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）

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

本文重點介紹了幾種典型的板材特種沖壓成形技術(shù)的原理和特點，包括高壓水射流漸進(jìn)成形、徑向加壓的充液拉深成形、高壓氣脹成形、超聲振動塑性成形、激光熱應(yīng)力成形、激光沖擊成形、顆粒介質(zhì)成形、電液成形、電磁成形、熱成形－淬火一體化成形等。簡析了每種成形技術(shù)研究發(fā)展面臨的問題和應(yīng)用前景。

隨著交通運(yùn)輸、航空航天等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，節(jié)能、降耗、減排等強(qiáng)制性社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)的實現(xiàn)對運(yùn)載工具產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、輕量化等都提出了更高的要求。在這些產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，很大一部分零部件是由金屬板材沖壓加工制造出來的。目前，沖壓生產(chǎn)面臨如下方面的挑戰(zhàn)：制件形狀更復(fù)雜，尺寸和形位精度要求更高，材料更薄，新材料使用多，要求表面完整性好、抗疲勞性能好等。雖然傳統(tǒng)板材沖壓技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、大批量生產(chǎn)條件下單件成本低、成形件精度高等優(yōu)點，但是傳統(tǒng)的板材成形模具與工件一般為一一對應(yīng)關(guān)系，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造費(fèi)用昂貴，設(shè)計、加工與調(diào)試周期長，導(dǎo)致工藝柔性低及成本浪費(fèi)嚴(yán)重。同時，各種先進(jìn)制造領(lǐng)域?qū)Π宀某尚渭夹g(shù)發(fā)展提出了工藝柔性化、設(shè)計個性化、批量小型化的要求。鑒于此，對板料特種沖壓技術(shù)的需求應(yīng)運(yùn)而生。板材特種成形技術(shù)是指除了傳統(tǒng)鋼模沖壓外，以特種能場或介質(zhì)為力源來加工板料的成形技術(shù)的統(tǒng)稱，如液體、氣體、聲、光、電、磁、熱等介質(zhì)或能場。特種沖壓成形技術(shù)不僅具有一般沖壓成形技術(shù)共有的優(yōu)點，還具有各自的特點與適用范圍。針對具體生產(chǎn)需求，獲取各種特種沖壓技術(shù)原理、特點的認(rèn)知，有益于做出適合的工藝技術(shù)選擇，進(jìn)一步提高了沖壓件的成形能力和成形品質(zhì)。

高壓水射流漸進(jìn)成形技術(shù)

高壓水射流漸進(jìn)成形技術(shù)是用高壓泵將水轉(zhuǎn)化成一種具有高速、高壓性質(zhì)的流束，然后利用這種具有壓強(qiáng)和射流壓力的流束替代普通無模漸進(jìn)成形的金屬工具頭對工件進(jìn)行加工，其成形原理如圖1所示。金屬板材高壓水射流漸進(jìn)成形技術(shù)采用快速原型技術(shù)中“分層制造”的思想，當(dāng)作用在表面上的壓力超過材料的屈服極限值時，板材將發(fā)生局部塑性變形，達(dá)到最終效果后，調(diào)整參數(shù)加工下一層，如此循環(huán)直至最終成形，實現(xiàn)分層加工。

從上述工藝原理可知，高壓水射流板材漸進(jìn)成形是一種柔性化的板材數(shù)控加工技術(shù)。與傳統(tǒng)鋼模沖壓成形不同，這種方法不需要專用的模具，而且成形極限較高。此外，成形工件的復(fù)雜程度和延伸率比傳統(tǒng)工藝要高，同時由于局部漸進(jìn)成形所需的成形力小，設(shè)備的能耗低，不僅節(jié)能而且無噪聲污染，故它也屬于綠色加工范疇。但是高壓水射流漸進(jìn)成形的過程十分復(fù)雜，還有待于深入研究。

圖1 高壓水射流漸進(jìn)成形原理

圖2 徑向加壓充液拉深工藝

徑向加壓的充液拉深成形技術(shù)

