薄壁构件变速充液-超声-激光复合成形方法及系统

1.本发明属于金属或复合材料板材成形技术领域，具体涉及一种超深腔复杂薄壁构件变速充液-超声-激光复合成形方法及系统。


背景技术：

2.随着社会和科技的发展，尤其是近年来航空航天、汽车等高速运载领域的发展，对于超深腔复杂薄壁构件的需求越来越迫切，超深腔复杂薄壁构件是一类具有复杂小特征与超深腔特征耦合的典型构件，其成形难度高，且现有技术很难达到所需成形极限、成形质量不达标。
3.金属或复合材料超深腔复杂薄壁构件的精确成形主要存在两方面的问题：其一是在成形超深腔特征的过程中会出现破裂和起皱等问题导致成形高度达不到设计高度（零件设计图上最高面和最低面之间的高度差）；其二是薄壁构件的复杂特征成形难度大，目标形状不易成形到位（构件通过一系列手段成形后的形状与设计图上标注的形状不同），在成形过程中需要较大的成形压力，并且特征周围坯料不易流动，易发生破裂缺陷。如何满足超深腔复杂薄壁构件的高质量、高效率成形制造要求，是本领域亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种超深腔复杂薄壁构件变速充液-超声-激光复合成形方法及系统。本发明针对金属或复合材料超深腔复杂薄壁构件的成形提出一种利用超声振动耦合被动式充液成形技术成形超深腔特征、激光耦合高速充液成形技术成形复杂小特征的新成形方法，此方法可以有效地提高薄壁构件的成形极限、成形质量及复杂程度，减少在成形过程中出现的破裂和起皱等缺陷。
5.本发明利用变速充液成形技术，即通过被动式充液成形耦合高速充液成形可以实现在同一台成形设备上同时成形超深腔特征和复杂小特征。在成形超深腔特征时利用超声效应软化板材，改善板材应力状态，降低成形过程板材加工硬化，提高成形极限。同时耦合被动式充液成形所具有的
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溢流润滑”、“摩擦保持”效应及厚向应力作用，解决了超深腔薄壁构件成形极限大、易破裂及法兰处起皱影响成形质量的问题。此外，在成形薄壁构件复小杂特征时，利用激光热效应软化金属或复合材料板材，提高其变形性能，同时耦合高速充液成形技术，使复杂小特征在高速变形下具有更高的成形极限和均匀性，解决了复杂小特征成形不到位和由于流料困难发生破裂的缺陷。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种薄壁构件变速充液-超声-激光复合成形方法，用于金属或复合材料超深腔复杂薄壁构件成形，所述的成形方法步骤包括：1）将凸模、凹模安装在液压设备上，测试液压设备运行情况，对凸模液室和凹模液室进行清理，将凸模液室和凹模液室内的各种杂质如金属碎屑等清理干净，通过凹模上的凹模注液口向凹模液室内注入液体，注入液体液面高度达到凹模法兰面即可停止注液；
2）将板材坯料定位放置在凹模法兰面上，控制压边圈下行合模，通过压边力将板材压紧，板材在压边力和o型密封圈的作用下将凹模液室密封防止液体泄露；3）凸模按照设定的速度下行至板材上表面后，凸模和压边圈上的超声振动装置开始产生机械振荡，通过凸模和压边圈将机械振荡传递给板材产生超声软化效应，凸模继续下行，板料在液室压力的作用下贴紧凸模，并且在超声软化作用下通过被动式充液成形技术逐渐成形为超深腔薄壁构件，板材超深腔特征形成；4）板材超深腔特征成形后，滑动凸模液室挡板使激光射入口与凸模液室口重合，激光发生器射穿凸模液室按照设定的功率照射板材，使得板材照射位置产生激光软化效应，激光照射完成后向凸模液室内注入液体至溢出为止，将凸模液室挡板移动使得凸模液室挡板能够遮挡相应的凸模液室，又不会使激光射入口和凸模液室口相交，在凸模液室口上的密封圈的作用下密封凸模液室，控制液压设备对复杂小特征进行高速充液成形；5）泄压打开模具，将构件取出，切除多余的工艺型面，得到超深腔复杂特征薄壁构件。
7.本发明中若想成形不同形状和尺寸的复杂小特征，只需调整激光的功率，发射不同能量的激光，同时改变凹模形状即可。
