板材特種沖壓技術（下）

文/于海平，黨海青，童衍辰·哈爾濱工業大學材料科學與工程學院

板材特種沖壓技術（下）

文/于海平，黨海青，童衍辰·哈爾濱工業大學材料科學與工程學院

《板材特種沖壓技術》(上)見《鍛造與沖壓》2017年第18期

激光沖擊成形技術

激光沖擊成形是利用高功率短脈沖激光與物質相互作用，產生強烈的爆炸沖擊，并利用沖擊作用于板材成形的技術，激光沖擊成形的原理如圖6所示，當高能激光輻射靶材表面時，涂覆在材料表面的犧牲層瞬時氣化并電離化，形成高壓等離子體而爆炸產生高壓沖擊波，作用于板料而成形，通過數控系統調整各項參數控制變形量和變形面積。

圖6 激光沖擊成形原理

激光沖擊成形技術是一種無模或半模成形，而且與激光熱應力成形相比，它避免了因劇烈溫度梯度導致的不良組織和性能；該技術所適用的材料多，工藝范圍廣，加工柔性大。此外，它結合了激光沖擊強化與塑性成形的優點，在大型復雜曲面零件成形、微機電系統結構元器件制造、裝配、整形等領域具有廣闊的應用前景。

顆粒介質成形技術

顆粒介質成形技術是采用固體顆粒代替剛性凸模（或凹模)的作用，對金屬板材進行軟模拉深成形，板料成形原理如圖7所示。其本質上是把剛性凸模通過顆粒介質離散化，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力首先發生變形，當徑向拉應力達到使凸模變形區產生彎曲變形的臨界值時，材料逐漸進入凹模形成側壁和底部。

顆粒介質成形技術能夠有效提高板材成形極限和零件表面質量，尤其在復雜零件精密成形、難加工材料成形、溫熱成形等方面體現了自身的優勢。而且與其他軟模成形相比，固體顆粒介質成形技術還有很多優點：模具結構簡單、制造周期短、使用性強；材料消耗相對較低；產品尺寸精度顯著提高，回彈量減少；固體顆粒介質易于密封，可反復使用；所使用的固體顆粒介質無腐蝕作用，對人體無害、對環境無污染是一種環保的新工藝。

圖7 試驗模具原理

高速率成形技術

在傳統的“準靜態”沖壓成形過程中，毛坯發生塑性變形所需的能量主要是通過沖壓設備得到的，而高速率成形技術則是利用電能或化學能瞬時轉化為機械能，并以脈沖載荷的形式作用于毛坯，使之產生“動態”塑性變形、完成零件塑性加工。高速率成形按能量來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（如高強度耐熱金屬)，適合于生產小批量、大型且形狀復雜的產品，尤其適用于零件尺寸及所需壓力超過現有壓力機負荷的情況。但是爆炸成形過程中不可控因素較多，引爆過程復雜，難以精確控制工件的變形量。另外，爆炸成形安全性低，難以滿足日益嚴格的生產安全法規要求，因此生產應用受到諸多限制，正在探索替代的工藝技術。

電液成形

電液成形是一種將存儲在電容器中的電能瞬間釋放在電極之間，通過液體中等離子體爆炸過程獲得強烈的沖擊波載荷，液體介質傳遞載荷并推動工件發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（相對于準靜態成形，成形極限提高2倍以上)，在加工生產大型曲面殼體零部件方面有明顯的技術和經濟優勢。針對汽車用先進高強鋼板材和航空航天用高強度鋁合金板材成形制造的需求，美國能源部支持了產學研合作開展電液成形技術研究，已經取得了顯著成果，目前在福特汽車有示范性生產線，用于制造儀表盤零件，生產率在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生塑性變形的高速率成形方法。把金屬材料置于瞬態變化磁場中，金屬材料受磁場力（洛倫茲力)的作用，發生高速率變形和運動，進而與單面凹模產生塑性變形，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、成形模具簡單及設備通用性強等特點，而且整個成形過程無污染。該技術現已應用于汽車工業、航空航天、兵器工業等諸多領域。近年來，脈沖功率技術（如高儲能率脈沖電容器技術、大功率半導體開關技術、長壽命線圈設計與制造技術等)的發展為電磁成形技術的進步提供了契機。目前，研究和發展了幾種新穎的電磁成形技術，如針對異種金屬管件制造的磁脈沖復合與連接技術，針對大型殼體件的電磁輔助漸進成形技術和多級多向電磁成形技術，針對大型曲面壁板件的多點電磁成形技術等。

圖9 電磁成形工藝原理

圖10 傳統的熱成形—淬火一體化冷模成形工藝

熱成形—淬火一體化成形技術

該技術主要是針對鋁合金板材的，它實質上是熱成形和淬火的結合。在加工時，首先將完全固溶后的鋁合金板材快速轉移到水冷模具上，然后快速合模成形，成形完成后保持合模以完成零件模內淬火，最后通過時效處理來提高其強度。該工藝主要包括固溶處理、熱成形+模內淬火和時效處理3個主要步驟，其工藝過程如圖10所示。

經過熱成形—淬火一體化成形技術加工的鋁合金板材，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完成，因此可以有效提高生產效率。同時，采用該方法可以解決鋁合金材料室溫塑性差、熱處理時形狀畸變的問題，但是模具的工作環境十分惡劣，模具損傷嚴重。

結束語

由上述分析可知，每個板材特種成形技術都具有鮮明的特點、獨特的技術優勢和一定的適用范圍。雖然多數特種成形技術已經得到應用，并在一定程度上解決了部分板材成形難的問題，但是仍然存在關鍵工藝問題急需深入研究和挖掘。

隨著先進制造領域和先進材料領域的不斷發展，新的板材成形難題會源源不斷地涌現出來，這有待于加強國內的產學研交流和合作，針對具體的生產問題，了解和對比各特種成形技術的特點，做出最優選擇，從而提高生產效率和沖壓產品的質量。同時，廣大科研工作者不僅要繼續完善現有的特種成形技術，使其應用于更廣泛的領域，而且還要努力研發新技術，充分發揮特種能場在板材成形制造方面的引領作用。