專利名稱：電磁力驅動模壓板材成形方法及設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于超細晶金屬材料成形加工技術領域，尤其涉及一種采用電磁力驅動制備塊體板狀超細晶材料的大塑性變形方法及成形設備。
背景技術：
隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學技術的發(fā)展，不斷提高鋼鐵與有色金屬材料的綜合性能和減少結構件自重，已成為制造業(yè)亟待解決的問題。近年來，超細晶(包括亞微米級和納米級) 金屬材料——由于其表現(xiàn)出的一系列有別于傳統(tǒng)材料的優(yōu)異的物理、力學和成形性能—— 引起了人們的密切關注。大體積超細晶金屬材料的制備方法主要可以分為兩類(1)把通過不同加工技術獲得的微米、納米顆粒等超微粉體進行致密化。超微粉體的制備方法主要有惰性氣氛中的氣相冷凝法、電沉積以及高能球磨法等。這類方法雖然是多數(shù)超細晶材料組織和性能研究的基礎，但這些方法在發(fā)展中還存在一些難以解決的問題，如致密化后的殘留孔洞、制粉或粉體團聚過程中的污染、所獲試樣的幾何尺寸增大等。( 對現(xiàn)有粗晶材料進行劇烈塑性變形，使其獲得穩(wěn)定的超細晶組織，即劇烈塑性變形法。劇烈塑性變形法具有許多獨特的優(yōu)點，如不存在超微粉體的制備過程，不易引入雜質；適用范圍寬，可以制備大體積、無殘留孔洞試樣；并且工業(yè)應用的可行性高。相對而言，后一類方法更具可行性。模壓變形法是新近提出的一種劇烈塑性變形方法，應用于板材的晶粒細化，且處理后的試樣厚度不會有顯著的變化。目前，該法已成功用于Al、Cu等純金屬的晶粒細化。但是，傳統(tǒng)的模壓變形法存在適用范圍比較窄(僅限于Al、Cu等高塑性材料)、板材壓制道次有限和晶粒細化效果不明顯的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可生產(chǎn)塊體板狀超細晶材料的大塑性變形方法及成形設備，利用電磁力驅動鋼模實現(xiàn)金屬板材的高速成形，以克服現(xiàn)有的模壓變形技術的不足。本發(fā)明的制備塊體板狀超細晶材料的工作原理如下將工作線圈與電磁成形設備高壓儲能電容組連接，電容組充電后放電，高頻率、高強脈沖電流流經(jīng)線圈，在線圈周圍產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖磁場。由電磁感應定律，在與線圈臨近的驅動板表面層產(chǎn)生感應渦流，該渦流與線圈電流方向相反，使得驅動板受到脈沖電磁力的沖擊作用。脈沖電磁力經(jīng)驅動板作用于壓彎上模，使板料高速貼模成形。整個成形過程可在幾百微秒的時間內(nèi)完成。本發(fā)明加工塊體板狀超細晶材料的成形方法，包括如下步驟(1)將待加工件板坯放入壓彎模進行壓彎；壓彎上模在脈沖磁場力作用下高速向下運動，使板坯在模具斜齒部分發(fā)生純剪切變形，在模具的平齒部分則未發(fā)生變形。(2)用壓平模對已壓彎的板坯進行整平，使板坯的原斜齒部分再次受到等量的剪切變形，而模具的平齒部分對應板坯的有效應變?nèi)詾?。(3)然后，將板坯水平方向旋轉180°，由于模具的齒形分布特點，使前兩次模壓變形過程中板坯未受到剪切的部分進入到剪切變形的位置，再進行壓彎。