8.所述超深腔复杂薄壁构件为航空发动机整流罩类零件等。
9.一种薄壁构件变速充液-超声-激光复合成形系统，包括凹模、凸模、压边圈、超声振动装置、激光发生器，所述凹模的底部设置有凹模注液口，凹模上部具有法兰面，凹模内部具有凹模液室；所述凸模包括凸模主体、横梁，凸模主体和横梁之间形成具有容纳凸模液室挡板的空腔，凸模固定在模具架上，所述模具架上安装有多个超声振动装置，每个超声振动装置的下部固定在凸模的横梁上，在凸模的横梁下表面安装有多个激光发生器，在凸模主体的下部沿凸模高度方向设置有多个凸模液室，在凸模液室挡板上开设有与凸模液室数量相当、位置一致的激光射入口，凸模液室挡板和凸模主体的上表面之间通过限位结构进行限位，初始位置时凸模液室挡板能够遮住所有凸模液室的液室入口，滑动凸模液室挡板，能够使得凸模液室挡板上激光射入口与凸模液室正对，每个激光发生器能通过相应的激光射入口恰好作用到凸模液室内；多个凸模液室之间相互连通，在凸模主体上开设有凸模注液口；在凸模主体的下表面凸模液室出口设置有密封圈；板材置于凹模的法兰面上，在板材和法兰面之间设置有o型密封圈，o型密封圈的直径大于凹模液室的直径；在板材上方设置压边圈，所述压边圈的侧面具有内凹空间，在内凹空间内均匀分布有多个超声振动装置；凸模和压边上安装的超声振动装置的振动方向相同，凸模上的超声振动装置通过凸模将超声振动传递给板材使其产生超声软化效应；压边圈上的超声振动装置用于减小板材与模具之间由于摩擦力产生的不利影响。
10.超声振动装置分别设置在凸模和压边圈上，凸模上的超声振动装置通过凸模将超声振动传递给板材使其产生超声软化效应；压边圈上的超声振动装置用于减小板材与模具之间由于摩擦力产生的不利影响。
11.凸模包括凸模主体、横梁，凸模主体和横梁之间形成具有容纳凸模液室挡板12的空腔，在凸模主体的上表面设置有导轨，在凸模液室挡板的底部设置有开槽，导轨和开槽配合，使得凸模液室挡板能够在凸模主体上表面滑动，凸模液室挡板上设置有激光射入口，导
轨设置在凸模液室的两侧，凸模液室挡板滑动过程中能使得激光射入口与相应的凸模液室口重合，凸模液室既能作为充液室又能作为激光照射的通路，实现了激光照射与高速充液成形一体化的工艺，无需使用两个凸模分别用于激光加工和高速充液成形，节约成本，提高加工效率，减小成形周期。
12.本技术中将激光技术与高速充液技术耦合，将两种技术用于同一成形步骤中实现耦合，相比于传统高速充液成形，激光-高速充液成形过程中板材残余应力低，不易出现破裂，并且成形极限更高。本技术中没有小特征只有超深腔的为超深腔薄壁构件，有超深腔和复杂小特征的为超深腔复杂薄壁构件，本技术中超深腔复杂特征是指既包括超深腔又包括复杂小特征，超深腔特征不含复杂小特征。将变速充液-超声-激光复合成形方法应用于超深腔复杂薄壁构件的特征成形，对于超深腔特征采用被动式充液成形提高应力分布均匀性和成形极限；对于复杂小特征采用高速充液成形能提高复杂小特征的成形质量；超深腔复杂薄壁构件为厚度方向的几何尺寸远小于其他方向（除了厚度方向以外的方向）的几何尺寸，复杂小特征指的是形状复杂尺寸小的形状特征，形状复杂为形状曲率变化多或者形状不简单或者不对称的异形类形状，尺寸小指半径只有0.7-1.5倍料厚的小圆角特征。薄壁构件为类圆柱形或圆柱形等，超深腔指的是薄壁构件的外直径和深度的比值小于1.2，优选薄壁构件的壁面厚度1-1.2mm。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的一种面向超深腔复杂特征薄壁构件的变速充液-超声-激光复合成形方法是基于超声软化效应、激光热效应来改善板材的应力状态、变形方式及变形性能，使之有利于板材流动。变速充液成形兼具被动式充液成形和高速充液成形的优势，具有成形极限高、变形均匀、回弹小、残余应力小的特点。本发明中对于超深腔特征采用被动式充液成形提高其成形极限，对于复杂小特征采用高速充液成形改善其成形质量。在航空航天、汽车等高速运载领域，尤其是具有多个复杂小特征的超深腔薄壁构件的一体化成形方面具有广阔的应用前景，极大的提高了板材的成形性能，填补了超深腔构件成形领域的空白，拓宽了成形构件的复杂程度，改善了成形质量。
