零件的加工可成批生产三、应用领域小结电液成形原理1电液成形特点2电液成形应用领域3利用强电流脉冲在液体中放电时所产生的强大冲击波，使金属板料和管材塑性变形。电液成形学习技术知识传承和发扬工匠精神电液成形4.电磁成形的原理及特点20世纪50年代末电磁成形技术初始阶段60～70年代电磁成形技术得到了快速发展80年代美国、苏联电磁成形机已标准化、系列化20世纪70年代末哈尔滨工业大学开始研究电磁成形的基本理论及工艺1986年哈尔滨工业大学成功研制了我国首台生产用电磁成形机电磁成形技术的发展概况加工能量易于精确控制成形速度快工件精度高模具简单设备通用性强成形过程绿色、环保电磁成形技术特点机械电子仪器仪表轻化工航空航天汽车兵器电磁成形技术应用电磁成形技术的发展概况新世纪要求更精、更省、更净成形过程要求绿色无污染成形工件由近净成形向无余量的净成形发展产品开发周期短生产工艺具备快速市场响应能力电磁成形技术的发展概况电磁成形特点2目

录电磁成形原理1电液成形因在成形过程中载荷是以脉冲的方式作用于毛坯的，所以又称磁脉冲成形。利用瞬间放电所产生的能量使金属成形。利用电流通过线圈所产生的脉冲磁场力使金属坯料产生塑性变形的高能率成形方法。电磁成形装置原理图2整流器3充电电阻工作线圈5辅助开关4电容器毛坯1升压变压器一、电磁成形原理充电回路放电回路升压变压器整流器充电电阻电容器电容器辅助开关工作线圈电磁成形装置原理图2整流器3充电电阻工作线圈5辅助开关4电容器毛坯1升压变压器一、电磁成形原理电磁成形装置与电液成形装置除放电元件不同外，其余都是相同的。电液成形装置电磁成形装置放电元件为液体介质中的电极放电元件为空气中的线圈电磁成形磁场力分析a)线圈内放电磁场b)线圈内感应磁场c)线圈内管坯受力情况电磁成形原理一、电磁成形原理电磁成形磁场力分析由充电回路中的升压变压器及整流器组成的高压直流电向电容器充电。辅助开关闭合电容器放电在工作线圈1中通过强脉冲电流i线圈空间会产生一均匀的强脉冲磁场2一、电磁成形原理电磁成形磁场力分析管状金属坯料3放在线圈内