(4)接著，用壓平模對再次壓彎過的板坯進行整平。這樣，經(jīng)過上述4次模壓變形過程，整塊板坯都產(chǎn)生了均勻的變形。(5)重復上述(1)-0)4次模壓變形循環(huán)過程的步驟，增加板坯對有效變形的累積，從而在不改變板坯外形尺寸的情況下獲得超細晶板材。為實施本發(fā)明電磁力驅動模壓成形方法而設計的專用設備如下該設備包括壓彎模、壓平模、驅動板、線圈、線圈支撐架、固定裝置，其組成結構如下壓彎模具的下模和上模安裝在固定裝置的下固定板上，壓彎模具的下模和上模為齒合相接，其上、下模之間為加工件板坯，在上模的上面設有驅動板，在驅動板的表面層能產(chǎn)生電磁感應渦流，驅動板上面為裝有線圈的線圈支撐架，線圈引線連接到電磁成形設備高壓儲能電容組，電容組充電后放電，高頻率、高強脈沖電流流經(jīng)線圈，在線圈中產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖磁場，由電磁感應定律，在與線圈臨近的驅動板表面層產(chǎn)生感應渦流，渦流與線圈電流方向相反，使得驅動板受到脈沖電磁力的沖擊作用，脈沖電磁力經(jīng)驅動板作用于壓彎上模， 實現(xiàn)板坯變形。線圈支撐架的上表面設有固定裝置的上固定板通過緊固螺栓與下固定板連接將整個設備固定。將壓平模具的壓平上模和壓平下模與壓彎模具上模和下模位置調(diào)換，可進行壓平成形作業(yè)。壓彎模具或壓平模具可采用單模作業(yè)，即只采用下模。壓彎模具或壓平模具可采用軟模作業(yè)，即上?；蛘呦履２捎密浤?。與傳統(tǒng)的板材模壓細晶工藝相比，本發(fā)明的優(yōu)點是利用電磁力驅動鋼模實現(xiàn)對板材的壓制。壓彎上模在脈沖磁場力作用下高速向下運動，在高加載速率下使板材變形。由于在充分高的加載速率下工件的成形極限不再受傳統(tǒng)的成形極限的限制，獲得遠高于傳統(tǒng)的準靜態(tài)成形的成形極限，因此可以提高材料的成形性，擴大材料的可選擇范圍。使得經(jīng)該方法產(chǎn)生的晶粒細化效果更加明顯。另外，其成形過程在瞬間完成，減少了板材在模具中的摩擦，使板材變形更均勻，提高了塊體板狀超細晶材料的生產(chǎn)效率和性能。


圖1是本發(fā)明的設備結構示意圖；圖2是圖1所示部分的放大圖；圖3是壓平模具的示意圖。
具體實施例方式下面結合圖1具體說明實施方式。本實施方式的塊體板狀超細晶材料的電磁力驅動模壓成形設備，包括壓彎模、壓平模、線圈支撐架、上下固定板、線圈、驅動板、緊固螺栓。壓彎模具的壓彎下模2和壓彎上模4安裝在下固定板1上，壓彎模具的下模和上模為齒合相接(如圖2所示)，其上、下模之間為加工件板坯3，在上模的上面設有驅動板8， 在驅動板8的表面層能產(chǎn)生電磁感應渦流，驅動板上面為裝有線圈7的線圈支撐架5，線圈 7引線連接到電磁成形設備高壓儲能電容組，電容組充電后放電，高頻率、高強脈沖電流流經(jīng)線圈7，在線圈7中產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖磁場，線圈支撐架5的上表面設有上固定板6通過緊固螺栓9與下固定板1連接將整個設備固定。將壓平模具的壓平上模10和壓平下模11 (如圖3所示)與壓彎模具上模4和下模2位置調(diào)換，可進行壓平成形作業(yè)。