14.本专利采用液压与超声相结合的方式，先通过加装在凸模上的超声振动装置软化了构件，降低了成形所需要的变形力使其在成形过程中受力减小使其变形均匀，提高材料的成形性能，避免了因受力过高产生破裂等问题，然后通过加装在压边圈上的超声振动装置通过震动减小了模具与构件之间的摩擦力使其更好地向成形方向移动避免了由于供料不足产生撕裂等问题，最后是通过液压设备提供给构件一个预紧力使其贴合模具避免出现褶皱问题，从而作用在一起在保证成形质量的前提下提高了其能够拉深的高度。
15.特征较小（工件微细形状，尺寸较小，约几
㎝
左右，形状不规则，金属材料能形状复杂特征）成形的难点为成形后形状和预设形状误差大，若为了达到成形质量现有技术只能增大液体压力会使构件收到的成形力过大直接冲破构件，而本专利分为两步先对构件通过激光进行加热使其内部应力变小，这时成形所需的液体的压力将会控制在合理的范围之内解决上述问题，采用激光主要是将构件小特征部位进行加热，加热后的构件成形性能更好即更容易成形到预定的形状，成形后的回弹更小，减少应力，用更小的力拉纵深，延展性更好。
16.本发明着手于在成形高度高、尺寸复杂的零件会出现零件破裂、畸形等问题影响
成形质量和效率，创造性地将充液成形、激光辅助成形、超声振动三种技术有机结合在一起，提高成形质量和效率，能够快速高质量的成形超深腔复杂薄壁构件。
附图说明
17.图1为本发明实施例中超深腔复杂薄壁构件变速充液-超声-激光成形装置成形开始阶段示意图一。
18.图2为本发明实施例中超深腔复杂薄壁构件变速充液-超声-激光成形装置成形超深腔特征阶段示意图二。
19.图3为本发明实施例中超深腔复杂薄壁构件变速充液-超声-激光成形装置成形复杂特征阶段示意图三。
20.图4为本发明实施例中挡板在凸模上的工作位置1（挡板上开孔与凸模激光射入口不重合凸模液室密封，即初始位置）。
21.图5为本发明实施例中挡板的凸模上的工作位置2（挡板上开孔与凸模激光射入口重合位置）。
22.附图标记说明：1-凹模，2-板材，3-压边圈，4-变幅杆，5-换能器，6-超声电源，7-凸模，8-第一激光发生器，9-模具架，10-第二激光发生器，11-第一激光射入口，12-凸模液室挡板，13-第二激光射入口，14-凸模注液口，15-第二凸模液室，16-o型密封圈，17-第一凸模液室，18-凹模注液口。
具体实施方式
23.以下结合附图对本发明作进一步的详细说明：本发明提供的超深腔复杂薄壁构件变速充液-超声-激光复合成形系统，参见图1，包括凹模1、凸模7、压边圈3、超声振动装置、激光发生器，所述凹模1的底部设置有凹模注液口18，凹模1上部具有法兰面，凹模内部具有凹模液室；所述凸模7固定在模具架9上，所述模具架9上安装有多个超声振动装置，每个超声振动装置的下部固定在凸模7的横梁上，在凸模7的横梁下表面安装有多个激光发生器，包括第一激光发生器8、第二激光发生器10，横梁下部具有容纳凸模液室挡板12的空腔，在凸模主体的下部沿凸模高度方向设置有多个凸模液室，包括第二凸模液室15、第一凸模液室17，在凸模液室挡板12上开设有与凸模液室数量相当、位置一致的激光射入口，本实施例中有两个激光射入口，即第一激光射入口11、第二激光射入口13，凸模液室挡板和凸模主体的上表面之间通过限位结构进行限位，初始位置时凸模液室挡板能够遮住所有凸模液室的液室入口，滑动凸模液室挡板，能够使得凸模液室挡板上激光射入口与凸模液室正对，每个激光发生器能通过相应的激光射入口恰好作用到凸模液室内；多个凸模液室之间相互连通，在凸模主体上开设有凸模注液口14；在凸模主体的下表面凸模液室出口设置有密封圈；板材2置于凹模的法兰面上，在板材和法兰面之间设置有o型密封圈16，o型密封圈16为o型橡胶密封圈，o型密封圈16的直径大于凹模液室的直径；在板材上方设置压边圈3，所述压边圈3的侧面具有内凹空间，在内凹空间内均匀分布有多个超声振动装置。凸模和压边上安装的超声振动装置的振动方向相同，凸模上的超声振动装置通过凸模将超声振动传