徑向加壓充液拉深技術(shù)是在原有的普通充液拉深基礎(chǔ)上，加上了獨(dú)立或非獨(dú)立的液壓加載系統(tǒng)，在拉深凸模對毛坯作用的同時，利用該系統(tǒng)使高壓液體在毛坯變形區(qū)的外緣施加徑向壓力，改變變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，使徑向拉應(yīng)力減小。溢流的液體在板料與壓邊圈、板料與凹模之間形成雙面流體潤滑，減小摩擦阻力，從而進(jìn)一步提高了板材的承載能力，提高了大高徑比、難成形材料零件的可成形性。帶獨(dú)立徑向液壓加載系統(tǒng)的被稱為主動徑向加壓充液拉深成形技術(shù)。帶非獨(dú)立徑向液壓加載系統(tǒng)的充液拉深成形技術(shù)原理如圖2所示。

雖然板材的承載能力以及大高徑比、難成形板料的成形性得到了進(jìn)一步的提高，但是由于采用該技術(shù)的零件拉深比較大，其液室壓力、徑向壓力、預(yù)成形初始壓力、保壓時間等工藝參數(shù)的選取及匹配關(guān)系較普通的充液拉深工藝更復(fù)雜，而且其所用的模具和設(shè)備也相當(dāng)復(fù)雜，目前該技術(shù)的應(yīng)用也有一定的局限性，需要進(jìn)一步的理論研究和實踐突破。

高壓氣脹成形技術(shù)

高壓氣脹成形技術(shù)是將原始管坯放入已經(jīng)加熱到指定溫度的模具中，然后采用左右沖頭將管材密封，接著在一定的溫度下，通過軸向補(bǔ)料和氣體脹形壓力的協(xié)同控制，將管材脹形貼模。最后，在內(nèi)部保壓的作用下，冷卻到指定溫度后開模取件，其成形原理如圖3所示。

圖3 高壓氣脹成形原理

高壓氣脹是將管坯或板料加熱到一定溫度以氣體為傳力介質(zhì)，從而使材料的變形能力提高，同時變形抗力顯著降低，所以在高壓下可使管材或板材完全貼模從而成形薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，而且其回彈小、成形精度高，整體性和可靠性較高。

板材超聲振動成形技術(shù)

金屬超聲振動成形是對經(jīng)典的塑性成形系統(tǒng)中的模具或被加工材料施以一定方向、頻率和振幅的可控超聲振動，從而利用超聲能量輔助完成各種塑性成形加工的工藝過程，其成形原理如圖4所示。金屬超聲振動塑性成形能夠顯著降低設(shè)備成形力，提高材料成形極限，改善零件成形質(zhì)量，減少模具與工件間的摩擦，提高加工速度，減少中間處理環(huán)節(jié)。此外，由于該技術(shù)顯著降低了設(shè)備成形力，所以在高硬度、高強(qiáng)度及難變形材料的塑性加工方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，這可能成為一些特殊新材料的最有效加工方法。

圖4 超聲振動塑性成形原理

激光熱應(yīng)力成形技術(shù)

激光熱應(yīng)力成形是利用高能激光束對板材局部掃描時內(nèi)部形成的非均勻熱應(yīng)力來實現(xiàn)板材的塑性變形，激光熱成形基本工藝過程原理如圖5所示。根據(jù)激光成形過程中不同的工藝條件、所形成的溫度場等，成形機(jī)理可概括為溫度梯度、皺曲和增厚等3種機(jī)理，但是只有溫度梯度機(jī)理最能為人接受。

圖5 激光熱應(yīng)力成形示意圖

激光熱應(yīng)力成形技術(shù)有很多優(yōu)點：它是一種無模成形技術(shù)，不用借助外力，而且沒有回彈，成形精度高；由于它也屬于熱態(tài)變形，故而能使難變形或脆性材料的板材在常溫下成形；采用該技術(shù)時，每次的變形量很小，曲線彎邊時不易產(chǎn)生皺曲，故特別適合于彎曲板材。此外，激光熱應(yīng)力成形技術(shù)的成形過程無噪聲無污染，被加工材料少，屬于綠色環(huán)保制造的范疇。

激光熱應(yīng)力成形不借助于模具和任何形式的外力，因而生產(chǎn)周期短、柔性大，適合于小批量的大型零件生產(chǎn)，而且能夠很容易的與各類異形件的成形和制造進(jìn)行復(fù)合。因而在航空航天、造船等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

《板材特種沖壓技術(shù)（下）》見《鍛造與沖壓》2017年第20期

于海平，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事板材高速率成形、異種金屬磁脈沖連接方向研究工作，主持完成國家自然科學(xué)基金、國防預(yù)研基金、企業(yè)合作課題等二十余項科研項目，發(fā)表SCI檢索論文40余篇，授權(quán)發(fā)明專利17項。