本發(fā)明所適用的板坯材料為金屬材料，本實施方式所采用的板坯，材料為Q235鋼板，厚度為2mm ；所用壓彎模具材料為Crl2 (淬火)，由等腰梯形齒構成模具工作面，齒高和齒寬相等，均為3mm，齒側傾角為45度，壓彎模具上、下模之間齒合間隙為加工件板坯的厚度；壓平模具材料為Crl2(淬火)，工作面為平面，壓平模具上、下模垂直間隙與加工件板坯的厚度相同；所用線圈為平板線圈，單根導線橫截面為矩形，導線間留有一定間隙，線與線之間用高壓絕緣材料包覆隔開，采用兼具高壓電氣絕緣和有機械強度的環(huán)氧樹脂基絕緣材料灌封，并將線圈固定在線圈支撐架5內(nèi)，線圈兩端引線和電容器組連接；驅動板為紫銅板。本發(fā)明提供的塊體板狀超細晶材料的成形工藝，包括如下步驟(1)安裝壓彎模具根據(jù)圖1所示，安裝壓彎下、上模具2和4、板坯3等，安裝下、 上固定板1、6，擰緊緊固螺栓9;(2)放電壓彎成形將線圈7引線連接到電磁成形設備高壓儲能電容組，電容組充電后放電，高頻率、高強脈沖電流流經(jīng)線圈7，在線圈7中產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖磁場，驅動板8上表面產(chǎn)生感應渦流，該感應渦流所產(chǎn)生的磁場與線圈7產(chǎn)生的脈沖磁場在驅動板8和線圈7 的間隙內(nèi)形成疊加磁場，使得驅動板8受到一個脈沖電磁力的沖擊作用，脈沖電磁力力經(jīng)驅動板作用在壓彎上模4上，上模帶動板坯成形，整個成形過程在瞬間完成。板坯在模具斜齒部分產(chǎn)生純剪切變形；在模具的平齒部分則未發(fā)生變形；(3)安裝壓平模具根據(jù)圖1所示，在安裝壓彎模具的位置處更換壓平模具的上模 10和下模11、板坯3等，安裝下、上固定板1、6，擰緊緊固螺栓9 ；(4)放電壓平成形接著，用壓平上、下模10和11對壓彎過的板坯進行整平，這樣，受壓過的板坯的原斜齒部分再次受到等量的剪切應變，模具的平齒部分對板坯的有效應變?nèi)詾? ；(5)然后，將板坯水平方向旋轉180°，重復進行⑴、(2)的壓彎步驟，由于模具的齒形分布特點，使得前兩次模壓變形過程中板坯未受到剪切的部分進入剪切變形的位置。(6)接著，重復(3)、(4)步驟，用壓平模對壓彎過的板坯進行整平。這樣，經(jīng)過上述(3)-(6)4次模壓變形步驟過程，整塊板坯都產(chǎn)生了均勻變形。(7)重復進行上述4次模壓變形的循環(huán)過程，從而在不改變板坯外形尺寸的情況下獲得細晶板材。實際結果表明，經(jīng)過至少4次模壓變形后，Q235鋼板的平均晶粒尺寸由最初的幾十微米細化為幾百納米到幾微米。本發(fā)明所用板料的材料、形狀不受上述實例限制；本發(fā)明所用線圈不受上述平板線圈限制；本發(fā)明所采用的模具特征不受上述實例的限制，如單模(即只采用下模)、軟模 (上?；蛘呦履２捎密浤?等；本發(fā)明固定裝置中零件1、6、9所構成的框架結構對電磁力驅動模壓成形過程的限制力不受上述實例限制，其他施力方式，如壓力機等；以上所述各項應均在本發(fā)明的權利要求的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種電磁力驅動模壓板材成形方法，其特征是(1)將待加工件板坯放入壓彎模進行壓彎，使板坯在模具斜齒部分發(fā)生純剪切變形，在模具的平齒部分則未發(fā)生變形；(2)用壓平模對已壓彎的板坯進行整平，使板坯的原斜齒部分再次受到等量的剪切變形，而模具的平齒部分對應板坯的有效應變?nèi)詾? ；(3)然后，將板坯水平方向旋轉180°，使前兩次模壓變形過程中板坯未受到剪切的部分進入到剪切變形的位置，再進行壓彎；(4)接著，用壓平模對再次壓彎過的板坯進行整平，經(jīng)過上述4次模壓變形過程，整塊板板坯都產(chǎn)生了均勻的變形；(5)重復上述(1)-0)4次模壓變形循環(huán)過程的步驟，增加板坯對有效變形的累積，從而在不改變板坯外形尺寸的情況下獲得超細晶板材。