递给板材使其产生超声软化效应；压边圈上的超声振动装置用于减小板材与模具之间由于摩擦力产生的不利影响。
24.所述的超声振动装置包括超声电源6、换能器5和变幅杆4，在压边圈上，超声电源固定在压边圈内凹空间的上部，变幅杆与内凹空间的下部固定，换能器连接超声电源和变幅杆；在凸模上，超声电源固定在模具架9上，变幅杆固定在凸模7的横梁上表面；其中超声电源发出超声电信号，换能器5将电信号转换为机械振荡，通过变幅杆传递给其他构件。
25.在凸模主体的上表面上避开凸模液室的位置设置有导轨，且导轨位于凸模上多个凸模液室入口的两侧，凸模液室挡板相应位置设置有与上述导轨相配合的开槽，开槽与导轨配合，使得凸模液室挡板能够实现对多个凸模液室的遮挡和打开，使激光能够从相应的激光射入口射入到凸模液室中，能够将激光照射与高速充液成形集成在一起，实现激光照射与高速充液成形一体化的工艺，无需使用两个凸模分别用于激光加工和高速充液成形，节约成本，提高加工效率，减小成形周期。
26.凸模7上表面多个超声振动装置以凸模外圆圆心为对称点对称分布（圆心为对称点对称分布是指把一个图形绕着某一点旋转180
°
，如果它能与另一个图形重合，那么就说这两个图形关于这个点对称或中心对称，这个点叫做对称中心，），且靠近凸模外圆30cm处内侧安装。压边圈上超声振动装置安装在压边圈法兰面上距离外圆20公分对称安装，凸模上共安装8个超声振动装置，压边圈上共安装四个超声振动装置。
27.在凸模激光发生器和对应的激光射入口的安装位置，与待加工的超深腔复杂薄壁构件的复杂小特征的数量和所在位置一致，即超深腔复杂薄壁构件上小特征的分布数量为几个，则设置几个激光发生器，激光发生器的下方正对激光射入口，一个激光射入口一个凸模液室，一个凸模液室位于一个复杂小特征的正上方。
28.成形极限指的是构件成形可以拉深多深，本发明主要针对的是超深腔构件的成形即构件最底部和最上部垂直距离大，成形质量的评价主要是判断构件是否成形到预定的形状，是否出现破裂、褶皱、划伤等损伤。若成形的形状好且并未出现损伤说明成形质量好。
29.变速（被动+高速）充液成形为一种将被动式充液成形与高速充液成形复合的成形技术，即通过被动式充液成形超深腔特征耦合高速充液成形复杂小特征。超声振动技术通过换能器将电信号转换成机械振动并作用在板材上，增大超深腔拉深的深度达到超深腔构件成形的目的，从而提高板材成形极限。激光辅助成形通过激光照射使板材软化，减小构件特定部位成形所需外力，从而达到便于成形复杂小特征目的的技术。
30.本发明提供的超深腔复杂薄壁构件变速充液-超声-激光复合成形方法，如图1-图3所示，包括以下步骤：1）将凸模7、凹模1安装在液压设备（图中未标出）上，测试液压设备运行情况，对凸模液室和凹模液室进行清理，将所有液室内的各种杂质如金属碎屑等清理干净。通过凹模1上的凹模注液口18向凹模液室内注入液体，注入液体液面高度达到凹模的法兰面即可停止注液。
31.优选的，所述液体可采用油、水等流体介质。
32.2）将1.5mm厚的板材胚料定位放置在凹模1的法兰面上，控制压边圈3下行合模，通过80mpa的压边力将板材2压紧，板材2在压边力和o型密封圈16的作用下将凹模液室密封防止液体泄露。
33.3）超声振动耦合被动式充液成形技术：凸模7按照3-5mm/s的速度下行至板材2上表面（此时凸模下表面未与板材接触，因为凸模安装在板材上方，这一步主要作用是定位看看板材安装位置是否正确）后，凸模7继续下行开始接触板材2，凸模7和压边圈3上的超声振动装置开始产生机械振荡，通过凸模7和压边圈3传递给板材2产生超声软化效应，板材2随着凸模下行逐步加载达到20mpa（该压力通过设置一个液室压力加载随时间变化的路径曲线逐步加载获得，由液压装置通过凹模注液口18提供并调节）的凹模液室压力的作用下贴紧凸模，并且在超声软化作用下通过被动式充液成形技术（被动式充液成形是凸模作为动力源，以液体作为凹模的柔性成形技术）逐渐成形为超深腔薄壁构件，板材超深腔特征形成。
34.4）激光耦合高速充液成形：板材超深腔特征成形后，滑动凸模液室挡板12使凸模液室挡板12上的第一激光射入口11、第一激光射入口13与相应的凸模液室口重合，这两个激光射入口在凸模上设置的位置分别与超深腔薄壁构件的两个复杂小特征对应，第一激光发生器8、第二激光发生器10再按照设定的功率（激光发射功率根据不同的板厚进行现场调试）照射板材，使得产生复杂特征位置的板材产生激光软化效应，向凸模液室内注入液体至稍有溢出，将凸模液室挡板12滑动至初始位置，在凸模液室出口的密封圈作用下密封凸模液室，控制液压设备对复杂小特征进行高速充液成形（参见图3）。
35.5）泄压打开模具，将构件取出，切除多余的工艺型面，得到所需要的超深腔复杂特征薄壁构件。
36.本发明中高速充液成形是指利用高能量液体的瞬间释放转换为成形冲击波进行零件弹塑性快速变形的一种新型制造技术，成形为瞬间完成所以称为高速，本技术中的变速指的是被动式充液成形（成形速度慢）和高速充液成形并存。
37.本技术中在步骤3）中始终加载超声直至步骤3）被动式充液成形结束为止，超声频率根据材料种类和加工要求设置，对于金属可利用标准超声拉伸试验获得合适的超声频率。本技术中超声振动耦合被动式充液成形，超声加载方式分为两部分：第一部分超声振动装置作用在凸模上，通过凸模传递给构件，第二部分由超声振动装置作用在压边圈上，然后通过压边圈传递给边缘板材，实现既在施加又在零件缘振动材料进一步入提高了薄壁构件的成形极限。
38.本技术中激光耦合高速充液成形指先利用激光热效应软化构件成形部位，然后利用液体的瞬间高压力冲击成形复杂的小特征。激光的作用方式为直接对局部位置板材进行照射，激光能量范围为大于0j，且不大于100j，根据不同金属和厚度选取不同照射能量，对于超薄板材可以使用较小的能量。激光安装部位对应构件上的复杂小特征。激光通过加热金属改变其成形所需外力，增加其延展性避免过高的液体压力导致瞬时冲击力过大导致构件破裂，同时不会引起第三步已成形零件的形状发生改变。
39.本发明中超声振动耦合被动式充液成形指液压和超声共同作用在构件上进行成形制备具有超零件，能够显著降低成本，同等条件下能加工的深度比已有工艺提高了20%~50%，避免了单独使用液压成形构件无法成形到较大深度，在成形过程中出现破裂或者褶皱达不到使用要求的问题，利用超声振动装置对板材作用使其软化，即达到同一高度需要的外力变小就不容易破裂和起皱，同样的在构件能够承受的极限外力下就能达到更大的深度（成形高度）。对于的复杂小特征，如倍材厚度使复杂小特征在高速变形下具有更高的成形
极限和均匀性，解决了复杂小特征成形不到位和由于流料困难发生破裂的缺陷。
40.以航空发动机整流罩类零件为例，由于深度较深，常规落压成形需5-6道次才可完成，且零件表面质量较差，易于产生破裂缺陷。采用变速充液-超声-激光复合成形方法，在被动式充液拉深与超声软化的复合作用下，可有效减少成形道次，在2-3道次内即可完成成形，可大幅度提高成形极限。成形过程中，被动式液体静水压力的作用，可有效抑制破裂产生。耦合超声振动，一方面可以减小了摩擦对板材成形性能的影响，另一方面可以提高了整流罩零件材料自身的塑形变形能力，同时成形过程中的应力叠加效应（超声加载所具有的性能），使板材成形过程成形性能得到提高，同时也使其形状稳定性得到了改善。
41.对于整流罩上的小圆角特征，采用激光照射软化复合冲击液压成形的方法，提高其成形性能。圆角特征在热态高速冲击变形下，成形极限更高，该方法可成形1.5倍料厚及更小的圆角半径。
42.本发明所提出的“变速充液-超声-激光复合成形方法”中的变速充液成形，指的是在成形零件深腔阶段的被动式充液成形，与成形小圆角特征阶段的冲击液压成形。由于被动式充液成形属于静态成形，而冲击液压成形属于动态成形，故命名为变速充液成形。
43.本发明未述及之处适用于现有技术。