2.根據(jù)權利要求1所述的板材成形方法，其特征是所述的適用板坯材料為金屬材料， 或采用材料為Q235鋼板，厚度為2mm的板坯材料。
3.一種實施權利要求1所述的板材成形方法的設備，該設備包括壓彎模、驅動板、線圈、線圈支撐架、固定裝置，其組成結構特征如下壓彎模具的下模和上模為齒合相接，在上模的上面設有驅動板，驅動板上面為裝有線圈的線圈支撐架，線圈引線連接到電磁成形設備高壓儲能電容組，電容組充電后放電，高頻率、高強脈沖電流流經(jīng)線圈，在線圈中產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖磁場，在與線圈臨近的驅動板表面層產(chǎn)生感應渦流，渦流與線圈電流方向相反，使得驅動板受到脈沖電磁力的沖擊作用，脈沖電磁力經(jīng)驅動板作用于壓彎上模，實現(xiàn)板坯變形。
4.根據(jù)權利要求3所述的用于板材成形方法的設備，其特征是將壓平模具的壓平上模和壓平下模與壓彎模具上模和下模位置調(diào)換，進行壓平成形作業(yè)。
5.根據(jù)權利要求3或4所述的用于板材成形方法的設備，其特征是壓彎模具或壓平模具采用單模作業(yè)，即只采用壓彎下模或壓平下模。
6.根據(jù)權利要求3或4所述的用于板材成形方法的設備，其特征是壓彎模具或壓平模具采用軟模作業(yè)，即上模或者下模采用軟模。
7.根據(jù)權利要求3所述的用于板材成形方法的設備，其特征是所用壓彎模具材料為 Crl2-淬火，有等腰梯形齒構成模具工作面，齒高和齒寬相等，齒側傾角為45度，上、下模之間齒合間隙為加工件板坯的厚度。
8.根據(jù)權利要求4所述的用于板材成形方法的設備，其特征是所用壓平模具材料為 Crl2-淬火，工作面為平面，壓平模具上、下模垂直間隙與加工件板坯的厚度相同。
9.根據(jù)權利要求3或4所述的用于板材成形方法的設備，其特征是所用線圈為平板線圈，單根導線橫截面為矩形，導線間留有一定間隙，線與線之間用高壓絕緣材料包覆隔開， 采用兼具高壓電氣絕緣和有機械強度的環(huán)氧樹脂基絕緣材料灌封，并將線圈固定在線圈支撐架內(nèi)。
10.根據(jù)權利要求3或4所述的用于板材成形方法的設備，其特征是所用驅動板為紫銅板。
全文摘要
一種電磁力驅動模壓板材成形方法及設備，涉及塊體板狀超細晶材料由電磁力驅動模壓成形。利用電磁力驅動鋼模實現(xiàn)板材高速率劇烈變形，由此解決基于沖壓成形等常規(guī)塑性變形手段成形金屬薄板時，受到材料種類和壓制道次限制，晶粒細化效果不明顯的問題，其技術特征是將加工件板坯放入壓彎模進行壓彎；用壓平模對已壓彎的板坯進行整平。然后，板坯水平方向旋轉180°，使得前兩次模壓變形過程中試樣未受到剪切的部分進入到剪切變形的位置，再進行壓彎；用壓平模對再次壓彎過的板坯進行整平。經(jīng)4次模壓變形，可在不改變板坯外形尺寸的情況下獲得超細晶板材。本發(fā)明有效集成了電磁成形與模壓變形的優(yōu)點，可制備各種類金屬材料的大體積超細晶板材。
文檔編號B21D26/14GK102259132SQ20111019056
公開日2011年11月30日 申請日期2011年7月8日 優(yōu)先權日2011年7月8日
發(fā)明者于海平, 吳遠軍, 李春峰 申請人:哈爾濱工業(yè)大學